В НИЯУ МИФИ предложили материал, который пригодится насекомым-киборгам

Газета «Известия» опубликовала материал, в котором рассказывается, что ученые МИФИ изучили свойства диамана — материала на основе углерода, который в зависимости от способа обработки может проявлять свойства как изолятора, так и проводника. Ниже мы приводим полный текст статьи.

Особенности диамана открывают перспективы для его применения при создании наномасштабных электронных компонентов. Кроме того, углеродная электроника обладает высокой совместимостью с живыми тканями, что потенциально позволяет создавать гибридные системы, сочетающие биологические и искусственные элементы. Одним из возможных направлений могут стать насекомые-киборги с ИИ — организмы с внешним управлением, способные выполнять задачи в труднодоступных местах, включая поиск, разведку и экологический мониторинг. При этом эксперты отмечают, что исследование выполнено методами компьютерного моделирования и до массового применения технологии пока далеко.

Материал со свойствами проводника и изолятора

Ученые Национального исследовательского ядерного университета МИФИ провели исследование уникального двумерного материала — диамана. Полученные результаты могут совершить прорыв в создании электронных устройств следующего поколения, сообщили «Известиям» в Минобрнауки России.

— Диаман — это «двумерный алмаз». Его структура состоит из двух слоев графена (углеродной «пленки» толщиной в один атом. — Ред.), соединенных между собой прочными химическими связями, как в обычном алмазе. Это придает материалу выдающуюся твердость и уникальные электронные свойства, — рассказал руководитель лаборатории 2D-наноматериалов в электронике, фотонике и спинтронике НИЯУ МИФИ профессор Константин Катин.

По его словам, во время исследования ученые с помощью сложного компьютерного моделирования выяснили, что при нагревании свыше определенного порога в материале запускается цепная реакция. Сначала от поверхности отрывается один атом водорода, аналогичный процесс происходит и с противоположной стороны структуры. Затем процесс становится необратимым, и атомы водорода вблизи дефекта один за другим начинают покидать свои места.

В тех участках, где водород удаляется из структуры диамана, материал, ранее не проводивший электрический ток, преобразуется в два слоя графена с высокой проводимостью. Это позволяет с помощью локального воздействия — например, лазерного нагрева или облучения — создавать на одном и том же материале проводящие и изолирующие области нанометрового масштаба. Фактически такая технология может стать основой для «печати» микросхем.

Как объяснил Константин Катин, современные чипы обычно состоят из нескольких материалов: кремния, меди, алюминия, оксидов и других компонентов. На границах между ними могут возникать нежелательные эффекты, тогда как использование одного материала с возможностью переключения между проводящим и изолирующим состоянием выглядит более перспективным.

В тех участках, где водород удаляется из структуры диамана, материал, ранее не проводивший электрический ток, преобразуется в два слоя графена с высокой проводимостью. Это позволяет с помощью локального воздействия — например, лазерного нагрева или облучения — создавать на одном и том же материале проводящие и изолирующие области нанометрового масштаба. Фактически такая технология может стать основой для «печати» микросхем.

Как объяснил Константин Катин, современные чипы обычно состоят из нескольких материалов: кремния, меди, алюминия, оксидов и других компонентов. На границах между ними могут возникать нежелательные эффекты, тогда как использование одного материала с возможностью переключения между проводящим и изолирующим состоянием выглядит более перспективным.

Ученые также выяснили, что для сохранения алмазной структуры диамана достаточно присутствия всего восьми атомов водорода. Такие области размером около 0,3 нм могут стать основой для создания сверхминиатюрных электронных компонентов и развития полностью углеродной двумерной наноэлектроники.

— Смысл в том, что мы работаем с двумерным материалом. Такие тонкие структуры можно в гораздо большем количестве, чем традиционные микросхемы, уместить в одном устройстве. Это даст выигрыш в скорости, быстродействии и производительности. Таким образом, разработка будет полезна везде, где востребованы сверхбыстрые вычисления, — поделился Константин Катин.

При этом углерод — основа органики. В связи с этим одно из преимуществ углеродной микроэлектроники — сочетание с живой природой. Это открывает перспективы для создания биоинтегрируемых устройств. Они могут стать основой гибридных систем, сочетающих биологические и искусственные элементы. Например, миниатюрных нейроинтерфейсов для управления движениями насекомых.

Как будут создавать насекомых-киборгов

Такие технологии лежат в основе концепции насекомых-киборгов — живых организмов со встроенными электронными компонентами, включая миниатюрные сенсоры, процессоры, камеры и элементы ИИ. Подобные «живые дроны» в перспективе могут использоваться для работы в труднодоступных местах — например, при обследовании завалов, руин и вентиляционных шахт. Среди возможных задач — поисковые операции, экологический мониторинг и разведка.

В целом лучшие вычислительные системы, созданные природой, — это мозг живых организмов. Поэтому для будущих технологий, объединяющих естественный и искусственный интеллект, углеродная электроника может иметь особые перспективы, отметил Константин Катин.

— Диаман обладает уникальными свойствами. Резкое изменение электрического сопротивления в материале во время фазовых переходов можно использовать в электронике для создания высокоскоростных сенсоров, переключателей и наноэлектронных устройств, — рассказал «Известиям» директор научно-образовательного центра «Зондовая микроскопия и нанотехнология» Национального исследовательского университета «МИЭТ» Константин Царик.

По его мнению, ученые благодаря математическому моделированию хорошо описали структурные свойства материала. Однако не хватает практического рецепта формирования диамановой пленки размером с кремниевую подложку. В мире немало предприятий, которые развивают углеродную электронику и даже предлагают рынку опытные образцы устройств, но об их массовом производстве говорить рано из-за технологических сложностей.

По словам гендиректора автономной некоммерческой организации «Консорциум печатных плат» Ольги Кожуховской, у углеродной электроники хорошие перспективы, поскольку такие материалы позволяют делать устройства компактнее, гибче и энергоэффективнее. Но, скорее, такие разработки дополнят технологии на основе кремния и займут свои ниши. В России сильны научные кадры, но пока не хватает производственной базы для масштабирования.

— Преимущество предложенного решения — в возможности комбинировать проводящие, полупроводниковые и диэлектрические свойства в двумерных структурах. Но это не замена традиционным устройствам, а направление для специализированной, так называемой посткремниевой электроники, — пояснил главный редактор IT-World.RU и журнала IT Expert Андрей Виноградов.

Он отметил, что сильная сторона исследования заключается в том, что предложен конкретный механизм формирования в одном материале областей с разными электронными свойствами. Это позволит проектировать наноструктуры без сложного сочетания разнородных материалов. Слабое место разработки — в том, что результаты получены методами моделирования.

Для развития технологии нужно разработать методы воспроизводимого синтеза материалов, управления дефектами на атомарном уровне, интеграции с существующими техпроцессами и проверки надежности будущих устройств, резюмировал эксперт.