Одно касание - и весь мир на кончиках ваших пальцев. Электронная почта, социальные сети, онлайн-версия журнала New Scientist - путешествовать по Всемирной паутине никогда ещё не было так просто, и всё это благодаря технологии "тачскрин" - сенсорным экранам, встроенным в мобильные цифровые новинки. Гордые обладатели таких вещиц обожают демонстрировать весь спектр их притягательных возможностей. Всего один щелчок - и ты легко, играючи открываешь для себя будущее. К сожалению, эта сказка скоро может закончиться, если, конечно, мы не предпримем активных действий - STRF.ru представляет статью из российской версии журнала New Scientist N 1-2 (январь-февраль), 2011 год.
Примерно через 10 лет истощатся запасы особого материала с необычными качествами, без которого не могут существовать современные сенсорные экраны и жидкокристаллические дисплеи. Под угрозой окажутся и фотоэлементы, и энергосберегающие светодиоды - главная надежда низкоуглеродной энергетики. Поэтому вполне естественно, что учёные и производители всего мира пребывают в неустанном поиске достойной замены.
Если обо всём этом вы слышите впервые, вы, вероятно, ещё не в курсе, о каком материале идёт речь. Познакомьтесь: это смешанный оксид двух металлов - индия и олова, известный под названием ITO. Для инженеров-электронщиков он и божий дар, и головная боль одновременно.
Главный компонент материала - индий, побочный продукт добычи свинца и цинка, редкий и дорогостоящий элемент. Обрабатывать его - сплошное мучение, поскольку он очень хрупкий и непластичный.
Однако недостатки индия с лихвой компенсируются его достоинствами. В частности, это один из немногих материалов на планете, который обладает одновременно и электрической проводимостью, и оптической прозрачностью, то есть не поглощает световую энергию.
При поглощении материалом света энергия фотона расходуется на то, чтобы привести электрон в возбуждённое состояние. Это явление типично для металлических проводников, в которых много свободных электронов. Таким образом, почти все металлы обладают большим коэффициентом светопоглощения, то есть оптически непрозрачны.
Но только не наш ITO. Он прозрачен, как стекло, и в то же время обладает проводимостью - пусть меньшей, чем у большинства металлов, но вполне достаточной. Эти свойства делают его незаменимым в современной электронике. В частности, в плоскоэкранных телевизорах каждый пиксель экрана включается и выключается благодаря паре прозрачных ITO-электродов. Анод и катод из оксида индия используются и в тонкоплёночных фотоэлементах, образуя вместе со светопоглощающим слоем цепь, благодаря чему солнечная энергия преобразуется в электрическую.
В индии всё есть
Индий незаменим для устройств нового поколения. Но раньше обходились без него - используя, например, экраны на инфракрасных светодиодах. Однако приборы с такими дисплеями были слишком громоздки и потребляли много энергии. Потом настало время аналоговых резистивных сенсорных дисплеев, снабжённых специальным пером - стилусом. В их состав входило два слоя оксида индия, отделённых друг от друга. В момент прикосновения между слоями создавалось электрическое соединение, что позволяло прибору определить координаты точки касания.
Новые устройства не только внешне привлекательнее своих предшественников. Они свободно обходятся без стилуса, используя электрическую проводимость ваших пальцев. Принцип их работы основан на изменении электроёмкости в момент прикосновения, поэтому им не нужен второй слой ITO. "Это был настоящий прорыв, - говорит Лоуренс Гэсмен, представитель аналитической компании NanoMarkets в Глен Эллен (штат Вирджиния, США). - Подобный бум в компьютерной сфере можно сравнить лишь с изобретением мыши. Технология “мультитач” позволила существенно расширить возможности смартфонов. Благодаря ей мы теперь можем увеличивать изображения на экране, а не ломать глаза, пытаясь читать веб-страницы на малюсеньком дисплее".
Сколько же у нас осталось вещества, стоящего за всеми этими чудесами? "Никто не может назвать точных цифр, - говорит Томас Грэдел из Йельского университета (Нью Хейвен, штат Коннектикут, США), возглавляющий комиссию по вопросам мировых запасов металлов под эгидой Программы ООН по охране окружающей среды. - Отчасти потому, что это лишь побочный продукт добычи других ископаемых и разработчики месторождений не всегда утруждают себя его извлечением из руды". По подсчётам Геологической службы США, на сегодняшний день все известные мировые запасы индия составляют около 16 тысяч тонн, причём основная их часть принадлежит Китаю. Если разделить эту цифру на современное годовое потребление металла, получится, что мы полностью исчерпаем его резервы к 2020 году.
Очень вероятно, что будут обнаружены новые залежи, однако, учитывая космические масштабы потребления, этого всё равно будет недостаточно.
В 2010 году одних только сенсорных экранов произвели на 1,47 миллиарда долларов, а на следующий год эта сумма должна увеличиться до 2,5 миллиарда.
Так что, по большому счёту, не имеет значения, сколько индия осталось на планете: можно с уверенностью сказать, что скоро его будет крайне сложно достать, в связи с чем стоимость этого материала серьёзно возрастёт. Вдобавок Китай уже начинает сворачивать его экспорт, и это заставляет производителей всерьёз задуматься о поиске альтернативы.
Кто на новенького?
Помимо изобретения радикально новых подходов, логичнее всего было бы искать замену среди химических веществ, обладающих сходными свойствами. Первый кандидат - это оксид цинка, который всегда к нашим услугам и к тому же значительно дешевле. Однако он не обладает такой же проводимостью, прозрачностью и износостойкостью. Это плохо - в первую очередь потому, что от способности материала проводить электрический ток зависит степень чувствительности экрана. Физических качеств ITO хватает, что называется, впритык. "Любое отклонение в сторону уменьшения или увеличения создаёт ощутимую разницу, - говорит Гэсмен. - Единственный плюс - это снижение стоимости".
Пока индий ещё не вышел совсем из игры, нужно срочно придумать, как быть дальше.
Тобин Маркс и его коллеги из Северо-Западного университета в Эванстоне (штат Иллинойс, США) разработали новый состав на основе оксида кадмия с незначительной примесью индия - он так же пропускает свет, а электропроводность его выше в 3-4 раза. Материал подвержен коррозии, поэтому его необходимо покрывать тонким слоем ITO, но даже с учётом этого содержание редкого элемента в нём удаётся снизить на 70 процентов.
Так, может, это именно то, что нужно? Если бы всё было так просто, как кажется! Во-первых, кадмий чрезвычайно токсичен, поэтому требует осторожного обращения и специальных мер по утилизации. Во-вторых, его оксид - очень хрупкое вещество, изделия из него будут быстро покрываться трещинами и царапинами, а это крайне нежелательное качество для вещи, в которую постоянно тычут пальцами (да и уронить могут).
Относительная непрочность - одно из слабых мест и самого ITO. В этом не было ничего страшного, пока подобные технологии использовались только в мобильных телефонах, ведь их срок жизни в наших карманах редко переваливает за полтора года. За такое время экран просто не успевает окончательно прийти в негодность. Но, когда появились новинки, для которых предполагается более долгий срок службы - планшетные компьютеры и устройства для чтения электронных книг, - вопрос встал более остро. Возникла необходимость в создании эластичных дисплеев, которые можно как угодно сгибать - хоть сворачивать в трубку, и это заставило производителей приступить к поиску новых решений.
А не помогут ли справиться с проблемой электропроводящие полимеры? Эти вещества, представляющие собой длинные цепочки органических молекул, обладают свойствами проводников и в то же время значительно превосходят ITO в гибкости и пластичности. Но, как утверждает Ю-Лин Лу из Принстонского университета (штат Нью-Джерси, США), работать с ними так же "легко", как с кирпичной крошкой. При плавлении они изменяют свои свойства, к тому же практически не растворяются, поэтому из чистых проводящих полимеров невозможно сделать тонкое покрытие. Есть вещества, которые способны увеличивать их растворимость, но, к сожалению, все они имеют крайне неприятное свойство снижать их проводящие качества.
В феврале 2010 года Лу и её коллегам всё же удалось получить реагент, способный растворять полимеры, но не влиять при этом на их электрическую проводимость (Proceedings of the National Academy of Sciences, т. 107, с. 5712). Однако стоит заметить, что "полимерное" решение само по себе далеко от идеала. Электропроводящие "пластики" характеризуются своей неустойчивостью. Они не выносят солнечных лучей и окисления кислородом воздуха, поэтому совершенно не годятся для регулярного пользования. Куда ни кинь - всюду клин. Но есть другой выход, считает Марк Хёсэм из того же Северо-Западного университета, и имя ему - углеродные наноматериалы.
Углерод - это элемент-хамелеон. В своих природных модификациях он обладает одним из самых высоких коэффициентов светопоглощения. Но стоит собрать его в наноразмерные структуры, как он становится оптически прозрачным. В июне 2010 года группа учёных из Сонгюнванского университета в Сувоне (Южная Корея) получила плёнку, состоящую из четырёх слоёв графена на пластиковой подложке. Графен - этот чудо-материал, который недавно принёс своим создателям Нобелевскую премию по физике, - состоит из чешуек графита толщиной всего в один атом. В сочетании с пластиком он свободно пропускает 90 процентов видимого света и проводит ток так же хорошо, как самые лучшие образцы ITO (Nature Nanotechnology, т. 5, с. 574).
Луч надежды дарят нам и углеродные нанотрубки, которые по сути представляют собой свёрнутые в крошечные цилиндры графитовые плоскости. Они прочны, упруги, прозрачны, и к тому же их получение сравнительно недорого стоит. "Их можно было бы даже использовать в гибких дисплеях, - говорит Хёсэм, - потому что их можно как угодно растягивать и сгибать, и их характеристики от этого нисколько не ухудшаются. Единственная проблема - организовать их в длинную сеть, способную проводить электричество. По отдельности все они отлично проводят ток, однако бегущие по ним электроны, достигнув конца одной трубки, не могут перепрыгнуть на соседнюю и оказываются в тупике". У Хёсэма есть несколько идей, как улучшить связи между трубками - например, соединив их посредством хорошего проводника, который не слишком бы влиял на оптические свойства. "Пока это совершенно новая область исследований по сравнению с ITO, поэтому у нас всё ещё впереди", - говорит он.
Другие учёные не разделяют его оптимизма. Джонатан Коулмен из Колледжа Святой Троицы в Дублине (Ирландия) исследует прозрачные проводники при поддержке одного из лидеров на рынке электроники, компании Hewlett Packard. "Когда мы только начинали нашу работу, - говорит он, - индустрия возлагала большие надежды на углеродные нанотрубки, но теперь уже понятно, что это было преждевременно". Коулмен всячески пытался преодолеть проблему большого сопротивления между наноскопическими участками цепи, пока не пришёл к выводу, что нужно переосмыслить всё заново. "Я понял, что вместо трубок лучше использовать металлические нанонити, между концами которых можно было бы поместить специальное связующее звено, которое обеспечит передачу электронов".
В ходе экспериментов учёным удалось установить, что прозрачность серебряных нитей составляет 85 процентов, а электрическая проводимость лишь немногим меньше, чем у ITO (ACS Nano, т. 3, с. 1767).
"По своим оптическим и электрическим характеристикам серебряные нити практически не уступают оксиду индия, к тому же они пластичны", - говорит Коулмен. Группа учёных под руководством Питера Пьюманса из Стэнфордского университета (штат Калифорния, США) пришла к таким же выводам (Nano Letters, т. 8, с. 689).
К сожалению, всё упирается в стоимость: применение этой технологии обошлось бы в 10 раз дороже, чем производство ITO самого лучшего качества. В то же время ни один из более дешёвых металлов не удовлетворяет всем необходимым требованиям. К примеру, медные нити обладают хорошей проводимостью, но недостаточной прозрачностью - всего 60 процентов.
Но даже если серебро с его волшебными свойствами ничем не заменишь, ещё не всё потеряно. По мере того как объёмы производства будут расти, стоимость "серебряной" продукции начнёт снижаться и в один прекрасный день сравняется с ценами на индий. "Это всего лишь вопрос времени", - говорит Коулмен. В данный момент руководство Hewlett Packard серьёзно обдумывает связанные с нанонитями перспективы.
Итак, дамы и господа, делайте ваши ставки. Серебро, углерод, цинк, кадмий, полимеры... Кто займёт место индия? Пока явного претендента на победу нет, но, учитывая постоянно возрастающий спрос на сенсорные экраны и стремительное развитие новых технологий, "свято место" недолго будет пустовать. В конце концов, каждый из нас хочет оставаться "в контакте" - во всех смыслах.
Источник: STRF.ru
