Нанобумага всё стерпит
Даже одно единственное волокно наноцеллюлозы может работать запоминающим устройством.
Технологический процесс XXI века можно отслеживать по распространению интернета. Если 20 лет назад интернет был «игрушкой» для сравнительно небольшого числа людей, то в наше время он интегрирован почти в любую сферу нашей жизни. С развитием смартфонов и беспроводной связи для выхода во всемирную сеть больше не нужны ни провода, ни компьютеры. Сейчас мы входим в эпоху «интернета всего»: предполагается, что сеть распространится в нашу повседневную жизнь ещё глубже, особенно в сфере городских приспособлений (к которым относятся датчики движения, плотности трафика и многое другое) и медицинской диагностики.
Особенно интересна в этом плане «носибельная» электроника: сенсоры, отслеживающие кровяное давление и/или уровень сахара в крови, устройства для реабилитации, и т. д. Однако активному развитию подобных устройств мешают некоторые технические препятствия. В принципе, сейчас мы уже знаем, как сделать электронное устройство гибким и прозрачным, как обеспечить ему автономное питание, как обеспечить эффективное хранение и передачу данных, как сделать так, чтобы всё, из чего оно состоит, было по возможности органическим, экологически чистым, дешёвым и надёжным – но всё же очень немногие технологии, которые для этого используются, позволяют говорить о массовом производстве.
Устройства для хранения информации играют здесь особую роль. Например, датчики, следящие за состоянием здоровья в режиме реального времени, должны присутствовать в сети непрерывно, иначе ценные данные пропадут. Поскольку гарантировать постоянное присутствие сигнала невозможно, здесь нужна встроенная память, которая могла бы «подстраховать» устройство и сохранить данные до следующего подключения к сети. К памяти в данном случае предъявляется серьёзный список требований: она должна быть лёгкой, маленькой, стабильной и по возможности энергонезависимой. Более того, желательно чтобы она была экологичной, чтобы после того, как гаджет отслужил свой срок, самой простой и дешёвой утилизацией было бы просто выбросить его в компост.
Один из многообещающих материалов для таких устройств – так называемая наноцеллюлоза. Древесная масса измельчается до волокон толщиной порядка 15–20 нанометров, после чего её наносят на подложку и высушивают. Наноцеллюлоза – и сделанная из неё нанобумага – пользуются повышенным вниманием среди изобретателей миниатюрных устройств, поскольку это легко доступный и недорогой материал, который легко подвергается повторной переработке и полностью разлагается. Что касается физических свойств, то нанобумага легко сгибается, не очень боится воды, прозрачна и имеет очень гладкую поверхность. На её основе уже делают светодиоды, трибоэлектрические генераторы (в которых электричество производится за счёт силы трения), солнечные панели, тонкие резисторы и т. д.
Умберто Челано (Umberto Celano) и его коллеги из Лёвенского католического университета и японских университетов Кюсю и Осаки разработали энергонезависимую наноцеллюлозную память для медицинских датчиков. Энергонезависимость – очень важное свойство: чтобы сохранить записанную информацию, не нужно тратить энергию, что, конечно, особенно актуально для тонкой «носибельной» электроники.
Схема памяти из наноцеллюлозы показана на иллюстрации. Высокая гладкость нанобумаги, которая служит подложкой для памяти, позволяет минимизировать количество проводящих материалов, поскольку шероховатость подложки задаёт минимальную толщину следующего слоя, необходимую для его непрерывности. Средняя шероховатость нанобумаги составляет около 7 нанометров, что на 2–3 порядка меньше обычной бумаги.
На 30 микрон нанобумаги наносят 100-нанометровый слой оксида индия-олова (ITO) – проводящего прозрачного материала, который служит электродом. Следом поверхность электрода покрывают резистивным слоем переключения, состоящим из наноцеллюлозы. Для этого водный раствор нановолокон целлюлозы капля за каплей наносят на поверхность устройства и дают воде испариться. В результате получается равномерный слой толщиной около 100 нм, свойства которого не зависят от размеров устройства. Такая толщина позволяет изолировать ITO и верхние электроды друг от друга, в то же время не требуя высокого напряжения для переключения. Последний слой состоит из серебряных электродов для переключения памяти. В итоге устройство получается не только тонким, но и прозрачным (см. иллюстрацию) и на 99.3% состоит из целлюлозы.
Как работает резистивная память? На неё подают локальное напряжение, после чего сопротивление на участке, который был под напряжением, изменяется и потом считывается как 1 или 0 в зависимости от величины. В данном случае при определённом напряжении между электродами должна измениться сопротивляемость наноцеллюлозы. Действительно, при достаточно высоком напряжении (1,5 Вольт) первоначальная сопротивляемость снижается с 53 ГОм (Гига = 109) до 63 Ом (состояние с низкой сопротивляемостью, НС). Если приложить негативное напряжение в -0,5 Вольт, устройство возвращается в состояние с высокой сопротивляемостью (ВС) порядка 3 ГОм. Такой принцип работы называется биполярным переключением, то есть для изменения сопротивления нужно прикладывать напряжение разной полярности.
Один из ключевых параметров для памяти – отношение сопротивления между состояниями On/Off, в данном случае между НС и ВС, которое составляет около 107. Такое высокое соотношение получается благодаря высокой сопротивляемости бумаги из наноцеллюлозы. Что касается энергонезависимости памяти, то отношение между состояниями НС и ВС сохраняется на протяжении 104 секунд (около 3 часов), притом напряжение необходимо только для считывания сопротивления каждого участка. Это считается достаточным для такого типа памяти.
Более того, при разных значениях силы тока во время переключения реализуются три различных устойчивых состояний НС – иными словами, устройство может работать как многоуровневая память, тем самым многократно увеличивая плотность хранения данных.
Авторы работы также проверили масштабируемость памяти – насколько можно уменьшить размер такого устройства. Они поместили отдельное волокно наноцеллюлозы на поверхность оксида кремния, покрытого тонким слоем серебра, и в качестве второго электрода использовали кончик зонда для атомно-силовой микроскопии. Оказалось, что единичное волокно ведёт себя так же, как и целый «нанолист», и сохраняет отношение между состояниями НС и ВС после двадцати циклов переключения. Полностью результаты экспериментов опубликованы в NPG Asia Materials.
Что же до утилизации, то тут единственную проблему представляют серебряные электроды, поскольку их антибактериальный эффект замедлит процесс биоразложения целлюлозы. Правда, и проблемой-то это не назовёшь: достаточно подвергнуть устройство ультразвуковой очистке в воде, после чего оно полностью разлагается в почве за 26 дней. Теперь остаётся только ждать, когда же на рынок выйдут медицинские датчики с нанобумажной памятью.
