Każde urządzenie elektroniczne, jakie kiedykolwiek posiadałeś, ma tę samą, krytyczną słabość. Niezależnie od tego, czy jest to najnowszy smartfon, komputer pokładowy w nowoczesnym samochodzie, czy zaawansowany satelita krążący nad naszymi głowami, wszystkie one posiadają nienaruszalną barierę termiczną. Po przekroczeniu temperatury około 200 stopni Celsjusza standardowa elektronika zaczyna zawodzić, a jej struktury ulegają nieodwracalnemu uszkodzeniu. Przez dekady to ograniczenie było jednym z najbardziej uporczywych murów, przed którymi stawali inżynierowie. Teraz jednak zespół z University of Southern California (USC) ogłosił dokonanie, które może całkowicie zburzyć tę barierę i otworzyć nową erę w eksploracji kosmosu oraz przemyśle ciężkim.
W artykule opublikowanym na łamach prestiżowego czasopisma Science, naukowcy pod kierownictwem profesora Joshuy Yanga zaprezentowali nowy typ urządzenia pamięciowego, które pracowało stabilnie w temperaturze aż 700 stopni Celsjusza. Aby uświadomić sobie skalę tego osiągnięcia, warto przypomnieć, że jest to temperatura wyższa niż temperatura płynnej lawy. Co więcej, jest to wynik znacznie przekraczający warunki panujące na powierzchni Wenus, gdzie temperatura sięga 460–480 stopni Celsjusza. Dotychczas Wenus była „cmentarzyskiem” dla ziemskich lądowników – ekstremalne gorąco niszczyło ich elektronikę w ciągu zaledwie kilku godzin od lądowania.
Najbardziej fascynujące w badaniach zespołu z USC jest to, że granica 700 stopni wcale nie była limitem wytrzymałości samego urządzenia. Jak podkreślają badacze, była to po prostu maksymalna temperatura, jaką mogła wygenerować ich aparatura testowa. Podczas eksperymentów urządzenie nie wykazywało żadnych oznak awarii czy degradacji parametrów. „Można to nazwać rewolucją – to najlepsza pamięć wysokotemperaturowa, jaką kiedykolwiek zademonstrowano” – przyznaje z dumą profesor Joshua Yang.
Od Wenus po reaktory fuzji jądrowej
Możliwość tworzenia elektroniki odpornej na ekstremalne ciepło ma fundamentalne znaczenie dla przyszłości nauki. Agencje kosmiczne od lat poszukują rozwiązań, które pozwoliłyby na długofalowe misje na powierzchni Wenus czy Merkurego. Dotychczasowe próby wymagały ciężkich i energochłonnych systemów chłodzenia, które jedynie opóźniały nieuniknione. Nowa technologia pozwala marzyć o łazikach wenusjańskich, które będą pracować miesiącami, przesyłając dane z samego serca piekielnego krajobrazu tej planety.
Zastosowania nie ograniczają się jednak tylko do kosmosu. Na Ziemi technologia ta może zrewolucjonizować wiertnictwo geotermalne, gdzie czujniki muszą pracować w otoczeniu skał rozgrzanych do czerwoności. Jest to również kluczowe dla sektora energetycznego – w tym energetyki jądrowej i rozwijającej się technologii fuzji termojądrowej. Systemy sterowania znajdujące się w pobliżu komór reakcyjnych są narażone na niszczycielskie dawki ciepła, a nowa pamięć typu memrystor mogłaby zapewnić im niespotykaną dotąd trwałość i bezpieczeństwo.
Wolfram, tlenek hafnu i grafen
Serce wynalazku stanowi memrystor – komponent w skali nanometrycznej, który potrafi jednocześnie przechowywać informacje i wykonywać operacje obliczeniowe. Konstrukcyjnie można go porównać do miniaturowej „kanapki”: składa się z dwóch warstw elektrod oraz cienkiego, ceramicznego wypełnienia pomiędzy nimi. Kluczem do sukcesu okazał się dobór materiałów o najwyższej odporności termicznej.
Zespół wykorzystał wolfram – metal o najwyższej temperaturze topnienia spośród wszystkich pierwiastków – oraz ceramikę w postaci tlenku hafnu. Jednak to trzeci składnik, umieszczony u podstawy układu, okazał się decydujący: grafen. W konwencjonalnych urządzeniach wysoka temperatura powoduje, że atomy metalu z elektrod zaczynają powoli dryfować przez warstwę ceramiczną. Zjawisko to prowadzi do powstania „mostka” między elektrodami, co skutkuje zwarciem i trwałym uszkodzeniem układu. Grafen skutecznie powstrzymuje ten proces.
Dlaczego to działa?
Dzięki zastosowaniu zaawansowanej mikroskopii elektronowej oraz kwantowych symulacji komputerowych, naukowcy zrozumieli mechanizm, który stoi za trwałością ich wynalazku. Interakcja między grafenem a wolframem na poziomie atomowym przypomina zachowanie oleju i wody. Atomy wolframu, które próbują dryfować w stronę grafenu, nie znajdują na jego powierzchni żadnego punktu zaczepienia. Bez możliwości „zakotwiczenia się”, proces tworzenia zwarcia zostaje całkowicie zablokowany.
Co ciekawe, to epokowe odkrycie było dziełem przypadku. Zespół profesora Yanga pracował nad zupełnie innym typem urządzenia, gdy natknął się na niezwykłe właściwości tej konkretnej kombinacji materiałów. Przypadkowe odkrycie zostało następnie przekute w powtarzalną zasadę inżynieryjną, co stanowi milowy krok w rozwoju nanotechnologii. Choć droga od laboratoryjnego prototypu do gotowego produktu komercyjnego jest jeszcze długa, po raz pierwszy cel w postaci elektroniki odpornej na każde warunki jest wyraźnie widoczny na horyzoncie.