Вообразите материал, из которого можно сделать окно, работающее как солнечная батарея, или накинуть на рюкзак чехол, заряжающий телефон во время похода. Звучит как научная фантастика, но это реальная разработка — органические солнечные элементы, или, проще говоря, гибкие и прозрачные батареи.

Ученые из Иллинойса сделали важный шаг к тому, чтобы такие штуки появились в магазинах. Проблема этих элементов в том, что в лаборатории они работают отлично, но стоит запустить их в производство — эффективность падает, и служат они недолго. Все дело в том, как молекулы укладываются в пленку во время печати, а этот процесс до сих пор был для инженеров чем-то вроде черного ящика.

Команда профессора Ин Диао решила заглянуть внутрь этого ящика. Оказывается, если печатать пленку медленно и дать растворителю спокойно испариться, молекулы не собираются в хаотичный ворох, а выстраиваются в аккуратные жидкие кристаллы. Это как если бы ты не скидывал одежду в кучу, а аккуратно развешивал в шкафу — и места больше, и вещи целее.

Когда молекулы собираются в такие кристаллы, материал становится прочнее и лучше проводит ток. Но самое интересное началось, когда ученые пошли дальше и заставили кристаллы закручиваться по-разному. Обычная жидкокристаллическая структура дала прирост эффективности на 20% и сделала батарею в три раза стабильнее. А вот когда сборка пошла по спирали, по часовой или против — результаты оказались просто космическими.

Подробности опубликованы в издании Advanced Materials.

По словам исследователей, спиральная упаковка молекул позволила добиться увеличения КПД на 56%, а срок службы вырос в 50 раз по сравнению с хаотичной сборкой. Почему? Потому что такая структура создает идеальные дорожки для электричества и защищает пленку от разрушения.

И что особенно важно, этот метод работает не только с каким-то одним материалом. Раз ученые поняли правило — «кристаллы лучше хаоса», — его можно применять к разным типам пластиков для солнечных батарей. Раньше никто толком не знал, что происходит в тот момент, когда капля чернил ложится на подложку и превращается в готовое устройство. Теперь занавес приподнят, и у инженеров появилась дорожная карта, как делать гибкие батареи не только красивыми в теории, но и надежными на практике.

Исследование впечатляет. До сих пор мы бились над химическим составом — меняли атомы в молекулах, подбирали сложные полимеры. Это как пытаться улучшить автомобиль, годами подбирая состав резины для шин. Диао и ее команда вместо этого посмотрели на рисунок протектора.

В реальной жизни это открывает дверь в мир, где энергия становится вездесущей и невидимой. Польза колоссальная.

• Первое — это логистика и выживание в условиях, где нет розеток. Армия, туристы, спасатели: палатка с вшитой пленкой, которая весит как пух, но питает рацию и навигатор.
• Второе — стройка и архитектура. Если спиральная сборка позволяет делать прозрачные пленки, которые не желтеют и не теряют свойства на солнце годами, мы получим небоскребы-электростанции. Окна работают, фасады работают, а ты этого даже не замечаешь.

Для науки же ценность в том, что мы наконец перешли от алхимии к инженерии. Мы нажали на кнопку «замедлить печать» и увидели, как природа сама собирает идеальную структуру. Это понимание даст толчок не только солнечным батареям, но и вообще печатной электронике — от гибких дисплеев до датчиков для одежды.

Безусловно, работа группы Диао дает соблазнительные цифры: рост стабильности в 50 раз. Но если смотреть на это глазами технолога на производстве, возникает ряд вопросов, которые авторы обходят стороной.

Главный из них — масштабируемость. Медленная печать отлично работает в лаборатории на образцах размером с почтовую марку. Но в промышленности рулонные технологии работают на скоростях метры в минуту. Заставить молекулы собираться в спираль на такой скорости и по всей ширине полотна — задача нетривиальная. То, что мы видим в лаборатории, может оказаться недостижимым в цеху из-за простой физики испарения.

Далее, смущает универсальность подхода. Авторы заявляют, что метод работает для разных материалов. Однако они не приводят убедительных данных, как спиральная упаковка поведет себя при реальных перепадах температур от -20 до +40, да еще и под ультрафиолетом. Увеличение стабильности в 50 раз — это впечатляюще, но 50 раз от чего? Если базовая линия хаотичной сборки — это неделя работы, то 50 недель — это все еще меньше двух лет. Для коммерческого продукта, который должен работать на крыше дома 10-15 лет, это пока даже не близко. Работа прекрасно объясняет физику процесса, но до коммерческой истории, о которой говорят авторы, нам все еще нужны мосты из новых материалов и технологий.

Ранее ученые нашли способ точно настроить самосборку молекул.