Медь повсюду. Откройте заднюю крышку старого телефона или загляните внутрь сетевого фильтра — там везде блестят медные дорожки. Проблема в том, что блестят они недолго. Оставьте кусок медной проволоки на балконе на пару недель, и он покроется тусклой бурой плёнкой, а потом начнёт зеленеть. Для скульптур и старых крыш это, может, и придаёт шарм, но для электроники подобное окисление — приговор. Контакт портится, сопротивление растёт, устройство глючит или вовсе умирает. Именно поэтому львиная доля проводящих чернил для гибкой электроники до сих пор делается из серебра. Оно не окисляется так быстро, но стоит в десятки раз дороже. Учёные из Университета Мэриленда, Йеля и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли решили, что с них хватит этого компромисса, и придумали чернила, которые позволяют печатать практически «вечные» медные проводники.
Алхимия на кухонной плите: при чём тут цвет раствора
Главный герой этой истории — формиат меди, недорогая соль, которую химики знают уже пару столетий. Если её растворить, нанести на поверхность и как следует прогреть, она разлагается, оставляя чистую металлическую медь. Звучит элементарно, но до недавнего времени все попытки сделать это на воздухе и при низкой температуре заканчивались провалом. Получались либо рыхлые окисленные плёнки, либо проводники с такой уймой микротрещин, что пользы от них было не больше, чем от карандашной линии. Профессор Шэньцян Жэнь, который возглавлял исследование, рассказывал, что его команда больше десяти лет топталась на месте, перебирая растворители в надежде найти тот самый. И однажды они обратили внимание на деталь, которую многие сочли бы пустой эстетикой — на цвет свеженанесённой, ещё мокрой плёнки.
Оказалось, что если использовать в качестве растворителя диэтиленгликоль монобутиловый эфир, то после высыхания остаётся бледно-голубой, мутноватый слой с кучей пустот. При нагреве до 150 градусов — а это температура, которую можно получить чуть ли не на кухонной плите или промышленным феном — эти пустоты превращались в очаги коррозии. А вот когда взяли аминометилпропанол, жидкость стала вести себя иначе. Высохшая плёнка приобрела глубокий тёмно-синий, почти чернильный цвет, была идеально гладкой и плотной. Как объяснил сам Жэнь в университетском пресс-релизе, «мы увидели, что цвет исходной плёнки — это не просто эстетика, а прямой индикатор качества будущего медного проводника, и ухватились за эту нить». Молекулы растворителя как будто аккуратно упаковывали соль в сплошной ковёр без единого зазора, и дальше оставалось лишь запустить термическое превращение.
И вот здесь кроется самый хитрый момент всего процесса. Когда синюю плёнку греют до скромных ста пятидесяти градусов прямо на открытом воздухе, формиат распадается, а всё лишнее просто испаряется, не оставляя после себя ни углеродных следов, ни окислов. Под микроскопом готовый слой выглядит как сплошное медное полотно с настолько плотно пригнанными друг к другу кристаллическими зёрнами, что кислород физически не может протиснуться внутрь и начать своё разрушительное дело. Никаких дополнительных вакуумных камер, инертного газа или сложной многоступенчатой очистки. Именно эта микроструктура, выстроенная ещё на стадии мокрой плёнки, делает медь «вечной». Иными словами, весь секрет стойкости закладывается не во время обжига, а в тот момент, когда капля чернил растекается по подложке и застывает ровным синим слоем.
Крещение морем: полгода в соляном растворе и медные Эйфелевы башни
Чтобы доказать, что за красивой теорией стоит реально работающая технология, учёные пошли на довольно жёсткие тесты. Они заправили чернила в обычный струйный принтер и напечатали контактную сетку для солнечной ячейки. Гибкие полимерные подложки с высохшими фиолетовыми линиями отправились в печь, а через несколько минут вышли оттуда с характерным металлическим блеском. Элемент заработал штатно и не выказывал никакой деградации на протяжении длительных циклических нагрузок. Потом решили развлечься и заодно продемонстрировать универсальность подхода: принтер нарисовал микроскопические копии талисмана Мэрилендского университета — черепахи по имени Тестудо — и изящные модели Эйфелевой башни. Каждое такое изделие было не просто игрушкой, а полноценным электропроводящим объектом, способным принять ток и рассеять заряд.
Но самое убедительное испытание ждало образцы впереди. Их без всякой защитной лакировки просто взяли и утопили в морской воде. Дачник знает, что любой медный шуруп в контакте с солёной влагой через пару дней покрывается зелёной рыхлой коркой хлоридов, а через месяц его проще выбросить. Исследователи же оставили напечатанные платы в воде на полгода. Когда их наконец извлекли из ёмкости, внешний вид оставался практически первозданным: ни зеленоватых пятен, ни точечных очагов ржавчины. Лабораторные замеры подтвердили, что проводимость не просела за пределы погрешности измерений. «Мы намеренно выбрали одну из самых агрессивных сред, чтобы раз и навсегда снять вопросы о коррозионной стойкости, — прокомментировал профессор Жэнь. — Итог шести месяцев в морской воде без единого пятна ржавчины говорит сам за себя».
Такая устойчивость рисует заманчивые перспективы для гаджетов, которые работают в контакте с телом. Представьте себе медицинский пластырь с напечатанными медными сенсорами, который вы клеите на плечо, чтобы отслеживать сердечный ритм во время марафона. Обычная медь под слоем пота и кожного сала очень быстро превратится в непроводящий оксид, и датчик онемеет. Медные проводники из новых чернил, напротив, выдержат и влажность, и солевую среду без деградации. То же самое касается «умной» одежды, которую стирают вместе с встроенной электроникой, или подводных датчиков, месяцами висящих на буйках в открытом море. Если раньше для таких применений выбора, кроме серебра, по сути, не было, то теперь появляется альтернатива, которая при вдвое меньшей цене обладает фантастической химической стойкостью.
Экономика без компромиссов: почему NewCopper бросает вызов серебру
Серебряные чернила долгое время держали рынок печатной электроники на коротком поводке. С одной стороны, с ними легко работать, они отлично проводят ток и не окисляются при низких температурах. С другой — цена серебра скачет, а само его использование ставит производителей в зависимость от биржевых котировок драгметаллов. Медь намного доступнее и распространённее, но до сих пор технологи не могли всерьёз её рассматривать для струйной печати гибких плат. Традиционная металлизация требовала либо токсичных гальванических ванн, либо долгих циклов обжига в инертной атмосфере, что съедало всю экономию. Новые же чернила на основе формиата меди наносятся принтером, сохнут при комнатной температуре, а превращаются в металл за считанные минуты на воздухе и без единого грамма защитного газа. Это радикально упрощает технологическую цепочку и рубит капитальные затраты.
Осознав коммерческий потенциал, Жэнь с коллегами основали стартап NewCopper, перед которым стоит задача превратить лабораторный триумф в коробку с картриджем, которая будет стоять в каждом цехе, выпускающем гибкую электронику. В планах — довести технологию до конвейера, чтобы производители могли просто заменить серебряные картриджи на медные, не меняя парк принтеров. По подсчётам команды, себестоимость печатных проводников упадёт в пять-десять раз. А поскольку процесс не требует агрессивных химикатов и многоступенчатого травления, на выходе получается гораздо меньше токсичных отходов, чем при классической гальванике. Это тот случай, когда экология и экономика не спорят, а идут рука об руку. Если пилотные проекты докажут промышленную воспроизводимость, рынок гибких датчиков, IoT-антенн и носимых устройств начнёт стремительно перекраиваться.
Уже сейчас можно вообразить, как через пару лет заходим мы в магазин и покупаем рулон «умных» обоев с медным контуром, который не боится сырости и распределяет питание по всему дому. Или получаем посылку в коробке, которая сама сигнализирует смартфону, что её перевернули или вскрыли, — и вся эта электроника напечатана дешёвыми синими чернилами, которые когда-то казались просто химическим курьёзом. Медь перестаёт быть металлом, который приходится жалеть и прятать под защитные лаки, и становится тем самым материалом, на котором держится вся инфраструктура носимой и гибкой схемотехники. И всё это благодаря внимательности учёных, которые вовремя заметили, что правильный оттенок синего решает всё.
Подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить новые статьи и ставьте нравится.
