Совместить несовместимое

Биоэлектроника объединяет живое с неживым

Удачной считает нынешнюю весну член-корреспондент РАН Сергей Пономаренко. Исполнился год, как его избрали директором Института синтетических полимерных материалов им. Н.С.Ениколопова РАН. Заметим, что пришел он сюда еще в начале 90-х, будучи студентом химфака МГУ. Здесь готовил диплом и кандидатскую. В начале 2000-х перешел в ИСПМ, позже возглавил новую лабораторию функциональных материалов для органической электроники и фотоники. Всего месяц назад лаборатория, ей по-прежнему руководит С.Пономаренко, выиграла большой грант Российского научного фонда как лаборатория мирового уровня. Таких грантов совсем немного, и по объемам финансирования они значительно превосходят обычные.

Грант финансирует создание новых функциональных материалов для биосовместимой органической электроники и робототехники, — объясняет Сергей Анатольевич. — Это перспективное, бурно развивающееся направление науки и техники — главная тема наших исследований. Мы разрабатываем ее больше десяти лет, и сегодня нам удалось совместить, казалось бы, несовместимое: органику и электронику. Еще в XIX веке химики доказали: органику можно синтезировать и из неживого — скажем, углерода и воды — получив в результате химических реакций органические соединения. Мы привыкли, что органические, в том числе полимерные вещества — это диэлектрики (изоляторы), которые не проводят электрический ток. А оказалось, что из таких легких элементов, как углерод, водород, кислород, азот и сера, можно синтезировать вещества, по своим свойствам (проводимости, взаимодействию со светом) являющиеся полупроводниками или даже проводниками. Такими качествами обладают так называемые сопряженные органические олигомеры и полимеры. Необыкновенную особенность олигомеров — молекул в виде цепочки из небольшого числа одинаковых или разных повторяющихся звеньев — используют при создании новой органической электроники — легкой, гибкой, прозрачной.
Открыли полимерные проводники в 70-х годах ХХ века случайно: при полимеризации ацетилена аспирант по ошибке взял в 1000 раз больше катализатора, чем нужно, и получил полимерную пленку с металлическим блеском. Так создание органических полимеров с металлической проводимостью стало одной из наиболее перспективных областей науки и техники. В дальнейшем оказалось, что если вместо металлических электродов использовать органические проводники, то организм человека их не отторгает: открылось ценнейшее качество нового материала — биосовместимость. Это позволяет совмещать подобную электронику с живыми системами, разрабатывать так называемые «умные материалы».

Какие возможности это открывает?

Биоэлектроника изучает процессы, происходящие в организме человека, скажем, сигналы мозга, возникающие в процессе его работы, и помогает устранять некоторые нарушения при повреждении спинного мозга с помощью электродов с органическими проводниками. Эту особенность итальянские ученые используют для восстановления потерянных в результате травмы сигналов между нейронами. На основе биосовместимых систем можно создавать ни больше ни меньше протезы для глаз. Их делают из некоторых органических полупроводников, вживляют в сетчатку — и слепой глаз начинает видеть. Конечно, пока такие эксперименты проводят на животных, но перспективность этих исследований основывается на создании подобных протезов для человека. Поэтому биологическое направление органической электроники становится сегодня необычайно популярным.
Наша лаборатория ведет междисциплинарные фундаментальные исследования на стыке химии, физики и электроники. Изучает свойства самых разных органических веществ, олигомеров и полимеров на молекулярном уровне, синтезируем наиболее перспективные и применяем в различных устройствах органической электроники. Вместе с физиками из МГУ, например, доказали (статья об этом вышла в Advanced Functional Materials — с обложкой, посвященной нашей работе), что оптические свойства различных монокристаллов органических полупроводников определяются малейшими примесями, образующимися в процессе синтеза. Мы назвали такой процесс «молекулярным самодопированием» и научились им управлять.

Как эти фундаментальные исследования можно использовать на практике?

Новые материалы позволяют разрабатывать различные сенсоры, отражающие изменения внешний условий, например, улавливающие малейшие концентрации вредных газов, сероводорода и аммиака, когда человек еще не чувствует их резкого запаха, нечто вроде очень чувствительного «электронного носа», и недавно получили на него патент. Наш сенсор в разы меньше существующих аналогов, работает при комнатной температуре, к тому же потребляет очень мало электроэнергии. Использовать его можно на производстве и в быту, а в перспективе — в Интернете вещей (подключенных к общей вычислительной сети различных датчиков, других устройств, способных взаимодействовать между собой и с внешним окружением без вмешательства человека). Отмечу, что журнал «Популярная механика» вместе с Роспатентом выбрал нашу разработку в качестве «патента недели» и посвятил этому небольшую статью.
По аналогии с этой разработкой на основе наших материалов планируем создать и «электронный язык» — матрицу химических сенсоров, определяющих примеси различных химических и биологических соединений в водных растворах. Например, маркеров заболеваний для использования в медицинской диагностике. А матрицу оптических сенсоров — фотодиодов — можно также изготовить на основе органических полупроводников. Их планируется использовать для разработки «электронного глаза» (моделирующего работу человеческого глаза), а в перспективе для создания соответствующих протезов для слепых людей.
Так открываются возможности производить всевозможные «запасные части» для человека. В первую очередь, протезы, меняющие свою форму под влиянием внешних воздействий, например, электрического тока. В идеале при приложении электрического напряжения они смогут моделировать движения руки или мелкую моторику пальцев. А если разработать еще и интерфейс, позволяющий преобразовывать сигналы человеческого мозга в электрические импульсы, то открываются перспективы создания протезов, управляемых силой мысли. И здесь опять помогает органическая биоэлектроника: она позволяет перевести язык жизнедеятельности организма человека, основанный на изменении концентрации различных молекул или ионов, на язык электроники, основанный на электрических импульсах.
В последнее время появились тренажеры, например, экзоскелеты, помогающие пережившим инсульт больным ходить и тренировать онемевшие руки. Сегодня экзоскелетами управляют электромоторы, но можно сделать «шаг в сторону» и переключиться на «мягкую робототехнику», основанную на так называемых актюаторах — полимерных материалах, изменяющих свою форму под влиянием внешних воздействий: света, электрического тока, температуры и т.д. Пока создание подобных человеку роботов сдерживают недостаточно эффективные материалы, используемые в актюаторах. Так разработка новых материалов, которые позволят преодолеть ограничения, стала основной целью гранта. А чрезвычайно перспективное направление, назовем его «живая электроника», открывает огромные возможности для создания новых «умных материалов» и устройств, облегчающих жизнь человека.

Вернемся к гранту. Что означает мировой уровень применительно к вашей лаборатории? Каким требованиям она должна отвечать?

Прежде всего, по количеству и уровню статей в ведущих зарубежных изданиях. Мы обязаны опубликовать не менее 50 за четыре года. Подчеркну, что фонд придает значение их качеству и одна публикация в ведущем научном журнале из так называемого первого квартиля засчитывается за две. Это позволяет не гнаться за количеством в ущерб качеству материалов. Еще одно условие — наличие патентов, и с этим проблем нет. У нас даже есть три стартапа — малых инновационных предприятия, созданных для внедрения собственных разработок. Кроме того, каждый год нужно организовывать школу для молодых ученых по тематике проекта. И здесь все в порядке: с 2014 года мы ежегодно проводим международную школу по органической электронике. Уже приглашены ведущие лекторы, завершается прием тезисов на V Международную школу-конференцию по органической электронике IFSOE-2019: по традиции она пройдет в третью неделю сентября в Подмосковье.
Едва ли не самое важное и трудновыполнимое условие — результаты наших исследований должны быть востребованы отечественными производителями, готовыми софинансировать проект. Мы и эту задачу решили: нашли серьезного промышленного партнера — ПАО «Сибур-холдинг» — ведущую нефтехимическую компанию России, производителя базовых полимеров, заинтересованного в разработке перспективных материалов для индустрии будущего. Общепринятой практикой для лабораторий мирового уровня является взаимодействие с зарубежными коллегами, а также приглашение постдоков из других лабораторий. Для этого в рамках проекта запланировано сотрудничество с очень сильными итальянскими профессорами из Университета Феррары. Они ведут исследования в области органической биоэлектроники и нейрофизиологии. К работе по гранту привлекаем сотрудников других лабораторий института, провели открытый конкурс на три позиции постдоков (молодых научных сотрудников не старше 35 лет). В результате над проектом будут работать 30 исследователей, больше половины из них — молодежь, включая аспирантов и студентов старших курсов.

Средства гранта вы только получили. Как решили ими распорядиться?

Помимо денег на зарплату, расходные материалы и командировки примерно четверть суммы планируем каждый год использовать на закупку оборудования, что позволит существенно обновить приборный парк лаборатории. Не скажу, что работа над проектом сильно изменит наши рабочие планы: мы уже много лет занимаемся органической электроникой, есть существенный научный задел и отличный коллектив, большую часть которого составляет молодежь. Рассчитываем, что за первые четыре года действия гранта (в случае успеха его можно будет продлить еще на три года) из наших «умных», меняющих форму гибких материалов сделаем действующий прототип руки, который в перспективе найдет применение в медицине и робототехнике, а также элементы искусственного глаза. В области техники существенно продвинемся в создании «электронного носа», других всевозможных сенсоров. Создадим своего рода «электронную кожу», из которой можно будет «конструировать» человекоподобных роботов. Их руки смогут не просто захватывать, скажем, деталь, а мягко ее брать. Планы большие, хватит на много лет.

Беседовал Юрий ДРИЗЕ