Мистер Алешин, который решает все проблемы

Ирик Имамутдинов
7 мая 2007, 00:00

Добавив в проводящий полимер наночастицы, российский физик вплотную подошел к смене технологического уклада сразу в нескольких отраслях. Правда, ушло на это двадцать лет

Рассказывают, что Хидеки Ширакава, получивший Нобелевскую премию 2000 года по химии за разработку электропроводящих полимеров, в Токийском технологическом институте хорошо изучил садоводство. Но химию полимеров он усвоил не хуже. Во второй половине 70-х годов прошлого столетия его работы в области синтеза полимеров привлекли внимание двух его американских коллег, физика Алана Хигера и химика Алана Макдайармида, ставших затем лауреатами Нобелевской премии вместе с Ширакавой.

Американцы экспериментальным путем пытались доказать рассчитанную ранее теоретическую сверхпроводимость полимерных материалов. Для получения полимеров им нужен был классный специалист по механизму полимеризации, и они пригласили Ширакаву поработать к себе в Пенсильванский университет.

К тому времени японский органик уже сумел синтезировать электропроводящий полиацетилен — с теоретической точки зрения самый перспективный полимер для поиска этой самой сверхпроводимости. Выполняя лабораторную работу, то ли студент, то ли аспирант Ширакавы, будто бы недопоняв указания учителя, в процессе полимеризации полиацетилена добавил катализатора в тысячу раз больше расчетного — граммы вместо миллиграммов. Исследователи, придя утром в лабораторию, неожиданно обнаружили вместо обычного черного порошка слой материала небесной красоты, размазанного по стенкам пробирки и отражающего свет, как серебро. Так из-за допущенной и счастливой для Ширакавы экспериментальной ошибки был получен первый полиацетилен с проводящими свойствами.

Позже, уже во время совместной работы Ширакавы, Хигера и Макдайармида в Пенсильванском университете, будущим Нобелевским лауреатам повезло еще раз. Один из корейских стажеров профессора Макдайармида забыл завинтить вентиль колбы с так называемым допантом, неорганической легирующей примесью, которая добавлялась в полимер как раз для повышения его электропроводности. Раньше парами допантов (йода или бора) полимерный материал обрабатывали в течение очень короткого промежутка времени, но на этот раз из-за открытого крана йод реагировал с полиацетиленом намного дольше обычного. Замеры параметров результата очередной экспериментальной оплошности ошарашили исследователей: электропроводность материала повысилась на десять порядков — в десять миллиардов раз, прибор-измеритель, не рассчитанный на такие скачки, просто вышел из строя.

Забывчивость стажера ускорила ход исследований, через 23 года приведших всю троицу к Нобелевке по химии. Хотя сверхпроводимости достичь не удалось, благодаря этим пионерским работам в мире появилось еще одно научно-технологическое направление — полимерная электроника. Этим направлением победитель Конкурса русских инноваций прошлого года Андрей Алешин, услышавший вышеизложенную историю от самого Ширакавы, занимается последние двадцать лет своей жизни.

Резка узоров на фасаде

Исследования электрофизических и оптических свойств первого поколения полимерных материалов активно проводились и в Советском Союзе еще в 60-х годах. По словам Алешина, тогда занимались поиском той же сверхпроводимости, которая в таких материалах была предсказана теоретически. После 1977 года, когда Ширакава с коллегами разработали новое поколение проводящих полимеров, советские исследования ускорились. Наши ученые пытались оптимизировать синтез таких полимеров и анализировали свойства с точки зрения их возможного применения в органической электронике (в качестве светодиодов, транзисторов и т. д.). Органической электроникой очень много занимались в Ленинградском физико-техническом институте имени Иоффе, куда в 1983 году выпускника ленинградского Политеха Андрея Алешина пригласил Исайя Шлимак, руководитель группы транспортных явлений в полупроводниках, «для исследований электрофизических свойств неупорядоченных полупропроводниковых пленок». Эти исследования вскоре были сфокусированы на проводящих полимерных пленках — направлении, обещавшем быстрые научные дивиденды.

В то время, как рассказывает Андрей Алешин, нас интересовали свойства полимеров, которые они приобретают после облучения ускоренными ионами инертных газов — аргона, азота, — после чего их проводимость резко возрастает. Параллельно Алешин занялся изучением электронных свойств легированных пленок полиацетилена, полученных специалистом Института химической физики Валерием Кобрянским. Кобрянский по своей технологии синтезировал проводящий полиацетилен, образцы которого и исследовались Алешиным, в 1989 году защитившим в Физтехе кандидатскую диссертацию о проводящих, полупроводниковых и диэлектрических свойствах различных полимеров.

Когда науку практически перестали финансировать, не могло идти и речи о том, чтобы продолжать дорогостоящую модификацию свойств полимеров, облучая их высокоэнергетичными ионами. Чисто научная работа окончательно свернулась после эмиграции руководителя группы Исайи Шлимака.

Для того чтобы подзаработать, в начале 90-х Алешину с коллегами пришлось заняться прикладными вещами. В частности, рассказывает ученый, их на время выручил заказ на термодатчики. К удивлению питерских физтеховцев, они были заказаны коллегами из московского Ленпеда, где на кафедре физики было сильное криогенное направление. Металлические не годились, так как у них, по словам Алешина, очень маленький перепад сопротивления от комнатной температуры до гелевой, а нужно, чтобы было хотя бы несколько порядков изменения. Спецсплавы были дороги, и для Ленпеда разработали гибкие датчики на основе полиамида, облученного ионами еще в советские времена. Впрочем, исследовательской работы было совсем мало, и творческий потенциал Алешина сублимировался в художественную резку узоров на фасаде исторического здания почтовой станции, купленной его тестем в исторической же деревне Лампово, указанной во всех питерских туристических каталогах.

В контакте с Хигером

В 1993 году жена Алешина Галина, сотрудница петербургского Института экспериментальной медицины, уехала на стажировку в США в рамках совместного проекта с медицинским факультетом Лос-Анджелесского университета. Алешин, мечтавший о продолжении работы в большой науке, решил воспользоваться случаем, чтобы встретиться со знаменитым Аланом Хигером и напроситься на работу в его знаменитый Институт полимеров при университете Санта-Барбары, городка невдалеке от Лос-Анджелеса. Вскоре Алешину представилась возможность, как он сам говорит, «наладить контакты с мировым лидером». Собираясь к жене в отпуск летом 1993 года, он договорился о встрече с Аланом Хигером, предварительно послав ему свои ленинградские работы. Будущий нобелевский лауреат заинтересовался исследованиями Алешина и пригласил его к себе.

В это время институт занимался совершенствованием изобретенных в 1990 году Джереми Берроузом, Ричардом Френдом и их коллегами из Кембриджского университета полимерных светодиодов, будущее которых представлялось Хигеру просто грандиозным — ведь дисплеи на их основе могли со временем заменить не только существующие мониторы, но и появляющиеся тогда жидкокристаллические экраны.

В Институте Хигера, на деле состоявшем из самого Хигера, его секретаря и десятков приглашенных специалистов, царствовали две мафии: китайская и корейская — девяносто процентов исследователей были представителями этих двух диаспор. Большинство из них были квалифицированными, но скорее не учеными, в советском понимании этого слова, а лаборантами, точно знающими рамки своей работы.

Хигер, ознакомившись с результатами Андрея Алешина, принял самостоятельное решение о приеме того на работу, изменив своему правилу консультироваться с представителями азиатских общин. «Позже они специально собрались и всё спрашивали меня, — рассказывает Алешин, — как так получилось, что я попал к Хигеру, мою работу у которого они считали своим проколом». Американцы любили китайцев и корейцев не только за их умение дотошно копаться в изучаемом предмете — большинство студентов и аспирантов стажировались в США по государственным программам на государственные деньги, и американские научные центры получали бесплатных и достаточно квалифицированных специалистов в обмен на рост их квалификации. Азиатские специалисты знали, что при возвращении на родину их ждала хорошо оплачиваемая и престижная работа в национальных центрах и корпорациях.

Физтеховские работы не только соответствовали уровню хигеровских исследований, но и по некоторым показателям превосходили то, что делалось в институте знаменитого физика. Тема для Алешина, правда, была новая — не просто проводящие полимеры, а светодиоды на их основе. В задачу входило исследование свойств проводящих полимерных слоев для инжекции носителей в активный слой светодиодов. «Вот типичная схема светодиода на стеклянной подложке, — показывает мне картинку Алешин, — проводящий слой, транспортирующий слой — тоже полимер, потом излучающий слой и катод. Так вот я работал над слоем, который только инжектирует носители, а другие группы работали над излучающим слоем». Пересечение исследований не одобрялось, тем более что часть работ шла по заказу военно-морского ведомства США и знание параметров конечного прибора иностранцами-исследователями, которых было большинство, не поощрялось. Конечно, такое сужение шло в первую очередь на пользу руководителю научных работ, которому в таких условиях было легче монополизировать полученное другими новое научное знание. Но творческая натура Алешина не укладывалась в предписанную схему, и у него все время рождались идеи по «чужим» темам.

Оптимизационные идеи Алешина значительно сокращали время и деньги, выделенные на исследовательские работы, и привлекли внимание Хигера. Вскоре Алешин стал соавтором Хигера, а затем и Ширакавы по нескольким публикациям. Макдайармид же рецензировал все алешинские работы.

Работы по созданию органических светодиодов в Институте полимеров привели к созданию первых в США прототипов полимерных дисплеев. При университете существовала компания UNIAX, принадлежащая Алану Хигеру, которая занималась такими дисплеями. UNIAX была живым воплощением законов Бай-Доула, согласно которым права на ноу-хау и изобретения, наработанные в исследовательском центре большей частью на бюджетные средства, принадлежали самим разработчикам. Правообладатели сразу же, без чиновничьих проволочек и прессинга финансовых и контролирующих госорганов, внедряли результаты своих исследований в небольших компаниях, являвшихся, по сути, прикладными центрами дальнейшего развития научных идей. Разработчик сам нес ответственность за расходование государственных грантов и частных инвестиций, отвечая перед бюджетом научными статьями и подготовкой кадров, а перед инвестором — готовым продуктом. Именно такая схема работы научных учреждений США — с переносом научных знаний в практическую плоскость через небольшие инновационные компании, живущие вокруг этих учреждений, — подняла как на дрожжах инновационную систему всей Америки. Алан Хигер продал UNIAX компании DuPont, которая позже создала на ее базе подразделение DuPont Displays. Произошло это до всяких катаклизмов, связанных с падением на NASDAQ, и, по слухам, Хигер получил около 100 млн долларов.

Сеул—Лозанна—Питер

Разобравшись со светодиодами, Андрей Алешин решил поработать над горячей темой полевых полимерных транзисторов. Корейский профессор Юнг Ву Пак из Сеульского национального университета давно приглашал Алешина поработать в этом направлении у него. Когда в Сеульском медицинском центре подвернулось место и для жены, Алешин незамедлительно отправился в Южную Корею.

Не успел Алешин обосноваться в Сеуле, как ему снова пришлось сменить место прописки — на этот раз его ждали в Швейцарии. Дело в том, что в престижных журналах Nature и Science появилась серия публикаций Хенрика Шона — ученого, работавшего на американскую компанию Bell Labs, в которых описывались приборы на основе молекулярных кристаллов и даже полимеров с почти идеальными параметрами. Мало того, при приложении достаточно большого электрического поля к рабочему каналу транзистора, выполненного из этих полимеров, при температурах 1,2–4,2К он переходил в сверхпроводящее состояние. Публикации взбудоражили знающую публику, потому что содержали описание результатов исследований, как минимум тянущих еще на одну Нобелевскую премию в области электропроводности полимеров. Таких удивительных эффектов до этого не достигал никто.

 pic_text1

«Мне было особенно удивительно читать эти работы, — говорит Алешин, — так как ранее в Санта-Барбаре уже измеряли параметры эти же полимеров при более низких температурах (до милликельвинов) и не обнаружили никаких следов сверхпроводимости». Не допускавший чужой нечистоплотности, Алешин начал мучиться вопросом: неужели во время исследований американского периода он что-то пропустил? Зная о работах Алешина, поискать разгадку этой проблемы его и пригласил профессор Либеро Зиппироли из Политехнического университета Лозанны. После первых же исследований реальных транзисторных структур в Лозанне, показавших, что их параметры существенно отличаются от бэллабовских, Алешин заявил, что нет оснований считать результаты, полученные в Bell Labs, правильными. Репутация Nature и Science была безупречна, любая публикация в этих журналах выходила после длительной процедуры научного рецензирования, так что предположение Алешина сначала вызвало среди коллег бурю эмоций, но зерно сомнения было посеяно, и в 2002 году всех поразило известие, что Американское физическое общество создало комиссию по проверке всех этих публикаций и признало их фальсификацией. Статьи отозвали, а Хенрика Шона уволили из Bell Labs и изгнали из науки, лишив докторской степени.

После швейцарской эпопеи Алешин опять возвращается в Сеул. Он исследует свойства квазиодномерных полимерных нанопроводов. Эта тема для органической наноэлектроники и поныне остается одной из самых острых, говорит Андрей Алешин, в основном из-за необходимости увеличения плотности транзисторов в интегральных схемах будущего, технология изготовления которых позволила бы обойти так называемый закон Мура, ставящий пределы минимализации традиционных микропроцессоров и, соответственно, ускорения их работы.

Алешин по результатам работы в Корее опубликовал в 2006 году в журнале Advanced Materials статью, вошедшую в десятку наиболее часто скачиваемых из интернета. Другим своим достижением Андрей Алешин считает то, что лаборатория, в которой он работал в Сеуле, получила статус национальной.

В Сеуле было много знакомых ученых из России. Вечерами за стаканчиком сёджу они обсуждали свою работу. Во время одной из таких посиделок с Андреем Барановым с химфака МГУ и Геннадием Паниным из Института твердого тела им пришла в голову идея добавить в полимер, разработанный Алешиным вместе с коллегами, наночастицы, с которыми возился Баранов. В результате получилась композитная пленка. Поизучав ее свойства, Алешин обнаружил эффект переключения цвета излучения под воздействием приложенного электрического поля (именно эти исследования легли в основу проекта, победившего на Конкурсе русских инноваций). «В чем фишка разработки?» — переспрашивает меня Алешин, видя мою стойкую неспособность разобраться в тонкостях полимерной оптоэлектроники, и очень аккуратно подбирает слова, объясняя суть открытия: — Новизна разрабатываемых нами структур в том, что они способны перестраивать длину волны излучения в широком диапазоне, а также переключаться в устойчивое состояние с фиксированной интенсивностью излучения, что делает возможной организацию более простых схемных решений для архитектуры светодиодных матриц. Мы создали композитный активный слой для органических светодиодов, который позволит получать от одного пиксела в полимерном дисплее излучение двух (например, зеленого и красного), а позже и более фиксированных цветов, переключая их электрическим полем». Андрей Алешин с коллегами объединил две передовые технологические платформы: технологию полимерных светоизлучающих диодов с технологией низкоразмерных неорганических наночастиц. Цель — получить полимерный светодиод-«светофор» с одним «глазом», который светит либо зеленым, либо красным цветом в зависимости от управляющего напряжения. По этой технологии можно получить и белый цвет.

Последствия применения этой технологии выглядели поистине революционно, белые полимерные светодиоды произведут революцию в освещении, о полимерных дисплеях и говорить нечего — представьте себе компьютерный дисплей, который легко сворачивается в трубочку. Андрей Алешин с наслаждением погрузился в работу. Однако вскоре университетское начальство намекнуло, что с этой темой ему неплохо бы уйти под какого-нибудь профессора. Алешину это не понравилось, и он в очередной раз поменял страну обитания — вернулся с женой на родину.

Алешин считает, что смена технологических укладов (а именно к этому ведет его разработка) — задача государственная и капиталоемкая. Однако, пока на самых высоких трибунах заявляют о миллиардах долларов, выделяемых на нанотехнологии, Алешин довольствуется премией Конкурса русских инноваций — миллионом рублей от Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Полимерное поколение

Проводящие полимеры относятся к новому поколению органических материалов, молекулы которых представляют собой одномерные цепочки. В молекуле полимера, способного проводить электрический ток, есть атомы углерода, соединенные попеременно двойными и одинарными связями. В каждой из этих связей имеется либо лишний электрон, либо вакансия — отсутствующий электрон. Когда к молекуле подсоединяются дополнительные атомы легирующей примеси, вакансии и электроны получают возможность двигаться в противоположных направлениях вдоль молекулы полимера — возникает электрический ток, и, меняя компоненты, можно менять свойства материала, например изготавливать полупроводниковые приборы. Ожидаемой сверхпроводимости достичь не удалось, но такие полимеры нашли широкое применение не только в науке, они вовсю используются в технике. Сейчас из них делают фотопленки, оконные стекла, светопропускаемость которых можно регулировать, полимерные покрытия экранов телевизоров и компьютерных дисплеев, которые не электризуются.

В прошлом году компании Samsung и Philips представили образцы дисплеев на полимерных светодиодах. Такие светодиоды уже активно применяются в солнечных батареях, дисплеях мобильных телефонов, небольших компьютеров и телевизоров. Благодаря развитию полимерной электроники компоненты электронных схем будут уменьшены до размеров отдельных молекул, что произведет революцию в вычислительной технике.