Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
Kto kiedykolwiek poddał się porywowi majsterkowania i rozkręcił radio, komputer lub telefon, ten wie, że współczesne urządzenia elektroniczne składają się z tysięcy, a nawet milionów miniaturowych elementów elektrycznych. Wszystkie one są starannie pogrupowane na kompozytowych płytkach, pokrytych labiryntem metalowych przewodzących ścieżek. Całość przypomina osobliwe miasto z wieżowcami, domami, wąskimi uliczkami i arteriami komunikacyjnymi. Tu i ówdzie wśród tego elektrycznego miasta można znaleźć potwory – prostokątne klocki z dziesiątkami nóżek, przypominające czarne pająki. To układy scalone, które grupują w swoich wnętrzach nawet do setek milionów mikroskopijnych tranzystorów – podstawowych elementów współczesnej elektroniki. Wszystkie one wyrzeźbione są w krzemie, będącym obecnie najczęściej wykorzystywanym materiałem w przemyśle elektronicznym.
Niestety, zarówno krzem, jak i kompozytowe płytki pokryte przewodzącymi ścieżkami to dosyć kruche materiały, które nie radzą sobie z większymi naprężeniami. Kto kiedykolwiek w żądzy zniszczenia próbował uszkodzić układ elektroniczny, ten wie, że nie jest to trudne zadanie. Jeszcze czulszym punktem wielu współczesnych urządzeń są ekrany, zbudowane z krzemu, szkła i przezroczystego, twardego plastiku. Również one są sztywne i łatwo pękają.
Wyginam śmiało ciało
Nie dziwi zatem, że inżynierowie już od dziesięcioleci próbują zbudować elastyczne układy, które nie będą podatne na uderzenia, zginanie czy rozciąganie. Najprostszą drogą do tego jest wytwarzanie układów elektronicznych na warstwie giętkiego polimeru, podobnego do tego, z którego zrobione są folie do pakowania żywności. To dopiero pierwszy krok. Metalowe ścieżki i połączenia nawet na najbardziej elastycznym polimerze wciąż mogą się kruszyć i przerywać. Można je jednak zastąpić niezwykle cienkimi włóknami zbudowanymi z węgla, tego samego, który występuje w grafitowych ołówkach. Każde z nich jest sto tysięcy razy cieńsze od ludzkiego włosa, a splecione razem tworzą przewody, które z naprężeniami radzą sobie rewelacyjnie.
Niespełna rok temu na łamach czasopisma „Science” grupa naukowców z Chin, USA i Brazylii pochwaliła się metodą produkcji obwodów elektronicznych opartych na takich właśnie nanowłóknach, które można rozciągnąć aż dziesięciokrotnie w stosunku do ich początkowych rozmiarów. Nawet tak duża deformacja nie wpływa na ich parametry elektryczne, a całość zachowuje się tak samo jak przed zniekształceniem. Co więcej, układ nie psuje się po setkach tysięcy wygięć, skręceń i rozciągnięć. Z punktu widzenia przyszłych zastosowań jest to istotny krok naprzód.
Giętkie połączenia i ścieżki to nie wszystko. Niewiele zdziałamy bez elastycznych tranzystorów, oporników i kondensatorów. Również i w tym zakresie potrafimy już dużo. Jeden z najnowszych numerów periodyku „Nature” donosi o osiągnięciu naukowców z Uniwersytetu Alberty w Kanadzie, którzy stworzyli nową konstrukcję tranzystorów, specjalnie zaprojektowaną do wykorzystania w elastycznych urządzeniach. Dokonali tego za pomocą połączenia ultracienkiego krzemu z polimerami. Parametry nowych tranzystorów, takie jak szybkość przełączania, trwałość i powtarzalność, nie odbiegają znacząco od obecnie stosowanych, choć niestety ich rozmiary pozostawiają jeszcze wiele do życzenia. Kanadyjski giętki tranzystor jest bowiem ponad sto razy większy od tranzystorów we współczesnych procesorach, ale konstruktorzy podkreślają, że perspektywy miniaturyzacji są obiecujące.
Na krzywym ekranie
Gdy wiemy już, jak wyprodukować elastyczne obwody, pora zastanowić się nad giętkimi ekranami. Pomysłów, jak to zrobić, jest co najmniej kilka. Jednym z najbardziej obiecujących podejść jest technologia OLED, bazująca na świecących diodach zbudowanych nie z krzemu, lecz ze złożonych związków organicznych, takich jak np. polifenylenowinylen. Na pierwszy rzut oka jest to zwyczajny kawałek przezroczystego plastiku. Jego wyjątkowość polega na tym, że potrafi przewodzić prąd elektryczny, co w świecie tworzyw sztucznych nie jest często spotykaną cechą. Dodatkowo, po przyłożeniu napięcia, świeci pięknym żółtozielonym światłem. Od kilku lat wyświetlacze OLED są już komercyjnie dostępne i wszystko wskazuje na to, że technologia ta będzie się dalej rozwijać. Pozwala ona na wytworzenie ekranu na lekkich, elastycznych podłożach, które można wielokrotnie wyginać i zakrzywiać.
Technologia ta jest jednym z najpoważniejszych kandydatów pozwalających na stworzenie kolorowej elektronicznej gazety o własnościach mechanicznych zbliżonych do tradycyjnego papieru. Moglibyśmy ją w dowolnym momencie złożyć i schować do kieszeni albo zabić nią natrętną muchę, bez obawy o uszkodzenie urządzenia.
Wydaje się zatem, że mamy wszystko, co pozwala nam na stworzenie całkowicie elastycznych urządzeń. Oprócz większej wytrzymałości układy takie mogą oferować również nowe funkcjonalności. Puszczając wodze fantazji, możemy wyobrazić sobie obwody elektryczne zintegrowane z naszymi ubraniami, wyposażone w czujniki i wyświetlacze. Innym pomysłem są bioelektryczne tatuaże nanoszone w postaci cienkich warstw na skórę. Tatuaż taki byłby w ogóle niewyczuwalny i nie utrudniałby ruchów, jednocześnie mierząc i wyświetlając temperaturę ciała, spalane kalorie czy puls.
Jeszcze innym pomysłem jest stworzenie smartfona, który schowany w kieszeni byłby małym, kompaktowym urządzeniem, ale po wyjęciu z niej znacznie powiększyłby swój ekran. Pozwoliłoby to złączyć w jednym urządzeniu dwa dotychczas sprzeczne ze sobą dążenia: apetyt na jak największy wyświetlacz i możliwość schowania go do kieszeni. Choć ten pomysł brzmi jak science fiction, to w kontekście świeżo zgłaszanych patentów i najnowszych artykułów naukowych wydaje się całkiem realny.
Czy można to gdzieś kupić?
Pora na ważne pytanie. Jeżeli naukowcy i inżynierowie doszli już tak daleko, to dlaczego całkowicie giętkiej elektroniki wciąż nie ma na rynku? Prawda jest brutalna. Zaprezentowane dotychczas prototypy zazwyczaj radzą sobie dobrze tylko z jedną funkcją, np. mają wytrzymały giętki ekran bądź elastyczną sieć połączeń elektrycznych, podczas gdy pozostałe części są albo giętkie, ale zawodne, albo bezawaryjne, ale zupełnie sztywne.
Sporo kłopotów sprawiają np. baterie litowo-jonowe, które są obecnie najwydajniejszym źródłem energii dla telefonów, tabletów i smartfonów i które wciąż nie doczekały się swojego giętkiego odpowiednika. Pewnym ominięciem tego problemu jest pomysł zasilania bezprzewodowego, w którym bateria lub zasilacz są odrębnymi elementami, wysyłającymi energię za pomocą fal elektromagnetycznych. Fale te są następnie odbierane przez właściwe, elastyczne urządzenia. Odbiornik musiałby być tylko wyposażony w specjalną antenę, której wyprodukowanie jest już proste. Pomysł ciekawy, choć daleki od ideału, bo zasięg takiego zasilania nie jest zbyt duży – obecnie nie przekracza kilku metrów.
Dodatkowo pojawia się dosyć prozaiczny problem. Badania konsumenckie pokazują, że jedynie niewielka grupa odbiorców jest zainteresowana całkowicie elastycznymi urządzeniami. Okazuje się, że tak mocno przyzwyczailiśmy się do twardej elektroniki, że kontakt z giętką mógłby nas wprowadzić w niezłe zakłopotanie. Wizjonerzy i inżynierowe zdają sobie sprawę, że niektóre z ich pomysłów są na tyle rewolucyjne, iż muszą iść w parze ze zmianą naszego sposobu używania i myślenia o urządzeniach elektronicznych. Zmiana codziennych przyzwyczajeń jest jednak procesem długim i trudnym. Może się zatem okazać, że giętka elektronika nie będzie żadną rewolucją, ale wyłącznie modnym gadżetem, którym będą interesować się nieliczni.
Zapewne już niedługo będziemy mogli to sprawdzić. Powoli zbliżamy się do punktu, w którym osiągnięcia naukowców i inżynierów staną się na tyle funkcjonalne i niezawodne, aby możliwe i opłacalne stało się wprowadzenie ich do masowej produkcji. Elektroniczne ubrania, bioelektryczne tatuaże i urządzenia mniej podatne na uszkodzenia? Kto wie, może już wkrótce? ©
Piękno, sztuka i najnowsze technologie będą tematem prezentacji i wykładów odbywających się w paśmie Inventio Copernicus Festival. Nasi goście opowiedzą m.in. o cyborgizacji ciała, bionice, obrazach satelitarnych i nowych technologiach w sztuce współczesnej, blaskach i cieniach wirtualnej rzeczywistości oraz estetyce interakcji. Zapraszamy 21 maja, między 11.30 a 18.00, do Muzeum Sztuki i Techniki Japońskiej Manggha (ul. Konopnickiej 26 w Krakowie). Wstęp wolny. Szczegóły na www.copernicusfestival.com
MICHAŁ KRUPIŃSKI jest doktorem fizyki, pracuje w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN. Zajmuje się również popularyzacją nauki. Jest laureatem specjalnego wyróżnienia w konkursie Popularyzator Nauki 2013, zorganizowanym przez PAP oraz MNiSW.
