Гибкая электроника востребована в производстве «умной» одежды, которая может следить за температурой тела спящего в коляске младенца или за сердечным ритмом спортсменов во время забега. Еще гибкие полупроводники позволят делать смартфоны, которые не боятся ударов и сжатий: если положить такой в карман и сесть на что-то твердое, экран просто слегка прогнется, а потом восстановит форму. Из полупроводниковой резины можно делать браслеты на руки (часы и фитнес-трекеры), а еще гибкие материалы неоценимы для вживляемых медицинских систем и многого другого.
В статье, опубликованной журналом Science Advances, речь идет еще не о таких сложных устройствах, как мобильный телефон или компьютер, но исследователи успешно испытали сначала отдельные транзисторы, потом собранные из них элементарные логические схемы, а потом и сенсорную матрицу с датчиками прикосновения. Последняя работала даже в растянутом виде, так что исследователи получили практически готовое решение для изготовления, например, руки робота, способной чувствовать прикосновения.
Однако на пути к «умной» резине есть несколько фундаментальных препятствий. Чтобы устройство было полностью гибким, в нем должны быть гибкие интегральные схемы, гибкие аккумуляторы и части, специфичные для конкретного гаджета, например дисплей, антенна или сенсорная матрица. Причем гибкость всех перечисленных компонентов может тоже отличаться: одно дело — способность изгибаться, а совсем иное — возможность изгибаться и растягиваться.
Полугибких устройств уже сравнительно много. В январе 2019 LG представила образец телевизора со сворачиваемым в рулон экраном, в 2018 году канадские инженеры продемонстрировали превращающийся в цилиндрический сверток планшет, а гибкие печатные платы (но с твердыми элементами вроде микросхем) вообще встречаются в серийно выпускаемых приборах уже не первый десяток лет.
Новая разработка является полностью гибкой: она гнется и тянется, причем растягивать можно непосредственно транзисторы и те интегральные схемы, которые из них сделаны. Демонстрируя возможности своего детища, разработчики резинового полупроводника натянули изготовленный образец поверх жесткого предмета и смяли его в комок — в обоих случаях транзисторная матрица сохранила свою работоспособность.
Добиться такого результата удалось за счет повышения подвижности зарядов в резине, точнее в полидиметилсилоксане. Полидиметилсилоксан представляет собой кремнийорганический полимер, который также известен как силикон, давно применяющийся в технике и медицине, но в норме являющийся изолятором. Добавив в состав ПДМС углеродные нанотрубки и наночастицы серебра и золота, исследователи превратили материал в «хороший», то есть с низким электрическим сопротивлением, полупроводник.
«Продемонстрированный нами высокоэффективный полупроводник с высокой подвижностью зарядов и сделанная целиком из резины интегральная схема открывают путь к полностью гибким биоэлектронным или носимым устройствам, которые по своим механическим свойствам напоминают резину или кожу», — пишут исследователи в завершение своей публикации.
Алексей Тимошенко