В научной лаборатории работа не заканчивается, когда эксперимент удается. Полученный результат еще нужно воспроизвести, превратить в устройство и проверить, будет ли оно работать за пределами исследовательского стенда. В МФТИ этот путь проходят сразу несколько разработок — от сенсоров, способных обнаруживать отдельные молекулы, до оптических элементов для терагерцового диапазона и энергонезависимой памяти на основе оксида гафния.
«Компьютерра» вновь побывала в лабораториях института, чтобы поговорить с исследователями о том, что изменилось со времени предыдущего визита и как они решают инженерные и организационные задачи, связанные с разработками.
МФТИ и призрак Элизабет Холмс
Сергей Новиков, заведующий лабораторией контролируемых оптических наноструктур МФТИ, в прошлый раз рассказывал «Компьютерре» о сенсорах на основе гигантского комбинационного рассеяния. Тогда разговор шел о возможных сценариях применения технологии, от медицинской диагностики до обнаружения отдельных веществ. Теперь ученый подробнее говорит о работе с клиниками, требованиях врачей и стоимости подготовки опытной партии устройств.
В основе разработки лежит метод комбинационного рассеяния света. Когда свет взаимодействует с молекулами вещества, часть рассеянного излучения меняет частоту. Характер этих изменений зависит от молекулярного состава образца, поэтому полученный спектр можно использовать для идентификации веществ. В сочетании со специальными наноструктурами из благородных металлов сигнал удается значительно усилить, что позволяет обнаруживать очень малые количества исследуемого вещества.
Новиков приводит примеры применения технологии. Это может быть анализатор веществ в аэропорту, в фармацевтических предприятиях и бытовые устройства для контроля состояния организма. Сейчас основной интерес связан с медициной, в частности с ситуациями, когда врачам необходимо быстро получить сведения о состоянии пациента. В реанимации иногда нет возможности ждать несколько часов, пока будут готовы результаты стандартных анализов. Если сенсор позволит оперативно определить наличие нескольких важных веществ, он может помочь принять решение о лечении.
По его словам, для некоторых клинических сценариев даже двух-трех показателей может оказаться достаточно, чтобы существенно повлиять на решение врача.
«В реанимации решение нужно принимать буквально за минуты, и здесь даже двух-трех показателей может оказаться достаточно, чтобы существенно повлиять на то, что врач будет вводить пациенту».
Сергей Новиков, заведующий лабораторией контролируемых оптических наноструктур МФТИ
В разговоре о медицинских сенсорах неизбежно возникает история Элизабет Холмс и компании Theranos. Стартап обещал проводить множество анализов по нескольким каплям крови, однако заявленные возможности технологии не соответствовали действительности. Сходство с разработкой МФТИ ограничивается общей идеей быстрой диагностики. В остальном принципиально важны различия между обещанием универсального анализатора и устройством, рассчитанным на обнаружение конкретных веществ.
Новиков не предлагает заменить все лабораторные исследования одним прибором. Поверхность сенсора функционализируют так, чтобы она взаимодействовала с определенными молекулами. Один канал предназначен для выявления конкретного аналита, то есть исследуемого вещества. При этом система может объединять несколько каналов и анализировать смесь компонентов. По словам ученого, в зависимости от конфигурации речь идет о шести-двадцати компонентах, а несколько сенсоров позволяют расширить набор определяемых веществ.
Однако физическая возможность обнаружить молекулу еще не означает, что готовое устройство можно сразу использовать в больнице. Для этого необходимы опытная партия, проверка характеристик и испытания в реальных условиях. Новиков оценивает затраты на подготовку такой партии примерно в 30 млн рублей с учетом работы сотрудников и обучения. Одним из препятствий остается организация производства, поскольку изготовителям невыгодно выпускать небольшое количество сложных изделий, а без масштабирования трудно снизить стоимость каждого сенсора.
У лаборатории уже есть договоренности с медицинскими организациями. В качестве одного из ориентиров Новиков называет конец следующего года, когда команда рассчитывает перейти к клиническим испытаниям и дальнейшей проверке технологии. Для обучения алгоритмов распознавания также нужны данные пациентов, полученные с их согласия. Без достоверной информации о том, какие вещества присутствовали в образце, невозможно надежно связать сигнал сенсора с конкретным препаратом.
Отдельный интерес представляют случаи, когда врачу необходимо установить, принимал ли человек определенное лекарство. По словам Новикова, такой запрос возник в том числе в связи с контролем употребления успокоительных и антистрессовых препаратов. Для экстренной медицины подобная информация тоже может иметь значение, поскольку позволяет быстрее уточнить возможную причину состояния пациента.
Массовые устройства для контроля здоровья остаются еще одним направлением развития. Здесь ученые видят разницу между приборами, которые должны пройти медицинскую сертификацию, и устройствами рекомендательного характера. Вторые могли бы сообщать пользователю определенные показатели, не претендуя на полноценную диагностику. Но даже при таком подходе до массового применения необходимо проверить точность измерений и определить, какие выводы действительно можно делать на основании полученных данных.
История Theranos в этом контексте служит напоминанием о том, почему обещания в медицинской диагностике необходимо отделять от доказанных возможностей. В МФТИ пока говорят об опытных образцах, ограниченном наборе веществ и предстоящих испытаниях. Именно эти ограничения позволяют понять, на каком этапе находится разработка и что еще нужно сделать, прежде чем она сможет попасть к врачам.
Мария Бурданова и терагерцовый разрыв
В лаборатории нанооптики и плазмоники Мария Бурданова, старший научный сотрудник МФТИ, занимается терагерцовой спектроскопией наноматериалов. Это направление находится на стыке исследования новых материалов и внедрения этих материалов в разработки оптических элементов, необходимых для управления излучением. По словам научного сотрудника, долгое время терагерцовый диапазон оставался своеобразным пробелом между инфракрасной и микроволновой техникой. Источники и приемники для этой области было трудно создавать, а привычные решения из соседних диапазонов не всегда подходили для работы с такими частотами.
Коммерческие и импульсные терагерцовые источники появились сравнительно недавно, а специализированные приборы долгое время оставались редкостью. Сейчас лаборатория нанооптики и плазмоники, сотрудником которой является Мария Бурданова, развивает направление, в котором исследование характеристик материалов связано непосредственно с проектированием и проверкой оптических элементов.
Работа устроена как последовательный цикл. Сначала исследователи измеряют диэлектрические характеристики наноматериалов, затем передают данные коллегам, которые рассчитывают геометрию будущих элементов. После изготовления оптические элементы возвращаются в лабораторию для проверки. В последнее время к расчетам добавили машинное обучение, которое помогает подбирать геометрию под определенный диапазон частот и конкретную задачу.
Сейчас исследователи также экспериментируют с управлением терагерцового излучения при помощи электрохимического допирования, подавая напряжение на контакты. Терагерцовое излучение представляет собой переменное электрическое поле, взаимодействие которого с материалом зависит от его свойств, а именно от количества и поведения носителей заряда. Изменяя проводимость материала, ученые могут влиять на поглощение излучения и тем самым создавать перестраиваемые оптические элементы.
Необходимость таких разработок связана с нехваткой элементной базы для терагерцовой фотоники. В видимом диапазоне многие оптические компоненты давно стали стандартными, тогда как для терагерцовых систем аналогичные элементы приходится разрабатывать самостоятельно.
Терагерцовые технологии рассматривают и для исследования биологических объектов, создания новых систем связи, а также для разработки материалов, способных поглощать или отражать излучение с заданными характеристиками. Среди прикладных запросов есть и экранирующие материалы для специальных задач. В таких проектах важны не только поглощающие свойства вещества сами по себе, но и соотношение толщины, плотности и соответственно эффективности поглощения.
В лаборатории работают с углеродными нанотрубками, карбидом титана и графеном. По словам Бурдановой, пленки из нанотрубок, полученных методом аэрозольного синтеза в лаборатории Альберта Насибулина из Сколтеха, демонстрируют высокие показатели поглощения с учетом толщины и плотности материала. Результаты исследований опубликованы в научных статье и статьях, а их графические материалы используют для демонстрации достигнутых характеристик.
До массового выпуска подобных устройств пока далеко. Исследовательница отмечает, что изготовленные элементы остаются экспериментальными, а получение наноматериалов с заранее заданными характеристиками в больших объемах представляет собой отдельную технологическую задачу. Даже небольшие изменения длины нанотрубок или количества дефектов могут влиять на итоговые свойства материала.
Экспериментальная установка, используемая в работе, состоящая из лампы обратной волны (BWO), вспомогательной линзы и поляризатора (L и P), чоппера (C), исследуемого дифракционного элемента, например спиральной зонной пластины (SZP), и ячейки Голея (GS).
Таким образом, главная сложность здесь заключается не в поиске одного необычного материала, а в воспроизводимости его характеристик. Пока свойства наноматериалов трудно стабильно контролировать при масштабировании, лабораторные результаты не гарантируют, что аналогичное устройство удастся производить серийно. При этом исследователи уже получили патенты и продолжают развивать направление, сочетая фундаментальные исследования с разработкой конкретных элементов. Решение этой комплексной задачи требует междисциплинарного подхода и объединяет экспертов из МФТИ, ИТМО и Сколтеха.
Антон Ханес и память на оксиде гафния
Третье направление связано с разработкой сегнетоэлектрической памяти (FRAM или FeRAM). О нем рассказывает Антон Ханес, старший научный сотрудник лаборатории функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ. В отличие от предыдущих проектов, здесь исследователи пытаются создать элемент, который в перспективе может стать частью микросхемы памяти.
Задача состоит в том, чтобы объединить скорость оперативной памяти с возможностью сохранять данные без питания. Для вычислительных систем это позволило бы сократить время запуска, а для устройств, работающих в сложных условиях, например спутников, энергонезависимость и устойчивость к радиации могут оказаться особенно важными.
Первые разработки на основе сегнетоэлектриков появились еще в середине XX века, однако их широкое применение ограничивалось трудностями совместимости с технологическими процессами микроэлектроники и возможностями масштабирования. Ситуация изменилась после открытия сегнетоэлектрических свойств у материалов на основе оксида гафния, который уже использовался в микроэлектронных технологиях.
Сегнетоэлектрик можно условно сравнить с постоянным магнитом, только его состояние связано не с магнитным полем, а с электрической поляризацией. Это состояние можно переключать и считывать, используя его для хранения информации. При этом сам материал совместим с рядом технологических процессов, применяемых при производстве современных микросхем, что делает его перспективным кандидатом для новых типов памяти.
Потенциальные преимущества включают высокую скорость работы, сохранение данных без питания и возможность создавать небольшие элементы. Однако характеристики зависят от конкретной архитектуры ячейки. В одном варианте, где используется транзистор и конденсатор, считывание может приводить к изменению сохраненного состояния, которое приходится восстанавливать. В другом сегнетоэлектрик включают непосредственно в структуру транзистора, что позволяет организовать считывание иначе, но создает дополнительные технологические сложности.
Команда МФТИ рассматривает архитектуру, в которой запоминающий элемент располагается рядом с транзистором, а не интегрируется непосредственно в его затворную структуру. Подобные подходы известны в научной литературе, однако переход от экспериментов с отдельными элементами к полноценной микросхеме требует совместной работы с предприятиями микроэлектронной отрасли.
По словам Ханеса, проекту на момент разговора было чуть больше года. Исследователи уже получили результаты, подтверждающие принципиальную работоспособность выбранного решения, но для следующего этапа необходимы пластины с транзисторами и участие специализированных производственных организаций. Поэтому темп работы зависит не только от возможностей самой лаборатории.
В ближайшие год-два команда рассчитывает создать прототип микросхемы совместно с НИИ молекулярной электроники в Зеленограде (АО «НИИМЭ») и нижегородским НИИС измерительных систем имени Ю. Е. Седакова. Речь идет о тестовом образце небольшой емкости, который должен подтвердить работоспособность технологии и соответствие заявленным параметрам. В качестве ориентира исследователи называют 2027 год, но точные сроки дальнейшей коммерциализации пока определить невозможно.
Ханес не считает разработку собственной памяти бессмысленной даже с учетом отставания российской микроэлектроники от мировых лидеров. Он напоминает, что доступность зарубежных компонентов не гарантирована, а создание собственной технологической базы требует длительной работы. При этом роль МФТИ заключается прежде всего в научных исследованиях и подготовке решений, которые затем могут быть использованы предприятиями с необходимыми производственными мощностями.
Эта история хорошо показывает разницу между доказательством физического принципа и готовым изделием. Даже если отдельная ячейка работает так, как задумано, для создания памяти необходимо проверить ее характеристики в составе микросхемы, обеспечить воспроизводимость производства и подтвердить надежность. Поэтому ближайший этап проекта — не массовый выпуск, а получение тестового образца, который позволит оценить перспективы дальнейшей разработки.
Выводы
Три лаборатории МФТИ работают на разных участках пути от научного результата к прикладной технологии. Ни один из этих проектов нельзя считать завершенным продуктом, однако каждый уже вышел за рамки одной лишь теоретической идеи.
Главное препятствие возникает там, где лабораторный результат нужно превратить в воспроизводимое устройство. Для этого необходимы производственные партнеры, финансирование, испытания и понимание того, кто будет использовать разработку.
Именно поэтому перспективность технологии определяется не только тем, какой эффект удалось получить в эксперименте, но и тем, насколько последовательно команда способна решить задачи следующего этапа.
Читайте также: