Гаджеты смогут ремонтировать сами себя: ученые нашли регенерирующий полупроводник

Израильские ученые открыли новое свойство кристаллов перовскита, которое в будущем позволит создать регенерирующие электронные устройства. Подробности исследования приводит издание Haaretz.

Группа физиков из Израильского технологического института (Техниона) во главе с доктором Йехонадавом Бекенштейном создала полупроводниковые кристаллы, которые могут чинить сами себя. Около пяти лет назад они обнаружили, что поврежденный перовскитовый солнечный элемент, находясь в темноте и при определенных условиях, восстанавливается самостоятельно и приобретенный дефект практически исчезает. Исследователи утверждают, что нашли способ заставить перовскиты, используемые в рабочей электронике, регенерировать.

Современную бытовую электронику приходится менять раз в несколько лет из-за ухудшения работы или физической поломки. Как объясняют ученые, это происходит из-за неминуемого износа материалов, которые со временем трескаются и теряют былые свойства. Исследователи утверждают, что производители скрывают этот факт от потребителей, к тому же многие детали не поддаются переработке для повторного использования.

"Бренды заявляют, что их продукт долговечен и что необходимость приобретать новые продукты связана с качественным обновлением программного обеспечения", — говорит доктор Бекенштейн. — "Однако дело в том, что материалы, из которых изготавливаются устройства, просто износились".

Исследователи по всему миру уже давно пытаются изобрести материалы, способные регенерировать подобно живым тканям. Команда Бекенштейна обратила внимание на галогенидные перовскиты — кристаллы, в которых происходит постоянное движение ионов (атомов, несущих электрический заряд), чего обычно не происходит в твердых материалах. Со временем эти частицы возвращаются к поврежденным участкам и сами устраняют дефекты, например, трещины. При этом процесс восстановления происходит естественным образом, ведь вещество пытается вернуться в первоначальную форму, когда атомы находятся в самом низком энергетическом состоянии.

"Мы выращивали в лаборатории очень маленькие кристаллы: от одной до десяти тысячных ширины человеческого волоса", — делится Бекенштейн.

Эти нанокристаллы впоследствии использовались для экспериментов, где применялся электронный микроскоп, излучающий сфокусированный пучок энергии способный проникнуть в их структуру. В результате ученые могли рассмотреть рисунок, который образовывали электроны, и детально изучать структуру материала. По словам исследователей, подобный опыт с большими кристаллами невозможен. Таким способом физики пытались определить процессы, влияющие на свойства перовскитов. Они заметили, что пучки энергии, поступающие от микроскопа, создавали в кристаллах дыры, которые вскоре перемещались от краев к центру, и поверхность кристалла оставалась целой.

Данное открытие стало подспорьем для модернизации кристалла, — ученые ввели в процесс органические молекулы, разместив их на поверхности кристалла. Затем органический слой убрали и оказалось, что кристалл не затягивал дыры внутрь, а как бы выталкивал наружу и таким образом восстановление шло изнутри.

"Есть различного рода дефекты, которые влияют на функциональность материалов, и в данном случае это был самый серьезный дефект — дыра, другими словами, часть материала просто отсутствовала. Мы обнаружили, что кристалл перовскита может вернуться в свое первоначальное, "здоровое" состояние, если мы сделаем так, чтобы дыра выталкивалась наружу", — поделился руководитель проекта.

Кроме высокой эффективности, перовскит обладает еще одним важным преимуществом — его достаточно просто сделать из дешевого раствора, тогда как кремниевые проводники необходимо кристаллизировать при высокой температуре, тратя большое количество энергии. К примеру, кремниевый солнечный элемент должен отработать три года, чтобы компенсировать ресурсы, вложенные в его создание. С другой стороны, свинец и перовскит, которые входят в состав солнечных элементов, растворяются в воде. Сотрудники Техниона утверждают, что модифицированные перовскиты не содержат токсичного свинца и подлежат вторичной переработке, после которой возвращаются в первичное состояние.

Профессор Дэн Орон из Научного института имени Вейцмана в Реховоте считает, что перовскиты станут частью новой технологии, используемой для производства солнечных элементов, а также, возможно, электроники и электрооптики, способной самостоятельно чинить себя. Такие материалы пригодится и там, где не так-то и просто заменить поврежденные детали, — например, в солнечных батареях космических спутников.