В гостях у физиков: репортаж из МФТИ, где печатают электронику и делают системы для диагностики рака
В МФТИ при поддержке Научного центра мирового уровня «Центр перспективной микроэлектроники» прошла Вторая Всероссийская конференция «Печатная и гибкая электроника: оборудование, материалы и технологии». На мероприятии для журналистов организовали технический тур по лабораториям Института квантовых технологий. Журналистам показали действующие установки, разработанные в МФТИ, для печати электронных компонентов, разработки в области наноматериалов, сенсоров и медицинской диагностики. Подробнее — в репортаже «Компьютерры».
Сухая печать без чернил
Первой точкой маршрута стал Центр испытаний функциональных материалов. Здесь журналистам продемонстрировали принтер сухой аэрозольной печати, о котором рассказал инженер-исследователь Виктор Долгов.
Главная особенность установки заключается в том, что наночастицы для печати создаются непосредственно во время работы. Между металлическими электродами возникает искровой разряд в атмосфере аргона, после чего образуются наночастицы металла. Они обрабатываются лазером, приобретая сферическую форму, и затем через специальное сопло наносятся на поверхность.
Вторая лазерная система спекает частицы прямо в процессе нанесения. Благодаря этому можно работать не только с традиционными материалами, но и с гибкими полимерами, которые не выдержали бы высоких температур в обычной печи.
На установке уже отработаны режимы для серебра, золота, платины, меди, алюминия и олова. Среди возможных применений разработчики называют плазмонные структуры (наноматериалы, управляющие светом в масштабах меньше длины волны) для сенсоров, микронагреватели, СВЧ-антенны и элементы микроэлектроники.
«Мы вклиниваемся между технологией печатных плат и литографией. На печатных платах невозможно получить 30 микрометров, а литография — дорого, и оборудования в России не хватает», — Виктор Долгов, инженер-исследователь Центра испытаний функциональных материалов МФТИ.
На вопрос «Компьютерры» о перспективах масштабирования Виктор Долгов рассказал, что установка пока существует в виде опытного образца, однако интерес со стороны промышленности уже есть. Сейчас команда сосредоточена не на тиражировании текущей версии, а на создании более производительных машин.
Чернильная печать для микроэлектроники и медицины
В соседней лаборатории показали другую разновидность аэрозольной печати. Научный сотрудник Дмитрий Лабутов рассказал, что здесь используются не сухие наночастицы, а жидкие чернила, которые распыляются в аэрозоль по принципу медицинского небулайзера (медицинское устройство, преобразующее жидкое лекарство в аэрозоль для доставки в дыхательные пути).
После распыления поток проходит через систему отбора капель и поступает в печатающую головку. Такой подход позволяет получать дорожки шириной до 7–10 микрометров и наносить материалы практически на любые поверхности.
Отдельный интерес представляет состав чернил. Большую часть материалов исследователи готовят самостоятельно, поскольку зарубежные решения сегодня практически недоступны. Используются составы на основе серебра, платины, нанотрубок, нанопроволок и других материалов.
Установка способна работать не только с проводниками, но и с диэлектриками, полупроводниками и прозрачными токопроводящими покрытиями.
«Ограничений по материалам практически нет. Все, что можно сделать в виде истинного или коллоидного раствора, можно сюда запихнуть», — Дмитрий Лабутов, научный сотрудник лаборатории печатной и кремниевой микроэлектроники МФТИ.
Главным ограничением технологии остается производительность. Как рассказал «Компьютерре» Лабутов, такие системы не предназначены для массового выпуска продукции, однако хорошо подходят для научных исследований, опытного производства и быстрого прототипирования. «Нарисовал топологию, отправил печать — и через час у тебя готовый образец», — пояснил ученый.
По его словам, перспективным направлением может стать биомедицина. На подобных установках уже можно печатать биополимеры и материалы для заживления тканей, а в будущем — работать даже с клеточными структурами.
Терагерцовые лазеры выходят из лабораторий
В лаборатории квантово-каскадных лазеров журналистам продемонстрировали источник терагерцового излучения. Экскурсию провел инженер лаборатории квантово-каскадных лазеров МФТИ Игорь Глинский.
Терагерцовый диапазон находится между микроволновым и инфракрасным излучением. Его важное преимущество заключается в том, что он считается безопасным для человека, в отличие от рентгеновских лучей. При этом многие материалы остаются для него прозрачными.
Разработчики рассматривают самые разные области применения — от контроля качества микроэлектроники до медицинской диагностики и перспективных систем связи шестого поколения.
Основная проблема подобных лазеров связана с необходимостью глубокого охлаждения. Если раньше для работы требовались громоздкие криостаты с жидким гелием и азотом, то теперь в МФТИ создают более компактную систему на базе охладителя замкнутого цикла, работающего по циклу Стирлинга.
По словам Игоря Глинского, такой подход позволяет отказаться от криогенных жидкостей и приблизить технологию к созданию полноценного прибора, пригодного не только для лабораторных исследований, но и для практического применения.
«Обычно его охлаждают с помощью заливных криостатов, которые заливают азотом и гелием, что весьма ограничивает его применение. Поэтому мы в лаборатории занимаемся тем, что доводим данный кристалл до некоего конечного прибора», — Игорь Глинский, инженер лаборатории квантово-каскадных лазеров МФТИ.
Проект реализуется совместно с компанией «Авеста». По словам разработчиков, если опытный образец подтвердит характеристики, оборудование может дойти до серийного производства в течение ближайших лет.
Прибор для науки, а не для производства
Следующей остановкой стала лаборатория молекулярной медицинской диагностики, где журналистам показали опытный образец российского масс-спектрометра сверхвысокого разрешения.
О разработке рассказал Игорь Попов, заведующий лабораторией молекулярной медицинской диагностики МФТИ. Он сразу отметил, что возможности подобных приборов часто понимают неправильно.
Масс-спектрометр способен различать молекулы и изотопы с минимальными различиями в массе, однако это не универсальный прибор контроля качества и не замена промышленным анализаторам.
«Алкотестер за три тысячи рублей отлично работает и стоит дешево, но он идентифицирует только одну молекулу в составе заранее известной матрицы. А этот прибор нужен для того, чтобы разобраться, что за молекула вообще есть в пробе», — Игорь Попов, заведующий лабораторией молекулярной медицинской диагностики МФТИ.
По словам ученого, масс-спектрометр выполняет роль детектора и является частью гораздо более сложной аналитической цепочки. «Масс-спектрометр — не прибор для измерения концентрации, это детектор. Этот прибор стоит в самом конце технологической цепочки, а не в начале», — пояснил он.
Сейчас лаборатория работает над новыми проектами совместно с «Росатомом», связанными с исследованием короткоживущих изотопов.
Новые материалы толщиной в один слой
В Центре двумерных материалов журналистам показали, как исследуются ван-дер-ваальсовы структуры (искусственные многослойные материалы, состоящие из тончайших двумерных слоев) и создаются новые комбинации материалов для электроники и фотоники.
Заведующий лабораторией контролируемых оптических наноструктур Сергей Новиков рассказал, что ученые работают с десятками различных слоистых материалов, комбинируя их между собой для получения новых свойств.
«Мы создаем абсолютно новые материалы, которых не существует в мире. Берем слой одного материала, слой другого и делаем лоскутное одеяло из разных слоев», — Сергей Новиков, заведующий лабораторией контролируемых оптических наноструктур МФТИ.
Для анализа используется Рамановская спектроскопия. Метод позволяет выявлять дефекты, примеси, механические напряжения и даже определять количество слоев материала.
По словам ученого, центр располагает практически полным набором оборудования для создания и исследования подобных структур, что позволяет выполнять весь цикл работ внутри одной площадки.
Диагностика рака за один час
Одной из самых прикладных разработок экскурсии стала система экспресс-анализа биологических тканей, которую также представил Станислав Пеков, старший научный сотрудник лаборатории молекулярной медицинской диагностики МФТИ.
Цель проекта — сократить время получения результатов биопсии с нескольких недель до одного часа. Вместо поиска генетических маркеров исследователи анализируют метаболиты — небольшие молекулы, присутствующие в клетках. Для этого к масс-спектрометру подключается специальный модуль, куда помещается образец ткани.
После обработки спектра система может определить наличие патологических изменений значительно быстрее традиционных методов.
«Представьте: человек приходит в онкодиспансер, у него берут биопсию, и через час говорят: у вас все хорошо», — Станислав Пеков, старший научный сотрудник лаборатории молекулярной медицинской диагностики МФТИ.
За десять лет работы ученые сформировали базы данных для опухолей головного мозга и печени. Однако до широкого внедрения технологии в клиническую практику еще предстоит пройти длинный путь.
По словам разработчиков, одной из главных задач остается создание более доступного прибора, поскольку полноценные научные масс-спектрометры могут позволить себе лишь единичные медицинские учреждения.
Сенсоры на капле слюны
Еще одно направление связано с сенсорами на основе гигантского комбинационного рассеяния. Технология позволяет усиливать сигнал молекул в сотни тысяч и миллионы раз за счет специальных наноструктур из благородных металлов.
Разработка МФТИ представляет собой микрофлюидный чип размером с SIM-карту. Через его каналы проходят слюна, кровь или другие биологические жидкости, а поверхность захватывает только нужные молекулы. Это открывает возможности для создания компактных диагностических систем, способных быстро выявлять заболевания, контролировать прием лекарств или определять наличие различных веществ в организме.
«Вот ко мне приезжает человек без сознания. Мне надо знать, есть у него в крови такие-то вещества или нет. Я не могу ждать два часа. Если вы сможете сделать устройство, которое покажет два-три показателя, мне этого будет достаточно — вы спасете очень много жизней», — Сергей Новиков, заведующий лабораторией контролируемых оптических наноструктур МФТИ.
Кроме того, исследователи изучают клетки крови и работают над методами раннего выявления сердечно-сосудистых заболеваний, когда традиционные методы диагностики еще не фиксируют отклонений.
Вывод
Экскурсия по лабораториям МФТИ показала широкий спектр проектов — от новых технологий печати микроэлектроники до медицинских систем диагностики. Многие разработки пока существуют в виде опытных образцов, однако практически у каждой уже есть индустриальные партнеры или потенциальные заказчики.
Для университета это один из ключевых принципов работы: не строить собственное производство, а доводить технологию до рабочего состояния и передавать ее промышленности. Именно поэтому рядом с фундаментальными исследованиями здесь все чаще появляются разговоры о серийном выпуске, испытаниях и коммерческом внедрении.
По материалам «Компьютерра».