Навіть одне єдине волокно наноцелюлози може працювати запам'ятовуючим пристроєм.
Технологічний процес XXI століття можна відстежувати за поширенням інтернету. Якщо 20 років тому інтернет був «іграшкою» для порівняно невеликого числа людей, то в наш час він інтегрований майже в будь-яку сферу нашого життя. З розвитком смартфонів і бездротового зв'язку для виходу у всесвітню мережу більше не потрібні ні дроти, ні комп'ютери. Зараз ми входимо в епоху «інтернету всього»: передбачається, що мережа пошириться в наше повсякденне життя ще глибше, особливо в сфері міських пристосувань (до яких належать датчики руху, щільності трафіку та багато іншого) і медичної діагностики.
Особливо цікава в цьому плані «носибельна» електроніка: сенсори, які відстежують кров'яний тиск і/або рівень цукру в крові, пристрої для реабілітації, тощо. Однак активному розвитку подібних пристроїв заважають деякі технічні перешкоди. В принципі, зараз ми вже знаємо, як зробити електронний пристрій гнучким і прозорим, як забезпечити йому автономне харчування, як забезпечити ефективне зберігання і передачу даних, як зробити так, щоб все, з чого він складається, було по можливості органічним, екологічно чистим, дешевим і надійним - але все ж дуже небагато технології, які для цього використовуються, дозволяють говорити про масове виробництво.
Пристрої для зберігання інформації відіграють тут особливу роль. Наприклад, датчики, що стежать за станом здоров'я в режимі реального часу, повинні бути присутніми в мережі безперервно, інакше цінні дані пропадуть. Оскільки гарантувати постійну присутність сигналу неможливо, тут потрібна вбудована пам'ять, яка могла б «підстрахувати» пристрій і зберегти дані до наступного з'єднання до мережі. До пам'яті в даному випадку пред'являється серйозний список вимог: вона повинна бути легкою, маленькою, стабільною і по можливості енергонезалежною. Більш того, бажано щоб вона була екологічною, щоб після того, як гаджет відслужив свій термін, найпростішою і дешевою утилізацією було б просто викинути його в компост.
Один з багатообіцяючих матеріалів для таких пристроїв - так звана наноцелюлоза. Деревна маса подрібнюється до волокон товщиною близько 15-20 нанометрів, після чого її наносять на підкладку і висушують. Наноцелюлоза - і зроблена з неї наносумага - користуються підвищеною увагою серед винахідників мініатюрних пристроїв, оскільки це легко доступний і недорогий матеріал, який легко піддається повторній переробці і повністю розкладається. Що стосується фізичних властивостей, то нанозначення легко згинається, не дуже боїться води, прозора і має дуже гладку поверхню. На її основі вже роблять світлодіоди, трибоелектричні генератори (в яких електрика виробляється за рахунок сили тертя), сонячні панелі, тонкі резистори тощо.
Умберто Челано (Umberto Celano) і його колеги з Льовенського католицького університету та японських університетів Кюсю і Осакі розробили енергонезалежну наноцелюлозну пам'ять для медичних датчиків. Енергонезалежність - дуже важлива властивість: щоб зберегти записану інформацію, не потрібно витрачати енергію, що, звичайно, особливо актуально для тонкої «носибельної» електроніки.
Схема пам'яті з наноцелюлози показана на ілюстрації. Висока гладкість наносумаги, яка служить підкладкою для пам'яті, дозволяє мінімізувати кількість проводних матеріалів, оскільки шорсткість підкладки задає мінімальну товщину наступного шару, необхідну для його безперервності. Середня шорсткість нанобумаги становить близько 7 нанометрів, що на 2-3 порядку менше звичайного паперу.
На 30 мікрон нанобумаги наносять 100-нанометровий шар оксиду індія-олова (ITO) - провідного прозорого матеріалу, який служить електродом. Слідом поверхню електрода покривають резистивним шаром перемикання, що складається з наноцелюлози. Для цього водний розчин нановолокон целюлози крапля за краплею наносять на поверхню пристрою і дають воді випаруватися. У результаті виходить рівномірний шар товщиною близько 100 нм, властивості якого не залежать від розмірів пристрою. Така товщина дозволяє ізолювати ITO і верхні електроди один від одного, в той же час не вимагаючи високої напруги для перемикання. Останній шар складається зі срібних електродів для перемикання пам'яті. У результаті пристрій виходить не тільки тонким, але і прозорим (див. ілюстрацію) і на 99.3% складається з целюлози.
Як працює резистивна пам'ять? На неї подають локальну напругу, після чого опір на ділянці, яка була під напругою, змінюється і потім зчитується як 1 або 0 залежно від величини. У даному випадку при певній напрузі між електродами повинна змінитися опірність наноцелюлози. Дійсно, при досить високій напрузі (1,5 Вольт) первісна опірність знижується з 53 ГОм (Гіга = 109) до 63 Ом (стан з низькою опірністю, НС). Якщо докласти негативну напругу в -0,5 Вольт, пристрій повертається в стан з високою опірністю (ВС) близько 3 ГОм. Такий принцип роботи називається біполярним перемиканням, тобто для зміни опору потрібно прикладати напругу різної полярності.
Один з ключових параметрів для пам'яті - відношення опору між станами On/Off, в даному випадку між НС і ВС, яке становить близько 107. Таке високе співвідношення виходить завдяки високій опірності паперу з наноцелюлози. Що стосується енергонезалежності пам'яті, то ставлення між станами НС і ЗС зберігається протягом 104 секунд (близько 3 годин), притому напруга необхідна тільки для зчитування опору кожної ділянки. Це вважається достатнім для такого типу пам'яті.
Більш того, при різних значеннях сили струму під час перемикання реалізуються три різних стійких станів НС - іншими словами, пристрій може працювати як багаторівнева пам'ять, тим самим багаторазово збільшуючи щільність зберігання даних.
Автори роботи також перевірили масштабованість пам'яті - наскільки можна зменшити розмір такого пристрою. Вони помістили окреме волокно наноцелюлози на поверхню оксиду кремнію, вкритого тонким шаром срібла, і в якості другого електрода використовували кінчик зонда для атомно-силової мікроскопії. Виявилося, що поодиноке волокно веде себе так само, як і цілий «наноліст», і зберігає відношення між станами НС і ВС після двадцяти циклів перемикання. Повністю результати експериментів опубліковані в NPG Asia Materials.
Що ж до утилізації, то тут єдину проблему становлять срібні електроди, оскільки їх антибактеріальний ефект сповільнить процес біорозкладання целюлози. Правда, і проблемою-то це не назвеш: досить піддати пристрій ультразвуковому очищенню у воді, після чого він повністю розкладається в ґрунті за 26 днів. Тепер залишається тільки чекати, коли ж на ринок вийдуть медичні датчики з нанаперечною пам'яттю.