Пленки, которые изменят мир, ― об органической электронике в интервью с профессором физфака МГУ Дмитрием Паращуком

Современная кремниевая электроника быстра и надежна, но одновременно относительно дорога. А чипов нужно все больше и больше… Органическая же электроника может быть прозрачной, гибкой и даже съедобной. А если печатать ее рулонами, то и дешевой. Потенциал колоссальный, но это в перспективе, если ученые создадут дешевые, долговечные и безопасные материалы. Поиском новых решений занимается коллектив лаборатории органической электроники МГУ имени М. В. Ломоносова под руководством профессора Дмитрия Юрьевича Паращука. В интервью он рассказал, возможно ли создать компьютер, который сворачивается в рулон, как решить глобальную энергетическую проблему и почему не стоит переоценивать возможности искусственного интеллекта. 

― Однажды Эрнест Резерфорд сказал: «Все науки делятся на физику и коллекционирование марок». Лев Ландау говорил: «Все, что есть в химии научного, это физика, а остальное — кухня». Джеймс Уотсон формулировал иначе: «Существует только одна наука — физика, все остальное — это общественная работа». Как относитесь к такой позиции? 

― Я не сторонник подобных высказываний. Конечно, у физики в отличие от других наук наиболее крепкий теоретический фундамент. Нам нужна единая картина мира, без которой человек чувствует себя потерянным, не понимает, что происходит вокруг. Знания в области физики, которые структурировались веками, в наибольшей степени этому способствуют. Зная физику, проще понять, например, химию и биологию — на мой взгляд, эти науки проще: они отличаются большим разнообразием фактов, оперируют эмпирическими данными, но с точки зрения идей физика фундаментальнее. 

Но это не говорит, о том, что все кроме физики ― не наука! Не стоит проводить такие жесткие грани. Я не сторонник редукционизма, который подразумевает, что все можно объяснить с помощью физики. Да, физики проникли вглубь вещества, установили, что там есть молекулы, которые состоят из атомов, у атомов есть ядра со своей структурой, существуют элементарные частицы… Но зная, из чего все состоит, физики все равно не могут объяснить, как оно работает. Что такое жизнь? Я не знаю. Как работает память, сознание? Это не объяснить терминами физики. Есть более высокие и сложные уровни организации материи. Физика лишь создает фундамент для этого познания, поэтому выделять ее в единственную науку неконструктивно. 

― Но в какой-то момент вы решили, что станете именно физиком. Это желание сформировалось еще в школе? 

― Все очень прозаично. Мои родители инженеры, и уже в детстве у меня сформировалась склонность интересоваться, как все устроено и «что там внутри»…

― Паяли приемники? 

― Конечно! Отец часто приносил детали для радио и электроники, я собирал приемники и усилители. Даже слушал «вражеские голоса» на первых своих приемниках. Но это была не физика, а инжиниринг. Сейчас я понимаю, что инженерное мировоззрение гораздо уже, чем физическое. При этом я с будущей женой учился в обычной московской школе и параллельно ходил в физико-математическую школу при Московском энергетическом институте. Жена и уговорила меня поступать на физфак. Был большой конкурс, поступить было непросто… И мы шли туда скорее наперекор желанию родителей.

― Родители были против? Почему? 

― Не то чтобы они были агрессивно против, но придерживались мнения, что инженер всегда найдет работу, а чем занимаются физики ― непонятно. Хотя когда отец рассказал начальнику, что сын собирается поступать на физический факультет, услышал в ответ: «Да я сам с физфака». Поэтому мне сказали: «Если хочешь ― пробуй». 

В целом я шел в науку «как по туннелю». Попробовал, поступил, и со временем появился вкус к физике. Когда я окончил физфак в 1988 году, возник обычный выбор: идти работать или остаться в аспирантуре. Было интересно, поэтому решил продолжить обучение. Позже защитил кандидатскую диссертацию и продолжал развиваться. В ходе обучения на физфаке стало понятно, что выбрал правильный путь. 

― Вы решили стать ученым в сложное время: только вчера весь Советский Союз был ориентирован на науку, дружно смотрел «Очевидное-невероятное» и читал научно-популярные журналы, как все внезапно изменилось — СССР распался, а интересы общества поменялись. Что дало мотивацию не изменить род деятельности? 

― Да, в науке и образовании тогда произошли резкие изменения. Мало кто видел перспективы работы для ученых. Когда Советского Союза не стало, мы были очень молоды, многие однокурсники сменили род деятельности или уехали за границу, отток был огромным. Мой научный руководитель в 1991 году уехал в Англию. У меня тоже были мысли переехать в другую страну, но уже была семья, появился ребенок…

Зарплаты были маленькими и платили их нерегулярно, надо было как-то зарабатывать деньги. Приходилось даже «челночить». Но я, наверное, тогда был «не очень правильным»: даже в то время думал о науке, а не о заработках. Наверное, я не типичный случай, скорее аномалия…

Постепенно это сложное время прошло, и теперь я ни о чем не жалею. Не могу сказать, что мне было бы сложно поменять страну, но все-таки «где родился, там и пригодился». А кроме того, даже в сложные 1990-е годы у меня была возможность работать и писать статьи. Как ни странно, в отличие от западных стран у нас всегда сохранялась определенная творческая свобода. А те, кто переезжал, были вынуждены встраиваться в их систему, с жесткой конкуренцией и необходимостью постоянно публиковаться в научных журналах. А в России оставалось время на «подумать». 

― Сегодня вы занимаетесь органической электроникой. Сразу выбрали это направление? 

― В начале 1990-х, оставшись в аспирантуре, я защитил кандидатскую диссертацию в области спектроскопии неорганических полупроводников. Позже познакомился с выдающимся, но в какой-то степени непризнанным химиком Валерием Михайловичем Кобрянским. Уже тогда он умел делать стабильные органические полупроводниковые материалы. Не в обиду химикам, но они часто мало думают и очень любят делать: постоянно за чем-то гонятся. Кобрянский же много думал и мало делал: как он сам говорил, за всю жизнь провел только около 10 синтезов. А в науке очень важно иметь время и возможности, чтобы размышлять без спешки. Валерий Михайлович объяснил мне перспективы полупроводниковых полимеров для электроники, и мы постепенно начали изучать их свойства, а в 2005 году попробовали создавать устройства на их основе. Ведь в конечном виде электроника должна стать не условной статьей или патентом, а именно устройством. И поначалу было непросто. 

Дело в том, что одной физики в нашей работе мало: мы проходим путь от молекулы до устройства. Для этого нужно уметь разговаривать с химиками, от которых мы получаем порошки для создания пленок, понимать их «птичий язык». Полученные пленки необходимо исследовать различными методами, а это разные дисциплины физики, смежные области, которые также требуется осваивать. В конечном итоге устройство может не работать по огромному количеству причин, и чтобы отследить эту цепочку от молекул до многослойной структуры устройства надо понимать много вещей за рамками физики, которой нас учили в МГУ. 

Конечно, со временем стало проще. Тут можно провести аналогию с иностранными языками: выучив 10 языков, 11-й выучить будет проще. Так и здесь: надо усвоить базовые принципы, а все остальное ― это их комбинации. Как в алфавите из нескольких десятков букв складываются романы, так из базовых идей в физике, а их около 10, получаются устройства и научные результаты. 

Был такой журнал «Хочу все знать». Но все знать невозможно, я для себя сформулировал идею «Хочу понять, что понято» ― это гораздо более достижимая задача. 

― Так чем перспективна органическая электроника? 

― С изобретением транзистора в 1947 году электроника преобразила наш мир: появились информационные технологии, связь, IT… Все это ― электроника на основе кремния: достаточно простого и понятного материала, который прекрасно подходит для создания различных устройств. Такая традиционная электроника быстрая, но одновременно и дорогая, так как производство чипа это множество процессов. При этом электроника все активнее входит в нашу жизнь, требуется больше различных сенсоров, датчиков, камер… Сейчас идет разговор про имплантаты, вживляемые человеку.

Возьмем для примера интеллектуальную упаковку, допустим, молока. Сейчас информация зашифрована с использованием баркодов. Но хотелось бы использовать чип, который питается от освещения, и использует сенсоры, чтобы оценивать, испортилось молоко или нет. Массово выпускать такие устройства на основе кремния дорого. 

Органическая электроника предлагает огромное разнообразие материалов органического происхождения, которые можно синтезировать. От кремния их отличает гибкость, прозрачность и растяжимость. Если говорить про более экстремальные свойства органической электроники, она может быть даже съедобной. При этом органическая электроника может быть очень дешевой. В перспективе устройства можно будет создавать по жидкофазным технологиям, нанося различные электронные чернила на рулоны. В качестве одних чернил используется полупроводник, вторых ― диэлектрик, а третьих ― металл. 

Электроника, основанная на органических материалах, работает, это доказано. Достаточно посмотреть на процессы хранения, перезаписи и копирования информации в клетках. Если сильно упрощать, то это происходит из-за того, что электрон переходит из одной точки в другую. Или процесс фотосинтеза ― фотоны преобразуются в электрический сигнал, после чего происходит химическая реакция. Но как воплотить это в устройствах, созданных человеком? Это большой вопрос, и пока делаются только первые шаги. 

― И как выглядят эти шаги? 

― Органическая электроника уже буквально у каждого в кармане. Экраны смартфонов, ноутбуков, телевизоров сегодня производятся по OLED-технологии (OrganicLight-EmittingDiode), по-русски это органические светодиоды. Ученые продемонстрировали их еще в 1980-х годах. 

Такой светоизлучающий слой сделан на основе органических молекул, и от жидкокристаллического монитора его отличает высокая яркость и контраст. Это особенно критично в технологиях виртуальной реальности, когда оператор надевает очки, чтобы управлять, например, FPV-дроном, и его глаз считывает информацию с микродисплея. Такие устройства создают именно на основе органических светодиодов электроники из-за их высокой яркости и контраста. Кроме того, органические светодиоды позволяют проще считывать изображения в переменчивых условиях освещения, например это важно пилотам, которые летят то в темноте, то на солнечном свету, или спасателям при пожаре, когда освещенность быстро меняется из-за клубов дыма и яркого пламени. И альтернативы OLED-технологии в этой области применения сейчас нет. 

Параллельно существуют перспективы применения органической электроники в качестве источников света. На освещение уходит около 20% мировой выработки электричества, поэтому его важно сделать энергоэффективным. Сейчас все переходят с флуоресцентных ламп на неорганические светодиоды, это точечные синие источники света, которые преобразуются в другие цвета: как, например, в фонарике телефона. В перспективе органика позволит создавать гибкие световые панели, которые можно будет клеить как обои.

Если смотреть дальше, то возможно ли создать компьютер, который сворачивается, как рулон бумаги? Почему бы нет. 

― Вы приводили пример интеллектуальной упаковки. А возможно ли на основе органической электроники создать этикетку для бутылки газировки, на которой будет идти видеоролик? 

―Да, возможно. По крайней мере, мы не видим фундаментальных причин, которые не позволят нам это сделать. Как я уже сказал, электроника, основанная на органических материалах, работает. Но мы пока просто не умеем ее создавать: мы ― это не только физики, изучающие свойства материалов, но и химики, которые пока очень сильно отстают в синтезе от того уровня сложности, который способна создать природа. Пока руки и мозг человека уступают.

Еще одно направление, в котором можно эффективно использовать органическую электронику, ― печать солнечных батарей. Существует глобальная энергетическая проблема, о которой почему-то мало говорят: мы потребляем ископаемые ресурсы в тысячи раз быстрее их пополнения и однажды они иссякнут, не так уже важно, через 50 или 100 лет. Но нам всегда доступно Солнце как источник энергии: если перевести количество света, которое падает на Землю в течение часа в энергию, мы получим объемы, сравнимые с мировой выработкой. То есть если замостить солнечными панелями площадь 700 км на 700 км, мы потенциально решим существующие энергетические проблемы человечества. 

Для этого нужны дешевые, экологически чистые материалы в больших объемах. Несмотря на огромнейшие усилия мирового научного сообщества, в течение последних 50 лет основным материалом для производства солнечных панелей остается кремний, из которого производится около 90% всех батарей. Пока это самый сбалансированный материал по эффективности и долговечности, но из-за стоимости решить энергетическую проблему устройствами на основе кремния не получится. Пластина кремния, которая нужна для хорошего преобразования, толщиной 100 мкм, а органическая пленка может быть в тысячу раз тоньше. Это делает устройства дешевле, в производстве и смежных направлениях, например при логистике. 

― Солнечную энергетику называют одной из самых экологически чистых, но это преимущественно касается этапа их эксплуатации. При производстве и утилизации все еще не решено множество проблем, связанных с экологией. Органические материалы безопаснее? 

― У органической электроники в этой области больший потенциал: органика может быть разлагаемой, это естественные для природы материалы. Конечно, остается проблема неразлагаемого пластика, который мы производим в огромных количествах, но и в этом направлении можно найти решения. 

При этом органические солнечные батареи легкие, могут быть полупрозрачными пленками и сочетаться с архитектурой. То есть ими можно покрывать стены и крыши зданий, преобразуя свет в электричество. 

― Сразу в голову приходит космическая отрасль, где бьются за каждый грамм… 

― В области космонавтики возможности применения органической электроники еще шире. Органика уязвима для кислорода и воды, но их нет в космосе. Зато там есть радиация. А так как органика состоит из более «легких» элементов с меньшим атомным числом, она может быть более устойчива к радиации, чем существующая электроника. Например, взаимодействие с радиацией электромагнитной природы (рентгеновское излучение, γ-кванты) определяется числом электронов элемента. Чем больше электронов у атома, тем сильнее атом взаимодействует с радиацией такого типа. Поэтому применение новых материалов в космосе ― захватывающая тема исследований. 

― Раз органическая электроника так хороша, почему лидером остается кремний? Все еще не удалось создать нужные материалы? 

― Да, у нас просто нет материалов. Мы понимаем физические принципы, понимаем то, какими могут быть такие материалы. Но пока нет решений, которые сделают их стабильными, долговечными и дешевыми в производстве. Конечно, наука развивается, и мы видим это, в том числе на примере OLED-дисплеев, но окончательно задача пока не решена. 

В лаборатории органической электроники МГУ имени М. В. Ломоносова мы и исследуем новые материалы, которые перспективны для создания транзисторов, светоизлучающих устройств и солнечных батарей. Для этого создаем образцы пленок из порошков, полученных от химиков, и оцениваем их потенциал. 

Мы все теснее сотрудничаем с отечественным производством микродисплеев, и в России достаточно химиков, которые могут предложить нам интересные решения. Поэтому сейчас развитие органической электроники в значительной мере упирается в проблемы организационного характера. 

― Можете выделить какие-то интересные результаты последних лет? 

― Этот вопрос сразу надо разделить на производство и науку. К сожалению, с производством и созданием технологий в России не все гладко, и похвастаться нечем. Раньше мы просто не занимались этим направлением. Существует производство микродисплеев, но до недавнего времени оно работало исключительно с импортными материалами. После введения санкций закупать их стало сложно и дорого. Этот производитель стал заинтересован в отечественных решениях и обратился к российским научным институтам: мы идем друг другу навстречу. Также под Троицком построена полупромышленная линия по производству органической электроники. Но в области технологий мы не лидеры, а догоняющие.

В области фундаментальных исследований ситуация позитивнее. В октябре 2024 года в России прошла Десятая осенняя международная школа-конференция по органической электронике, на которой собралось около сотни специалистов. На самом деле ученых, занимающихся этой тематикой во всей России, меньше чем в одном китайском городе с 10-миллионным населением, у них там совсем иное финансирование. Тем не менее, несколько наших групп уверенно работают на мировом уровне, и я считаю, что мы в их числе. 

В 2022 году наша команда создала первый в мире органический двумерный светоизлучающий транзистор. Суть органической электроники в том, что слои могут быть очень тонкими ― токонесущий слой в транзисторных технологиях толщиной буквально в несколько молекул. Мы научились выращивать миллиметровые кристаллы толщиной 1 нм ― один молекулярный слой. Это ранее делали и другие группы, но мы на основе этой двумерной пленки первыми сделали светотранзистор. К такому достижению мы пришли в сотрудничестве с химиками, которые создают материалы: надо понимать, как пройти путь от молекулы до устройства, и это знание дается только с опытом работы и взаимодействием с химиками. Это в продолжение разговора о том, есть ли наука кроме физики. Результаты работы вошли в топ-10 проектов 2022 года по версии Российского научного фонда. 

В целом российские и зарубежные научные коллективы развиваются на одном уровне. Ученые из Черноголовки, например, создают материалы для солнечных батарей и испытывают их в условиях, приближенных к космическим. Но команда из США проверяла, как ведут себя пленки для органических солнечных элементов непосредственно на МКС. Все-таки большинство ученых смотрят, куда идет мода, и следуют за ней: догонять других и учиться просто, но сделать первый шаг вперед гораздо сложнее. 

В целом область наших исследований тесно связана с прикладным применением научных результатов и созданием передовых технологий. Но в последние годы не произошло ничего такого, чтобы «Ах!»…

― Складывается впечатление, что в области органической электроники ученые видят прекрасные перспективы, понимают, куда надо дойти, но не видят самого пути…

― В самых общих чертах этот путь виден. А если бы все было ясно, инженеры на заводах уже штамповали бы новые устройства. В этом и есть смысл науки: сосредотачиваться на нерешенных задачах. 

― В медицине, например, революцией стало открытие пенициллина. В биологии ― понимание структуры ДНК. В классической электронике ―создание транзисторов. А что может произвести революцию в области органической электроники и сделать такие материалы доступными? 

― Как я уже говорил, нет фундаментальных причин, по которым такие материалы невозможно сделать. Надо включать голову, фокусироваться на задаче и концентрировать ресурсы для ее решения. 

К сожалению, всем нужны результаты в сжатые сроки, а наука во всем мире слишком глубоко вошли товарно-денежные отношения: целью становится не получение новых знаний, а продажа проекта подороже. В развитие технологий вовлечены колоссальные ресурсы, поэтому стало очень много имитаций, ученые обещают получить определенный результат, у них не получается, они опять что-то обещают… Раньше наукой занимались обеспеченные люди, которые не ставили себе задачу прославиться или улучшить материальное положение. У них был другая мотивация ― научный поиск.

― Насколько сильна российская научная школа в области органической электроники?

― Мы все стоим на плечах гигантов. В Советском Союзе был заложен великолепный фундамент физики, сформирована сильнейшая школа в области спектроскопии органических светоизлучающих материалов. В 1960-х — 1970-х годах мы не просто держались на мировом уровне, а зачастую задавали этот научный ритм. 

Именно органическая электроника ― довольно молодое направление, первые исследования появились во второй половине 1980-х годов. Сейчас приходит новое поколение: на последней конференции я посмотрел на коллег ― оказывается, я уже самый старый из них… Наверное, сейчас в России на мировом уровне в органической электронике способны работать около пяти групп; может, немного больше. Но достичь мирового уровня гораздо проще, чем перешагнуть его.

Главное сегодня ― образование и приток молодежи. У нас в лаборатории достаточно техники для исследований, но иногда на ней просто некому работать. И, к сожалению, недостаточно перспективных специалистов: из 400 человек, обучающихся на одном курсе физфака, только 40–50 действительно способны и хотят работать в науке. 

― В чем проблема? 

― Диктат общества потребления, который отражается на всем. И это не российская проблема, а общемировая. Образование превратилось в коммерческую историю, а в результате школа и вузы деградируют, люди не понимают элементарных вещей, например на каких принципах работает телефон, и, главное, даже не хотят понимать…

― Сегодня популярность набирает цифровое материаловедение. Ученые ожидают, что с помощью информационных технологий получится заранее прогнозировать свойства материала и избавиться от неудачных экспериментов, на которые уходят время и деньги. Ваши исследования можно поручить «цифре»? 

― Только отчасти. Конечно, искусственный интеллект это полезный инструмент, как калькулятор. Но он не заменит человеческий интеллект, не сгенерирует новые идеи, а только ускорит расчеты и позволит выбирать из предложенных вариантов. Не стоит его переоценивать.

Дело в том, что мы ищем новые решения в той области, которую понимаем. Если дать ИИ задачу создать сверхпроводник при комнатной температуре или найти кардинально новый материал, отвечающий всем нашим потребностям, он предложит ерунду. Пока зона ответственности цифрового интеллекта ― поиск решения в большом количестве понятных параметров и оптимизация процессов.

При этом на вычисления сегодня требуется все больше электроэнергии и в обозримом будущем глобальные энергозатраты электричества приблизятся к 20%, столько же, сколько и на освещение. А с точки зрения энергоэффективности современная электроника ― настоящая печка, в которой большая часть энергии уходит в тепло: дата-центры буквально греют, а не вычисляют. Поэтому мы ограничены в ресурсах, которые можем тратить на вычисления. Это одна из причин, по которым ИИ остается инструментом для решения определенных задач, но вряд ли заменит человека и его идеи. 

_{Опубликовано при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий» № 075-15-2024-571 (и всемерной поддержке Физтех-Союза).}