Разработка российских учёных позволит создать сверхгибкие смартфоны, которые будут намного тоньше, чем современные Samsung и Huawei и сравнимы с последней классической моделью iPhone 11. Таких результатов исследователи добились благодаря уникальной технологии производства и нанесения токопроводящих нанотрубок на полимерную основу. Новый материал, который не теряет своих свойств при многократном растяжении и имеет минимальный радиус изгиба в 2 мм, также пригодится при создании высокоточных медицинских сенсоров и тактильных датчиков для роботов.
Битва за радиус
В качестве токопроводящей основы в экранах большинства современных мобильных телефонов используется оксид индия-олова, однако его пластичность ограничена большим радиусом изгиба, который составляет около 3 см. Для решения проблемы российские ученые создали материал с радиусом изгиба 2 мм.
Новые пленки позволят делать гнущиеся мобильные телефоны максимально тонкими, выгодно отличая их от существующих. Например, толщина складного смартфона Samsung Galaxy Fold составляет 17 мм, а его китайский конкурент Huawei Mate X стройнее на целых 6 мм. Однако и он не дотягивает до классических аппаратов — в частности, толщина недавно представленного iPhone 11 всего 8,1 мм. Фактически инновационные смартфоны представляют собой два классических корпуса, соединенных в единую конструкцию. Новые материалы должны уменьшить их габариты за счет более простой конструкции экрана, подразумевающей меньшее количество функциональных слоев. Кроме того, дисплеи, созданные на основе российских пленок, будут обладать меньшей отражательной способностью, что сделает использование телефонов более удобным в солнечную погоду.
Еще одно преимущество новых пленок — возможность многократно растягиваться до 100% при сохранении работоспособности, которая достигается благодаря особому способу производства и нанесения углеродных нанотрубок на полимерную основу из полидиметилсилоксана.
— Для создания материала мы используем химический реактор, в трубку которого подается поток железных наночастиц и углеродсодержащего газа (например, метана), который при высокой температуре (около 1000 °C) разлагается на их поверхности, превращаясь в однослойные углеродные нанотрубки, — пояснил руководитель лаборатории наноматериалов Сколковского института науки и технологий профессор РАН Альберт Насибулин. — Далее получившиеся аэрозольные нанотрубки из реактора попадают на специальный высокопористый фильтр, в результате чего его поверхность покрывается прозрачным слоем хаотично ориентированных углеродных нанотрубок с контролируемой толщиной, которая может составлять от единиц до сотен нанометров.
На финальной стадии ученые переносят получившиеся структуры на полимерную пленку механическим способом, прижимая к ней фильтр. В результате образуется слой, который состоит преимущественно из индивидуальных нанотрубок, тогда как при альтернативных способах производства специалисты получают спутанные частицы, обладающие другими свойствами.
— Перед нанесением наноматериала на полимер его предварительно растягивают, — отметила заведующая кафедрой радиотехники и электродинамики Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского Ольга Глухова. — После попадания на него нанотрубок края пленки отпускают, и она восстанавливает свой первоначальный размер. Благодаря этому удается добиться волнистой структуры материала, которая обеспечивает его растяжение без нарушения электропроводности.
Железное осязание
Если же два компонента пленки скрепить без предварительного растягивания, то по мере изменения размера она будет менять сопротивление (за счет изменения толщины слоя нанотрубок). Это можно использовать при создании медицинских датчиков для снятия ЭКГ, а также для мониторинга частоты пульса и дыхания.
— В данном случае показания снимаются более качественно, чем при использовании классических металлизированных электродов, поскольку исключаются шумы, которые возникают при их применении, — рассказал Альберт Насибулин. — В настоящее время мы успешно подтвердили это на одном из медицинских приборов.
Кроме того, на основе гибких пленок планируется создать гибкие датчики касания и давления, которыми можно будет «обтягивать» манипуляторы роботов — это придаст им высокую тактильную чувствительность и позволит выполнять более тонкую работу.
Однако существуют и критические оценки разработки.
— Ученые используют оригинальную технологию синтеза углеродных нанотрубок, и их пленки обладают лучшими параметрами в своем классе, — считает сотрудник ФИЦ «Красноярский научный центр» СО РАН Антон Воронин. — Однако если сравнивать этот продукт с серебряными и медными нановолокнами, то последние обладают меньшим электрическим сопротивлением при той же гибкости, что делает их более пригодными для создания новейших экранов.
По словам эксперта, наибольшего эффекта от применения пленок можно будет добиться при создании датчиков давления, для которых они подходят наилучшим образом.
Для широкой практической реализации разработки в будущем понадобится формирование спроса со стороны производителей электроники, которые будут готовы к массовому выпуску устройств с эластичными экранами. До наступления этого момента у ученых еще есть время улучшить характеристики материала — в частности, снизить его электрическое сопротивление, которое пока несколько выше, чем у аналога из оксида индия-олова.
Предполагается, что рыночная цена новой пленки из углеродных нанотрубок и полимера будет сопоставима со стоимостью оксида индия-олова и составит порядка $20–30 за 1 кв.м.