Элементы прорыва
Какие металлы принимают самое активное участие в развитии передовых технологий
У любого революционного продукта две составляющие: уникальная идея и доступные для ее реализации ресурсы, в том числе — сырьевые. В этой статье мы разберем современные технологии в контексте их зависимости от определенных материалов.
Микросхемы под микроскопом
Крупнейшие передовые страны давно ведут перечни элементов, критически важных для процветания своих экономик. Так, в списке США 35 позиций, в реестре ЕС — более 30. Основную часть в обоих случаях составляют редкоземельные элементы (РЗЭ) и металлы платиновой группы. Среди компонентов, без которых невозможно развитие телекоммуникационной отрасли, а также робототехники, производства дронов и 3D-печати, наиболее часто упоминаются магний, германий, галлий и редкоземельные элементы, прежде всего скандий.
Отдельная сфера — изготовление полупроводниковых пластин, на которые устанавливаются транзисторы, процессоры, чипы и другие компоненты современной электроники. Сегодня в основании микросхем применяются соединения на основе кремния, галлия, цинка и алюминия.
Пластины выпускаются специализированными компаниями из Азии. Среди крупнейших можно выделить японские Shin-Etsu Chemical Co, Sumco Corp. и тайваньскую Globalwafers. Пластины для полупроводниковой индустрии также изготавливают немецкая Siltronic AG, корейская SK Siltron и другие непубличные компании из Китая, Финляндии, Франции и США.
Галлий широко применяется в микроэлектронике, 5G и IoT-чипах, о чем мы поговорим чуть позже. В процессе монтажа транзисторов на микросхемы задействованы никель, хром, золото, германий, медь, серебро, тантал. На все эти металлы приходится не более 0,5% общей массы чипа.
Отдельного внимания заслуживает тренд на повышение вычислительных мощностей за счет квантовых компьютеров. Ученые экспериментируют с методами создания эффективных и стабильных кубитов, базовых информационных блоков квантовых мощностей. Так, предлагается использовать свойства сверхпроводимости алюминия и ниобия при низких температурах, а технология захвата ионов базируется на использовании заряженных атомов редкоземельного элемента иттербия.
Проектированием новых сверхмощных компьютеров занимаются многие международные компании: IBM (IBM), NVIDIA (NVDA), Amazon (AMZN), Alphabet (GOOG) и Baidu (BIDU). Более того, к квантовой гонке присоединились и небольшие стартапы, такие как Alpine Quantum Technologies и Atom Computing. Ряд проектов уже активно используют новый подход в конкретных отраслях, например в фармакологии, при производстве вакцин и лекарств.
«Квантовые вычисления сегодня позволяют существенно сократить сроки изготовления новых лекарств и одновременно качественно изменить их профиль», — считает Шахар Кейнан, основательница и глава компании POLARISqb по разработке препаратов, адаптированных к конкретным белкам для эффективной терапии.
На связи
Важным технологическим трендом, который кардинально изменит наш мир в ближайшие годы, станет развертывание сетей 5G/6G и сопутствующее этому развитие интернета вещей (IoT). Как мы упоминали ранее, для оборудования, обеспечивающего связь самых передовых стандартов, в первую очередь необходимы галлий и его соединения — нитрид* и арсенид**.
*Нитрид — соединение азота с некоторыми металлами и неметаллами
**Арсенид — соединение мышьяка с металлами
Уже сейчас такие компании, как Qorvo (QRVO) и NXP Semiconductors (NXPI), предлагают своим клиентам чипы с нитридом галлия для базовых станций 5G/6G. Спрос на этот металл с годами будет только расти.
В своем уме
Другого феноменального прорыва стоит ждать от индустрии мозговых имплантов с компьютерными интерфейсами (Brain-Computer-Interface, BCI). Самой известной компанией в этой сфере является Neuralink Илона Маска, разрабатывающая нейроимпланты. Среди ее конкурентов отметим проект Precision Neuroscience.
В конце января 2024 года компания Маска впервые в истории вживила чип в мозг человека и сейчас анализирует результаты. Как ожидается, это устройство позволит вернуть полноценную жизнь миллионам людей с нарушенными функциями головного мозга.
Хотя технологические подходы Neuralink и ее конкурентов во многом отличаются, их объединяет потребность в определенных металлах — золоте или платине, ключевых элементах в производстве нейроинтерфейсов. Наконец, при установке импланта Neuralink используется сверхточный хирургический робот с вольфрам-рениевыми скальпелями.
Важным трендом последних лет также является развитие индустрии дополненной и виртуальной реальности и связанных с ней устройств. По оценкам аналитического агентства IDC, в 2023–2027 годах производство гарнитур будет в среднем ежегодно расти на 37% и к 2027-му достигнет 28,6 млн устройств. В этом году на рынок таких гаджетов вышла и сама Apple со своей гарнитурой Vision Pro. Согласно официальной информации, представленной на сайте компании, в производстве этих девайсов задействованы переработанные золото, алюминий и редкоземельные элементы.
Время роботов и ракет
От имплантов перейдем к «человекозаменителям» — промышленным и военным роботам, а также андроидам, способным выполнять некоторые человеческие функции. Создание этих машин, особенно гуманоидных, основано на использовании множества технологий и требует массы специализированных материалов. В сложных электрооптических и сенсорных системах применяют бериллий, галлий, индий. Алюминий, железо, титан и другие металлы служат основой сплавов и покрытий для твердых составных компонентов. Без РЗМ невозможно изготовление широкого спектра комплектующих — от постоянных магнитов до микросхем.
Напоследок обратим свои взоры в небо, где помимо самолетов и вертолетов все чаще можно увидеть дроны, а в космос запускается все больше ракет и спутников. Алюминий и титан играют ключевую роль в конструировании летательных аппаратов, а перечень других востребованных элементов почти совпадает с тем, что мы уже обсуждали выше в случае с роботами. Но есть в этой отрасли и своя специфика. Например, критически необходимым материалом для космической индустрии стало золото. Драгметалл используется во внешней обшивке спутников, в оптических системах, электронике и даже в покрытии скафандров астронавтов, хотя его общее содержание в космическом оборудовании все равно остается крайне малым относительно других элементов. В состав компонентов внутренних систем, не подверженных прямому воздействию внешней среды, входят серебро, платина и медь. Наконец, в современном ракетостроении применяется редкий и дорогостоящий ниобий — как элемент сплава, из которого сделаны сопла и двигатели кораблей Falcon 9 от SpaceX.
Важный компонент
Технологический прогресс неразрывно связан с использованием огромного количества разнообразных элементов. И для производства мощной вычислительной системы, и для AR/VR-гарнитур, и тем более для космического аппарата необходим самый широкий спектр материалов, хотя некоторые элементы задействованы в микроскопических количествах. Без доступа к ним национальные экономики рискуют проиграть в глобальной конкурентной борьбе.
