Ученые НИЯУ МИФИ с помощью компьютерного моделирования изучили, как локально менять структуру диамана и создавать в одном материале проводящие, полупроводящие и изолирующие области. Я строю из бетона, металла и кирпича — из того, что можно потрогать, взвесить и уложить в смету. Мой масштаб — метры, тонны, кубометры. Поэтому, когда мне говорят про исследования на уровне отдельных атомов, я честно признаюсь: не сразу понимаю, приходится разбираться, потому что тема очень интересная.
Но потом углубляюсь в изучение темы — и понимаю, что это важно. Потому что материалы, которые сегодня создают в лабораториях, через двадцать лет могут лечь в основу совершенно других технологий. Я знаю это по собственному опыту: арматура, которую я укладывал в семидесятых, была другой. Бетон был другим. Технологии менялись — и я менялся вместе с ними.
Вот и сейчас ученые МИФИ работают с материалом, который через несколько лет может изменить устройство окружающей нас электроники. Он называется диаман.
Что такое диаман - давайте разбираться
Диаман — двумерный углеродный материал. «Двумерный» означает, что он буквально тонкий, как один-два слоя атомов. Для понимания масштаба: человеческий волос в поперечнике составляет около 70 000 нанометров. Диаман — единицы нанометров. Разница в десятки тысяч раз.
Но не толщина делает его интересным, а другое: при изменении структуры диаман способен переходить из состояния изолятора в состояние проводника. То есть один и тот же материал может либо пропускать электрический ток, либо не пропускать — в зависимости от того, как на него воздействовать.
Причем воздействовать можно локально. Это означает, что на одном листе диамана можно создать участки с разными электрическими свойствами: вот здесь — проводник, рядом — полупроводник, чуть дальше — диэлектрик. В одном материале, без склейки, без стыков, без соединений между разными веществами.
Эксперт РОЦИТ Вадим Ампелонский объясняет это так: «Они нашли способ управлять материалом на уровне отдельных атомов — это примерно как научиться собирать конструктор не из деталей, а из самих молекул. Именно благодаря таким открытиям потом появляются новые компьютеры, медицина и умные устройства».
Я, как строитель, переведу это на свой язык. Сейчас в электронике для разных задач используют разные вещи: медь для проводников, кремний для полупроводников, оксиды для изоляции. Это как строить дом, используя разные материалы для каждой функции: дерево для одного, кирпич для другого, стекло для третьего. Сложная логистика, много стыков, каждый из которых — потенциальное слабое место.
Диаман предлагает другую логику: один материал, который умеет все. Как если бы существовал строительный материал, который можно использовать и как несущую стену, и как теплоизоляцию, и как остекление — просто обрабатывая его по-разному в разных местах.
Углерод — и почему он важен для медицины
Углерод — это не случайный выбор. Он биосовместим: живые организмы, включая человеческое тело, построены на этой основе. Вывод следующий: материалы на основе углерода имеют шансы работать в контакте с биологическими тканями без отторжения, токсичности и воспалительных реакций.
Это открывает направление, которое в технической задаче называется нейроинтерфейсами, то, что позволяет напрямую соединить электронику с нервной системой. Прочитать сигнал от нейрона, передать его в компьютер. Или наоборот — подать электрический сигнал в нужный нейрон.
Для медицины это означает принципиально новые возможности. Управление протезами силой мысли. Восстановление утраченных функций при повреждениях спинного мозга. Лечение неврологических заболеваний с помощью точечной стимуляции нервных цепей.
Для всего этого нужен материал, который одновременно проводит электрический ток и не вызывает реакции отторжения в организме. Диаман — потенциальный кандидат именно потому, что он углеродный и биосовместимый.
А что вы думаете о...Насекомых-киборгах? Конечно, пока это только теоретические возможности, которых намного больше, чем я перечислил здесь. Звучит как фантастика, но это реальное направление исследований: насекомые как носители миниатюрных сенсорных систем для мониторинга труднодоступных сред — шахт, зон аварий, мест поиска людей под завалами. Биологический носитель движется сам, потребляя минимум энергии, а электронная начинка передает данные. Диаман с его биосовместимостью — потенциальная основа для такой начинки. Было бы здорово, если бы такие технологии появились в ближайшее время
Алгоритмы искусственного интеллекта в таких системах могли бы обрабатывать данные с датчиков, распознавать опасные изменения среды и помогать устройству выбирать маршрут или передавать наиболее важные сигналы оператору
Пока только моделирование
Важная деталь, которую нельзя упускать из виду: нынешние результаты получены с помощью компьютерного моделирования. Физического диамана в нужном виде пока нет. Предстоит разработать способы его производства в виде пленок, управление структурой и методы интеграции с существующей электроникой.
Это не умаляет значения работы — скорее наоборот.
В науке компьютерное моделирование — это обязательный первый шаг перед физическими экспериментами. Сначала нужно понять, что материал вообще должен обладать нужными свойствами. А потом доказать это экспериментальным путем. Потом — научиться делать это воспроизводимым. Потом — создать технологию производства. Этот путь занимает несколько лет, иногда — десятилетия.
Как строитель, я хорошо понимаю эту логику. Прежде чем залить фундамент, инженер делает расчет. Прежде чем делать расчет, — геологическое исследование грунта. Прежде чем строить, — проект. Моделирование в науке — это как проект в строительстве: без него нельзя понять, что вообще строить и получится ли это построить.
То, что в МИФИ провели этот расчет и он показал перспективность материала, — это уже результат, за которым последуют следующие шаги.
Вадим Ампелонский точно подметил: российские ученые работают не с тем, что уже существует, а пытаются создать технологии следующего поколения. Это принципиально важно в контексте того, что происходит с микроэлектроникой в России. Доступ к передовым западным технологиям ограничен — об этом я уже подробно писал. Покупать готовые решения у тех, кто ввел санкции, невозможно. Копировать то, что уже есть у других, — значит навсегда остаться позади.
Единственный путь к реальному технологическому суверенитету — это самим создавать технологии следующего поколения. В таком случае не нужно догонять: нужно прийти туда первым.
Диаман — это именно такая история. Пока никто в мире не производит промышленную электронику на основе диамана. Это открытое поле, на котором у России есть шанс занять позицию первооткрывателя.
Мне, строителю, это понятно на физическом уровне. Когда выходишь на рынок с новой технологией, условия диктуешь ты. Когда копируешь чужое, ты зависишь от чужих решений и чужих патентов. Российские ученые создают основу технологий, которые смогут соединить материал, электронику, биологические системы и интеллектуальную обработку данных.