Прозрачное и биосовместимое: будущее органической электроники

Органическая электроника долго воспринималась как нишевое направление на периферии «настоящей» электроники, которая по-прежнему ассоциируется с кремнием, жесткими чипами и высокой вычислительной мощностью. Но разговор с Дмитрием Паращуком, профессором физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова, показывает, что органическая электроника не пытается заменить привычные устройства, а расширяет само понятие электроники — в сторону гибких экранов, биосовместимых сенсоров, легких солнечных панелей и материалов, которые могут работать там, где кремний неудобен или просто избыточен. Что такое органическая электроника — Что вообще такое органическая электроника, чем она отличается от привычной электроники на основе кремния и где мы уже можем столкнуться с ней в повседневной жизни? — Если говорить совсем просто, органическая электроника — это электроника, основанная на органических материалах. Обычная электроника, которая нас окружает, в основном построена на кремнии или на других неорганических материалах, а здесь в качестве основы выступают органические соединения. Это направление привлекательно прежде всего тем, что такие устройства могут быть гибкими, прозрачными, легкими, небьющимися, растяжимыми, а в некоторых случаях даже биосовместимыми, то есть более естественными для контакта с живыми тканями. Человечество уже давно научилось массово производить полимеры с самыми разными полезными свойствами: механическими, тепловыми, защитными и так далее. Мы умеем делать дешевые пленки, упаковки, покрытия, материалы, которые, например, хорошо наносятся из раствора и формируют тонкие слои. Исследователи органической электроники сталкиваются с вопросом: можно ли сделать так, чтобы подобные материалы были не просто удобными и дешевыми, но еще и обладали электронными свойствами — например, работали как полупроводники, диэлектрики и металлы — ключевые компоненты электроники? В этом смысле органическая электроника не возникает как экзотическая ветвь науки, а вырастает из уже освоенного мира полимеров и органических соединений. Причем сама идея, что органические материалы вообще способны участвовать в сложных электронных процессах, не выглядит такой уж неправдоподобной, если вспомнить, что в живой природе подобные процессы идут постоянно. Клетки хранят и передают генетическую информацию, реагируют на внешние сигналы, преобразуют энергию, а в случае зрения или фотосинтеза имеют дело еще и со светом. Мы, конечно, не умеем воспроизводить эту сложность так умело и изящно, как это делает природа, но пытаемся создать намного более простые функциональные системы на основе органических соединений. — То есть органическая электроника изначально интересна не только как альтернатива существующим материалам, но и как способ изменить саму форму устройства? — Да, именно так. Когда мы говорим о кремнии, мы почти автоматически представляем себе жесткую, хрупкую, технологически сложную платформу, которая требует высокой чистоты материалов, фотолитографии, вакуума, высоких температур и вообще довольно дорогого производственного процесса. Органические материалы в этом отношении открывают другую логику: устройство можно сделать тонким, гибким, легче масштабировать на большие поверхности и потенциально удешевить, если задача не требует высокой частоты обработки информации и большой вычислительной мощности. Поэтому органическая электроника важна не только тем, что предлагает новый материал, но и тем, что заставляет иначе думать о самой электронике. Она уже не обязательно должна существовать в виде маленького жесткого чипа, спрятанного внутри корпуса. Она может превращаться в покрытие, гибкий сенсор, часть стены, медицинского датчика или упаковки. И в этом смысле она действительно расширяет наше представление о том, где вообще заканчивается электроника и начинается среда, в которую она встроена. Почему кремний не исчезнет — Можно ли в таком случае назвать органическую электронику «убийцей кремния», или это было бы слишком неточным определением? — Говорить так как раз не стоит. Органическая электроника не выглядит как прямой соперник кремния, который должен однажды полностью вытеснить привычные полупроводниковые технологии. Скорее речь идет о разных классах устройств и о разных задачах. Там, где нужна очень высокая частота, высокая производительность, многолетняя стабильность и вычислительная мощность, современный кремний остается вне конкуренции. У органической электроники есть два ключевых ограничения. Первое — это сравнительно низкая скорость работы устройств. Если говорить грубо, органическая электроника плохо подходит для той области, где важны высокочастотные сигналы, масштабные вычисления, привычные процессоры, видеокарты, телекоммуникационные системы и все, что мы привыкли связывать с быстрым цифровым миром. На ней не получится строить устройства того класса, который сегодня определяет вычислительную инфраструктуру. Второе ограничение связано со стабильностью. Органические материалы по самой своей природе обычно менее устойчивы, чем неорганические, и это очень легко понять даже на бытовом уровне: органика портится, стареет и реагирует на среду. Не случайно органические продукты мы храним в холодильнике, а не на полке годами при любой температуре. В электронной технике эта особенность тоже становится проблемой: материал должен работать долго, надежно и предсказуемо, а органические системы пока по многим параметрам уступают традиционным. Но отсюда не следует, что у органической электроники слабое будущее. Из этого следует только то, что ее не надо оценивать по «кремниевым» критериям. Если мерить органику исключительно тем, насколько быстро она сможет заменить самые мощные кремниевые чипы, она заранее проиграет. Но если спросить, где нужны гибкость, прозрачность, низкий вес и цена, а также комфортный контакт с телом или сложной поверхностью, картина становится совсем другой. — То есть правильнее видеть в ней не замену, а дополнение? — Да, именно дополнение и расширение, причем довольно радикально меняющее ландшафт устройств. Кремний хорош там, где нужна высокая скорость вычислений, а органическая электроника перспективна там, где требуется иной набор качеств. Это могут быть одноразовые или недорогие сенсоры, в которых важна не рекордная частота, а функциональность. Органическая электроника в быту — А где органическая электроника уже перестала быть лабораторной экзотикой и вошла в повседневность? — Самый понятный и осязаемый пример — это экраны на основе органических светодиодов, то есть OLED. Именно здесь органическая электроника уже не выглядит как обещание будущего, потому что с ней люди сталкиваются буквально каждый день. Прежде всего это смартфоны, а также часы, часть ноутбуков и телевизоров. То, что в этих устройствах излучает свет, во многих случаях уже основано на органических материалах. Почему это оказалось важным? Потому что такие экраны дают хороший контраст, яркость, широкий цветовой охват и в целом высокое качество изображения. При этом именно в дисплейной технике хорошо видно главное преимущество органической платформы: она позволяет иначе работать с формой устройства, с гибкостью и прозрачностью. Иначе говоря, это первое массовое применение органической электроники, которое можно не только описать, но буквально подержать в руках. Но на экранах дело, конечно, не заканчивается. Как только становится ясно, что органические материалы могут не просто проводить ток, но и излучать свет, воспринимать его или преобразовывать его в электричество, поле резко расширяется. Тогда речь идет уже не только об электронике в узком смысле, но и об органической оптоэлектронике — то есть об устройствах, которые связывают электрические и световые процессы. — Что это меняет с точки зрения функций? — По большому счету функционально органическая электроника может стремиться ко многим задачам, которые выполняет обычная. Источники и детекторы света, а также рентгеновского излучения, устройства преобразования света в электричество, то есть солнечные панели, — все это можно рассматривать в органической логике. Кто-то отделяет органическую оптоэлектронику от органической электроники как особое направление, кто-то объединяет их, но для нас здесь важнее тот факт, что органические материалы могут быть активными элементами не только в переносе электрических зарядов, но и в работе со светом. Это особенно интересно потому, что привычная электроника часто ассоциируется у нас с жесткими и непрозрачными устройствами, тогда как здесь появляются другие качества. Например, гибкие светоизлучающие панели, тонкие фоточувствительные слои или поверхности, которые можно интегрировать в объекты самой разной формы. Поэтому органическая электроника — это в том числе и история о том, как функции устройства начинают отделяться от жесткой геометрии корпуса. Чему нас учит природа — В разговоре об органической электронике вы сравниваете её со зрением. Почему оно здесь так важно? — Потому что глаз — это очень убедительный пример того, как органическая система может быть непревзойдённым фотодетектором. Глаз построен из органических молекул, работает с огромным диапазоном интенсивностей света и в определенном смысле демонстрирует качества, которые остаются крайне сложными для технического воспроизведения. Мы можем смотреть и на яркий свет, и после адаптации различать очень слабые сигналы в темноте на уровне единичных фотонов, и такой динамический диапазон действительно впечатляет. Конечно, здесь нельзя впадать в наивную биологическую метафору и делать вид, будто глаз легко заменить искусственным устройством. У него свои ограничения, в частности, он не является скоростным фотодетектором для высокочастотной передачи данных, как в телекоммуникациях, где нужны совсем другие параметры. Но сам пример глаза важен как напоминание, что органические системы вовсе не обязательно примитивны или беспомощны с точки зрения работы со светом. Напротив, природа показывает, что сложные и эффективные фоточувствительные (как в случае с фотосинтезом у растений) механизмы на органической основе вообще возможны. Мы не умеем полностью повторить природную архитектуру и тем более не понимаем все ее детали до конца, но можем создавать более простые системы, вдохновленные самой идеей того, что органический материал способен быть функционально очень богатым. Органическая электроника — не просто попытка изготовить очередной новый материал, а часть более широкой истории о сближении инженерии и природных принципов. Электроника на стенах, в упаковке и на коже — Если от сегодняшних устройств перейти к более прикладному будущему, где органическая электроника выглядит особенно перспективной? — Мне кажется, что одно из самых интересных направлений — это крупные форматы и дешевые массовые решения. Когда мы имеем дело с кремнием, мы обычно думаем о миниатюризации, о плотной упаковке вычислительных мощностей в небольшом объеме, о чрезвычайно сложных чипах. Органическая электроника предлагает как будто противоположный жест: сделать устройство распределенным по поверхности, легким, гибким и пригодным для нанесения на большие площади. Отсюда возникают довольно наглядные образы будущего. Можно представить себе большие гибкие экраны, рулонные солнечные панели, поверхности, которые не нужно собирать из жестких модулей, а можно наносить как пленку. Можно представить стены, крыши, покрытия и элементы интерьера, которые выполняют функции электронных устройств. Это меняет не только технику, но и визуальную, архитектурную и дизайнерскую логику повседневности. Другой важный класс применений — интеллектуальная упаковка и метки. Если устройство не обязано работать на гигагерцевых частотах и жить десятилетиями, зато должно быть очень дешевым и производимым массово, органическая электроника становится особенно интересной. Речь идет о всевозможных RFID-метках, сенсорах, интеллектуальных наклейках и элементах упаковки, которые могут не просто хранить код, а передавать информацию о состоянии продукта, сроке, условиях хранения или логистике. В такой логике электроника перестает быть дорогим и редким компонентом для ограниченного круга применений и начинает растворяться в огромном количестве бытовых объектов. — Получается, органическая электроника создает умную среду в буквальном смысле? — Да, потому что органическая электроника особенно хороша там, где нужен не один сложный прибор, а множество недорогих, адаптивных, распределенных элементов. Это и сенсоры для дома, и системы мониторинга, и простые устройства, встроенные в городскую или бытовую инфраструктуру. Когда речь идет не о максимальной мощности, а о повсеместности, низкой цене и удобстве интеграции, органические материалы начинают быть очень полезными. Почему медицина здесь так важна — Вы связываете органическую электронику с медициной. Почему ее преимущества так важны для этой сферы? — Потому что человеческое тело плохо совместимо с тяжелой и геометрически неудобной техникой. У нас сложная форма, мягкие ткани, мы находимся в постоянном движении, требовательны к биосовместимости и безопасности, а значит, многие достоинства кремния для нас внезапно оказываются не самыми важными. Зато важными становятся гибкость и возможность мягкого контакта с телом, а также способность работать в виде сенсора, импланта или носимого устройства. Отсюда и большой интерес к биосовместимой электронике. Это могут быть датчики для мониторинга состояния организма, в том числе достаточно простые и дешевые, рассчитанные на массовое применение. Это могут быть сенсоры для медицины, системы контроля биохимических параметров, носимые устройства, которые комфортно ложатся на тело и не требуют громоздкой конструкции. В перспективе — элементы, связанные с проблемами зрения, потому что если что-то и вживлять в человеческое тело, то органическая платформа в ряде случаев выглядит для него естественнее, чем жесткий кремниевый компонент. Здесь важно не обещать мгновенных чудес. Это не значит, что завтра вся медицинская техника станет органической. Дело в том, что именно в медицине у этого направления есть редкое совпадение физических свойств и реального запроса. Тело требует мягкости, адаптивности и формы, которая лучше согласуется с живой тканью и которую органическая электроника потенциально может дать. Отдельно интересны гибкие рентгеновские сенсоры и вообще детекторы, которые можно подстраивать под форму объекта. Когда детектор из плоской жесткой пластины превращается в гибкую поверхность, способную плотнее обхватывать исследуемую область, он может повышать точность и чувствительность диагностики. И здесь снова видно, что главное достоинство органической электроники не в абстрактной новизне, а в ее способности менять геометрию взаимодействия между устройством и телом. Солнечные панели, сенсоры и вопрос об экологии — Помимо медицины и экранов, какие еще направления кажутся вам принципиально важными? — Одно из них — это органическая фотовольтаика, то есть солнечные панели на органической основе. Сегодня основной рынок солнечной энергетики по-прежнему связан с кремнием, и у такого подхода есть свои достоинства: высокий коэффициент полезного действия, большой срок службы, хорошо развитая технология. Но у него есть и ограничения: такие панели относительно тяжелые, жесткие и дорогие, а если вообразить масштабное покрытие поверхностей только ими, среда станет очень однообразной по виду и не всегда удобной по конструкции. Органические панели интересны тем, что могут предложить иное сочетание свойств. Они потенциально легче, гибче, их можно наносить на нестандартные поверхности, интегрировать в оболочки зданий или в другие элементы среды. Более того, они могут быть цветными и полупрозрачными и быть встроены в архитектурные решения: стены, крыши, остекление и так далее. Здесь работает тот же принцип: возможно, они не вытеснят традиционные решения там, где те уже отлично справляются со своей задачей, но смогут занять области, в которых форма и способ интеграции важны не меньше, чем абсолютная эффективность. Другой большой сюжет — всевозможные сенсоры. Газовые датчики, биохимические сенсоры, детекторы давления, устройства для мониторинга состава среды, так называемые электронные носы — все это относится к тому классу задач, где массовость, дешевизна и распределенность особенно важны. Если подобные устройства можно будет производить большими тиражами и встраивать практически куда угодно, нам станет гораздо легче наблюдать за окружающей средой. Мир уже столкнулся с масштабной проблемой пластикового загрязнения, и поэтому естественно задаваться вопросом, не породит ли органическая электроника новый виток той же трудности. Здесь как раз появляется возможность разрабатывать такие соединения, которые будут разлагаться и возвращаться в природный цикл иначе, чем стойкие синтетические материалы, накапливающиеся десятилетиями. Это, конечно, не автоматическое решение всех экологических проблем, но важное направление в электронике будущего, которая должна быть не только функциональной, но и более ответственной по отношению к среде. Какой может стать электроника будущего — Если попробовать все-таки заглянуть вперед, какой мир вы видите, если органическая электроника действительно выйдет за пределы нынешних нишевых применений? — Я бы не описывал это как фантастику в духе слишком уж смелых обещаний, но определенный вектор здесь виден довольно ясно. Прежде всего это, как я уже говорил, гибкие большие экраны, рулонные солнечные панели, покрытия, которые можно наносить на разные поверхности, и множество сенсоров, работающих не как отдельные дорогие приборы, а как распределенная ткань повседневной среды. Это электроника, которая не всегда прячется внутрь устройства, а сама становится частью поверхности, оболочки, одежды, медицинского изделия, упаковки или архитектуры. Развитие органической электроники зависит от решения вполне конкретных проблем. Нужно повышать эффективность и особенно стабильность органических систем, потому что именно эти ограничения сегодня сильнее всего сдерживают их массовое развитие. Сама задача не выглядит безнадежной: органические материалы нестабильны, да, однако жизнь вообще построена на мягких системах, которые умеют существовать не за счет вечной неизменности, а за счет тонкой работы с нестабильными соединениями, которые в живых системах постоянно обновляются. Если смотреть на это шире, органическая электроника предлагает не просто еще один набор устройств, а другую философию техники. В ней меньше жесткости и монолитности, больше приспособляемости, близости к телу и среде. Она как будто отходит от идеи, что электроника обязана быть твердой. Есть и более дальние фантазии, связанные с проводящими полимерами и даже с заменой части традиционных материалов в энергетике и транспорте, хотя это уже значительно более сложный и не столь прямой путь. Но даже если оставить эти дальние горизонты в стороне, уже видны более реалистичные зоны роста: медицина, диагностика, сенсорика, умная упаковка, большие гибкие светящиеся или фоточувствительные поверхности. Именно там органическая электроника может не конкурировать с кремнием на его территории, а строить собственную.