ОРГАНИКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОНИКИ

Роман Иргашев: Мы занимаемся синтезом и изучением свойств новых органических соединений, которые потенциально могут применяться в двух областях. Первая — это органическая электроника, или оптоэлектроника. Технология относится к числу наиболее перспективных, и весь мир активно движется в этом направлении. Уже сейчас все современные дисплеи работают на так называемых ОСИДах (англ. OLED) — диодах, которые включают в себя функциональные фото- и электроактивные органические соединения. За счет малого расхода электроэнергии на основе этих диодов создаются не только дисплеи, но и осветительные приборы. Сейчас все усилия направлены на улучшение показателей по качеству, яркости и энергоэффективности. Другой тип устройств, связанный с выработкой дешевого электричества, — солнечные батареи на органических полимерах и красителях. Они просты в изготовлении и экономичны. Их себестоимость при увеличении производства и использовании недорогих органических соединений будет значительно ниже, чем у кремниевых батарей. Основной недостаток — низкий КПД, но «органические» батареи могут успешно применяться для решения каких-то локальных задач.

Егор Вербицкий:  Недавно я видел на улице велосипедиста с закрепленной на локте солнечной батареей. Это пример одного из достоинств органической электроники — гибкости, позволяющей создавать на ее основе тонкие эластичные устройства. Но самое главное преимущество — возможность настраивать батарею на нужный диапазон поглощения: инфракрасный, длинный или ближний ультрафиолетовый. Можно даже настроить ее на конкретную длину волны. Кремниевые же батареи, как правило, работают в одном диапазоне. 

Р.И.: Базовый элемент для всей органической электроники — так называемые полициклические гетероциклические соединения, обладающие высокосопряженной структурой и имеющие как следствие богатую π-электронную систему. Я занимаюсь конденсированными производными и гетероаналогами карбазола, в частности, индоло[хх]карбазолами и тиено[xx]индолами, а Егор — 1,3- и 1,4-диазинами. По своим характеристикам индоло[хх]карбазолы и тиено[xx]индолы — это электронно-донорные структуры. Они могут выступать как материалы для транспорта электронных «дырок» в органических диодах и полевых транзисторах. Структура этих устройств крайне проста: они имеют сэндвичевое строение. Это слои толщиной от 40 до 500 нанометров, которые напыляются или наносятся на поверхность из раствора. Последний способ наиболее перспективен, фактически речь идет о «печатной» электронике, которая возможна только с применением органических соединений. У Егора, напротив, электронно-акцепторные структуры. Все наши соединения можно назвать органическими полупроводниками, которые подразделяются на полупроводники n-типа, проводящие электроны, и p-типа, проводящие электронные «дырки». В зависимости от донорности или акцепторности такого органического соединения оно может быть либо n-, либо p-полупроводником.

Е.В.: Второе направление наших исследований — это лекарственные соединения, что более традиционно для органической химии. Наш институт уже давно занимается этой работой, и мы активно принимаем участие, в частности, в разработке новых препаратов для лечения туберкулеза. По данным Всемирной организации здравоохранения от этого заболевания ежегодно умирает около 10 миллионов человек. Основная проблема — быстрая изменчивость возбудителей туберкулеза. В результате возникают так называемые лекарственно-устойчивые штаммы. Поэтому поиск противотуберкулезных препаратов приходится вести постоянно. Наша работа базируется на тесном сотрудничестве с лабораторией диагностических и экспериментальных методов исследования Уральского НИИ фтизиопульмонологии под руководством кандидата биологических наук Марионеллы Анатольевны Кравченко. Мы синтезируем новые соединения на основе 1,3- и 1,4-диазинов, после чего предаем их в УНИИФ, где проводится исследование их противотуберкулезной активности. Далее мы смотрим, какие соединения проявили активность и как их можно модифицировать для усиления эффекта. После чего модифицированные соединения снова передаются на скрининг. В отдаленной перспективе некоторые из них могут быть использованы для создания новых противотурберкулезных препаратов. Хотя, конечно, нужно понимать, что это процесс очень длительный и может занимать не один десяток лет. 

Е.В.: Не совсем. И тут, и там за основу мы берем диазины. Но если ввести в структуру соединения одни заместители, то это будут материалы для полупроводников, а если другие — выходим на биологическую активность. Маловероятно, чтобы одно соединение сочетало в себе свойства того и другого.

Р.И.: Дело в том, что соединения, используемые в органической электронике, имеют достаточно высокую молекулярную массу. Им необходима развитая электронная структура: с электронным мостом, донором и акцептором. Накапливаясь, все это и дает большой вес. Объем молекулы увеличивается, ее растворимость снижается, она уже не может свободно преодолевать так называемый гематоэнцефалический барьер. Единственный возможный вариант использования таких соединений в медицине — это средства наружного применения, например, противогрибковые или бактерицидные препараты.

И, безусловно, чтобы трезво оценивать и сопоставлять между собой эти два направления исследований, нужно для начала создать равные условия для их развития. В области биологии у нас уже сейчас есть какие-то наработанные связи и устоявшая селекционная система. Органическая же электроника даже по мировым меркам  довольно молодая междисциплинарная наука на стыке органической химии и молекулярной физики. Поэтому нам крайне важно привлекать к своим исследованиям физиков, физхимиков или электрохимиков. С такими специалистами мы начали сотрудничать примерно год назад. Это очень небольшой срок. Конечно, какие-то результаты совместной работы уже есть, но хотелось бы ускорить движение. 

Е.В.: Кроме того, нужно понимать, что в рамках нашего института мы только синтезируем соединения и можем охарактеризовать их на уровне физикохимических свойств. Мы не собираем приборы и не оцениваем биологическую активность. 

Е.В.: Мы передаем им образцы и ждем результатов. От их выводов зависит дальнейшая работа по модификации и улучшению свойств наших соединений.

Р.И.: К примеру, совсем недавно отправили ряд перспективных образцов нашим коллегам из  московского Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина. Там проходят испытания наши красители и изучаются полупроводниковые свойства. Но из-за расстояний и особенностей внутреннего распорядка ИФХЭ дело затягивается. Идеальный вариант — когда соединения не нужно перемещать за пределы Екатеринбурга. В Уральском отделении РАН есть замечательные физические и физикохимические институты, но проблема в том, что они занимаются исключительно неорганическими полупроводниками.

Р.И.: К ним обращались наши руководители. К слову, сейчас они ведут переговоры с Уральским федеральным университетом. Хочется верить, что постепенно научная общественность, власти и бизнес придут к осознанию того, что органическая электроника — технология будущего… 

Е.В.: ..которую есть смысл развивать хотя бы потому, что она напрямую связана с отходом от нашей традиционной сырьевой экономики, простой продажи нефти или другого сырья.

Р.И.: Те же карбазол и индол — это соединения, вырабатываемые исключительно из нефти и каменноугольной смолы. Антрацены, нафталины — всем этим можно было бы не топить печи, а превращать в солнечные батареи. География нашей страны уникальна, в России несколько часовых поясов. У нас есть юг и высокогорные районы. В этих условиях можно было бы использовать солнечные батареи, для которых важно не столько излучение инфракрасного спектра, сколько ультрафиолетовое. Все хорошо знают, что, сходив в горы, ты загоришь сильнее, чем на любом курорте. Людям там настоятельно советуют ходить в темных очках, чтобы не повредить сетчатку, потому что ультрафиолет крайне жесткий. А для солнечных батарей это как раз то, что нужно. Благодаря жесткому ультрафиолету КПД солнечной батареи только возрастет. Из тех же соображений их можно размещать и за Полярным кругом.

Е.В.: Сейчас солнечная энергетика широко развивается в Европе. Например, в Италии и Греции солнечные батареи стоят практически на крыше каждого дома. Один киловатт в этих странах стоит несколько евро, поэтому выгоднее поставить собственную установку, чем покупать электричество. У нас, конечно, не так жарко, но солнце все же светит.

Р.И.: Пока, к сожалению, нет, но прогресс не стоит на месте. Когда разрыв КПД уменьшится и составит не более 20–25%, станет выгоднее производить батареи на органике, потому что они станут дешевле. Можно будет забыть про такую дорогостоящую операцию, как очистка кремния. Ведь кремний для солнечной батареи получить не так просто: в процессе задействованы очень высокие температуры, происходит большой выброс углекислого газа и других более вредных соединений. Органика же по экологичности производства, легкости и гибкости конечного материала значительно превосходит своего конкурента. Кремниевую батарею не свернуть и не положить в карман, а органической можно придать любую форму. 

Р.И.: Начнем с того, что батарея — это сложный фотоэлектрохимический механизм. В них могут использоваться как неорганические, так и органические компоненты. Полимерные солнечные батареи состоят полностью из органики. Также батарею можно собрать на основе полимера с напылением на него электропроводящего слоя. Каждый элемент батареи вносит свой вклад в ее эффективность. Все они должны подходить друг другу по энергетическим характеристикам, а электронные переходы между ними должны быть благоприятными для создания разности потенциалов. Это можно и нужно отслеживать. Предварительные физико-химические измерения компонентов будут давать нашим партнерам знания о том, что с чем нужно совмещать. Наша тонкая подстройка также будет вносить свой вклад. Но сама сборка солнечной батареи не менее важна. Для этого нужен навык. У батареи может быть низкий КПД просто потому, что какая-то процедура не была соблюдена.

Е.В.: Для неорганических солнечных батарей — около 40–44%. Но это уже практически «потолок», еще в 1950-е годы опубликованы физические расчеты, где было показано, что выше этих цифр КПД просто не может быть достигнут. 

Р.И.: Для органических мировой показатель — 13,5%. Это последний результат, полученный китайскими учеными в соавторстве со швейцарцем Михаэлем Гретцелем, собственно изобретателем цветосенсибилизированных солнечных батарей. Но хочу отметить, что погоня за увеличением КПД не всегда оправдана. Предположим, вы синтезировали краситель в 45 стадий, и его выход составил 0,13%. Даже если он вам даст 20% мощности, то экономически его производство будет просто невыгодно. 

Е.В.: Скорее оглядываемся на сложность синтеза. Чем меньше стадий, тем лучше. Многостадийные синтезы — это очень красиво с точки зрения органической химии, но порой крайне ресурсозатратно в плане практического применения.

Р.И.: Но это совершенно не значит, что нужно отказаться от многостадийных синтезов. Всегда есть место оптимизации, можно поломать голову над тем, как из 10 стадий сделать 3. В первую очередь это решается путем подбора различных реактивов и катализаторов. 

Е.В.: Правильно. Пока наши партнеры собирают лишь небольшие тестовые ячейки,  а не полноразмерные солнечные батареи, и измеряют их показатели: эффективность (КПД превращения светового потока в электричество), силу и напряжение вырабатываемого тока. Ведь чтобы что-то производить массово, нужно получить наилучшие результаты, которые если и не превосходят мировые показатели, то хотя бы сопоставимы с ними, — к чему мы сейчас и стремимся.