Зачем нужна «мимолётная электроника»?

Зачем нужна «мимолётная электроника»?

Джон Роджерс (John Rogers) из Университета Иллинойса в Урбане и Шампейне (США) задумался над этим вопросом несколько лет назад. И, конечно, не был первым: гибкая электроника на основе пластиков разрабатывается довольно давно, но гибкость часто требует жертв. Причем имена последних могут быть такими громкими, как «энергоэффективность» и «производительность»: пока даже лучшие пластики уступают по электропроводности кремниевой электронике в проводящем состоянии. Стоит ли оно того?

«Налицо огромная индустрия, ориентированная на производство микросхем из кремниевых подложек, и именно поэтому люди обычно смотрят на кремний и говорят: “Ну, он негибкий, поэтому нам надо разработать другой материал — для гибких микросхем”, — говорит исследователь. — Но если вы подумаете об этом с точки зрения механики, то быстро поймёте: проблема не в кремнии, а в подложке. И если вы сможете избавиться от нижних слоёв кремния, не вовлечённых в работу микросхемы, то там останется лишь очень тонкий слой этого материала, гибкий, словно опавший лист».

И в самом деле — идеология кремниевых микросхем всегда сводилась к требованию прочности-и-надёжности, ради чего подложка оставлялась значительно более толстой, чем это необходимо. Но если вам нужна гибкость, поскольку вы мечтаете о сгибаемых смартфонах, логично пойти по другому пути. Джон Роджерс начал с утоньшения подложек до 100 нм (около одной десятой толщины человеческого волоса). Изменилась и форма исполнения микросхем: для повышения гибкости и даже растягивания кремниевых компонентов без их разрушения схемы начали делать зигзагообразными дорожками, в обычном состоянии сложенными, но под действием растяжения увеличивающими свою длину и благодаря малой толщине пригодными для скручивания и сгибания.

Однако после взятия этого барьера (доработка гибкой кремниевой электроники всё ещё идёт полным ходом, ведь чтобы после создания материала добраться до высокопроизводительных прототипов и серии, нужно время) г-н Роджерс задумался: не позволит ли ещё большее сокращение толщины подложек и материала для микросхем найти им применение в новых, не знавших электроники областей? Гибкой электронике ещё бóльшая «утончённость» не нужна, так как уже при 35-нанометровой подложке кремний в присутствии воды полностью корродирует за считанные часы. Не то что капли дождя, но даже банальная слюна, попавшая в неуловимую глазом щель на корпусе смартфона, поставит любое устройство на грань жизни и смерти. Для чего же тогда нужна микросхема толщиной в тысячную долю волоска?

О, применения есть, и их немало. Создав подложку в 35 нм, учёный убедился: бесследное растворение в биологической жидкости для неё и впрямь дело часов. И первое, что пришло ему в голову, были разнообразные медицинские нужды. «Мимолётная электроника», как он её называет, по мнению г-на Роджерса и его коллег, может пригодиться для создания медицинских сенсоров на растворимых микросхемах, которые попадут внутрь, скажем, важного кровеносного сосуда и проверят его состояние, или даже окажутся в сердце больного человека и дадут врачам информацию об идущих там процессах. Так, после операции часто непросто узнать, как именно протекают восстановительные процессы. Конечно, такие датчики можно имплантировать и сейчас, благо механизмы их питания не только от батареек, но и индукционным методом развиваются очень быстро. Но вот их эвакуация после восстановительного периода, прямо скажем, потребует хирургического вмешательства, анестезии и иных действий, не вполне безопасных и тем более комфортных для больного.

Растворяющиеся под действием воды и её паров микросхемы, само собой, нужны не только медицине, но и... скажем так, прямо противоположным отраслям. Джон Роджерс, верный правительственной бумаге о неразглашении, на вопросы журналистов о военных аспектах деятельности его коллектива отвечает коротко: «Вы и сами можете всё представить».

И действительно: то же Управление перспективных исследований Министерства обороны США (DARPA), что принудило учёного помалкивать, в 2013 году выступило с программой Vanishing Programmable Resources следующего содержания: телефоны, датчики, мини-рации и прочая военная электроника тактического назначения часто остаются на поле боя после его окончания, попадая в руки врага, который, как показывает пример Ирана, может скопировать не то что носимую электронику, но даже огромный беспилотник за жалкий год — и начать продажи подобных продуктов в Венесуэлу и прочие особенно дружественные к США страны.

«Что если бы все эти предметы попросту исчезали, когда в них отпадёт нужда?» — вопрошает DARPA к потенциальным разработчикам. Именно это и предлагает технология изготовления микросхем «по Роджерсу» на базе подложек толщиной 35 нм. Причём за подобными усилиями стоят не только военные: для спецслужб саморастворяющаяся в крови, лимфе или слюне электроника может быть ещё важнее, чем для моторизованной пехоты. Вспомним хотя бы те же «шпионские камни»: что если при вскрытии вместо заряда самоликвидации (часто неприемлемого из соображений скрытности) подобная штуковина просто раскупоривала бы пакетик с водой, расположенный рядом с картой памяти? Много ли осталось бы для «видеопоказа» по какому-нибудь, не к ночи будь помянут, Russia Today?

Но вернёмся к нашим смартфонам. Микросхемы толщиной в десятки нанометров (хотя и слегка толще 35 нм) могут полюбиться не только врачам, разведчикам и военным: новые модели мобильных телефонов сходят с конвейера с такой скоростью, что среднее устройство оказывается на свалке ещё до окончания своего ресурса. А дальше начинается самое интересное: пластик деградирует долго и упорно, а его электроника в этом отношении совсем никудышна. Микросхемы, ликвидируемые по рецепту «просто добавь воды», могли бы сделать реальностью биодеградируемые гаджеты, и планета поклонилась бы нам в пояс...

Подготовлено по материалам Смитсоновского института.