Zacznijmy od podstaw. Czym są nanostruktury?
Mówimy o materiałach, których rozmiar charakterystyczny, czyli grubość, długość bądź średnica, mieści się w zakresie nanometrów, czyli 10-9 m. To naprawdę bardzo mało. Dla porównania średnicę ludzkiego włosa mierzy się w setkach mikrometrów. Tak naprawdę znajdujemy się więc na poziomie niewiele wyższym niż molekularny i mówimy o strukturach składających się z zaledwie kilku czy najwyżej kilkudziesięciu warstw atomowych. To właśnie w nich uwidaczniają się tak zwane własności powierzchniowe rozmaitych substancji. Własności objętościowe, takie jak przewodnictwo elektryczne czy cieplne przy redukcji rozmiarów bardzo się zmieniają, a efekty powierzchniowe zaczynają dominować. Oznacza to więc, że nawet w dobrze znanych materiałach mogą pojawiać się zupełnie nowe właściwości fizyczne.
W czym to może być przydatne?
Zastosowań może być bardzo wiele. Przykładem mogą być tak zwane nanocząsteczki srebra, które obecnie stosowane są w lekach czy kosmetykach. Wykorzystuje się w nich efekty powierzchniowe do blokowania namnażania się bakterii. Chyba najsłynniejszym przykładem nanostruktury, która nie znalazła jednak na razie żadnego praktycznego zastosowania, jest grafen. Gdy ma grubość zaledwie jednej warstwy atomowej, uzyskuje bardzo dobre właściwości cieplne i mechaniczne oraz wspaniałe właściwości elektryczne.
Problemem jest to, że właściwości nanostruktur trzeba „upakować” do struktury, która z jednej strony ma być stabilna mechanicznie, a jednocześnie ma się nie niszczyć podczas codziennego użytkowania. Słowem: trzeba sprawić, by całość była stabilna i dawała pożytek. I to jest właśnie to, nad czym nadal prowadzimy badania podstawowe. Grafen został odkryty ponad dekadę temu, a nadal nie ma dla niego żadnego realnego zastosowania w przedmiotach codziennego użytku.
Czyli największym problemem nie jest samo stworzenie materiału, który będzie mieć wspaniałe właściwości, ale doprowadzenie go do takiego stanu, w którym będzie mógł wytrzymać kontakt z użytkownikiem?
Zgadza się. To jednak nie koniec, bo z jednej strony chcemy stworzyć materiał odporny na procesy chemiczne czy fizyczne, ale z drugiej musi on spełnić popularny ostatnio wymóg skończonego czasu życia urządzenia. To oznacza, że powinniśmy przewidzieć, czy ten stworzony przez nas materiał nie będzie toksyczny oraz że można go będzie po pewnym czasie recyklingować albo sam się rozpadnie. To właśnie jest paradoks: chcemy, żeby coś, co tworzymy, było stabilne, ale jednocześnie chcemy również móc to zniszczyć w sposób, który nie będzie szkodzić nam ani środowisku.
Andre Geim odkrył grafen, gdy bawił się taśmą klejącą i sadzą. Rozumiem jednak, że to nie jest standardowa procedura. W jaki sposób pracuje się nad nanostrukturami?
Metoda Geima była chałupnicza, ale często najbardziej niesamowite odkrycia pojawiają się zupełnie przypadkiem. Z doświadczenia wiem, że w wielu projektach zamiast tego, co sobie zaplanowaliśmy, efektem prac jest coś całkiem innego, ale jednocześnie wcale nie jest to mniej ciekawe. A jak się z pracuje nad nanostrukturami? Metody, takie jak spektroskopia laserowa, mikroskopia sił atomowych, mikroskopia elektronowa są narzędziami podstawowymi. Koncentrujemy się na spektroskopii laserowej, czyli badaniu, w jaki sposób światło oddziałuje z materią. Nasz zespół zajmuje się światłem w zakresie fal widzialnych, czyli kilkuset nanometrów, oraz bada obiekty, które mają rozmiary kilkuset nanometrów. W ten sposób jesteśmy w stanie dobrze poznawać zarówno ich właściwości mechaniczne, jak i cieplne.
Skoro jesteśmy przy własnościach cieplnych, jeden z pana najnowszych projektów skupiał się właśnie na tym, jak roznoszą się ciepło i dźwięk.
Dźwięk i ciepło trudno jest rozróżnić, kiedy się zajmujemy fizyką. Zasadnicza różnica między nimi polega na tym, że dźwięk niesie informację, a ciepło niekoniecznie. Dość powszechną wiedzą jest to, że światło to foton. Światło to jednak także fala elektromagnetyczna. Podobnie jest w przypadku dźwięku. Tutaj też mamy do czynienia z czymś, co nazywamy fononem – czyli kwantem pola akustycznego. Badając oddziaływanie foton–fonon, jesteśmy w stanie badać właściwości mechaniczne i przewodność cieplną.
W naszych badaniach skupiliśmy się na tym, żeby jak najlepiej manipulować przewodnością cieplną i zminimalizować ją. To bardzo poważny problem w inżynierii. Kontrola oraz transport ciepła są bowiem w dalszym ciągu w powijakach. Światło jesteśmy w stanie kontrolować, możemy na przykład zatrzymać je przy pomocy prostej płytki. Prąd jesteśmy w stanie zatrzymać przy pomocy materiałów, które go nie przewodzą czy w próżni. Natomiast w przypadku ciepła mamy ogromne problemy z jego zatrzymaniem. Nie pomaga nawet próżnia, choć eliminuje zjawisko konwekcji, czyli przenoszenia ciepła za pośrednictwem powietrza. Pozostaje jednak promieniowanie podczerwone, również będące nośnikiem ciepła. Celem naszego badania było maksymalne obniżenie przewodnictwa cieplnego przy zachowaniu przewodnictwa elektrycznego najbardziej podstawowego materiału w elektronice, czyli krzemu. Chcieliśmy zmodyfikować go tak, by dało się wykorzystać go do termoelektryki, czyli zamiany ciepła na prąd.
Udało się?
Okazało się, że bez wytworzenia próżni takie urządzenie po prostu nie będzie poprawnie działało, a konieczność umieszczenia urządzenia w próżni sprawiała, że jego budowa przestawała być opłacalna. Dochodząc do tego wniosku, niemal zarzuciliśmy prace. Okazało się jednak, że tak dobrze nauczyliśmy się kontrolować przepływ ciepła, że jesteśmy w stanie przy jego pomocy stworzyć układ logiczny – diodę cieplną, działającą na bardzo podobnej zasadzie do diody elektrycznej. Zasadnicza różnica jest taka, że ciepła nie da się całkowicie zatrzymać, więc nasz system nie jest zero-jedynkowy. Mimo to dobrze nadaje się do tworzenia układów logicznych i zastosowania w prostych układach scalonych.
Jak taka dioda cieplna mogłaby działać?
Wątpię, by nasze rozwiązanie udało się wykorzystać na przykład do masowej produkcji prądu, ale nasza dioda cieplna doskonale nadaje się do prostych czujników. Można je na przykład wykorzystywać w sklepach. Zdarzają się oszustwa polegające na tym, że produkty, które powinny być transportowane w temperaturze 8–10 st. C, przewożone są w temperaturze znacznie wyższej, a dopiero w sklepie towar wkłada się do lodówki. Z pomocą naszej diody cieplnej moglibyśmy stworzyć prosty czujnik, który nawet przy jednorazowym przekroczeniu pożądanej temperatury podczas transportu sprawi, że wbudowane w opakowanie związki chemiczne zmienią swoją barwę. Wystarczyłoby wbudować diodę w prosty układ scalony zawierający zbiornik zawierający barwnik. Podobny mechanizm można wbudować także na przykład w mierzące temperaturę ciała plastry czy bandaże, które przebarwieniem wskazywałyby, czy w którymś momencie normalna temperatura ciała została przekroczona.
To brzmi jak praktyczne zastosowanie diody cieplnej. Pan zajmuje się jednak nie tylko ciepłem, ale także światłem i ruchem.
To prawda. Nasz projekt, realizowany w ramach finansowanego z Funduszy Europejskich programu FIRST TEAM FNP, skupiał się na bezpośredniej zamianie światła na ruch. W ramach tego projektu szukaliśmy półprzewodnika, który będzie podobny do krzemu. Krzem ma dziwną właściwość – kiedy się go naświetla, zaczyna się kurczyć. W przypadku krzemu ta reakcja nie jest jednak silna. My szukaliśmy innego półprzewodnika, który miałby podobne właściwości. W tym celu sprawdzaliśmy, jak na światło reagują na przykład dwusiarczek molibdenu i dwuselenian molibdenu. Wykazywały ten efekt, ale robiły to dość słabo.
Kiedy jednak byłem na stażu w Instytucie Maxa Plancka do Badań nad Polimerami w Moguncji, dostałem do zbadania polidopaminę. To podobny do kleju polimer, który wytwarzają małże, by przytwierdzać się do skał. Polidopamina jest pochodną dopaminy, czyli tak zwanego hormonu szczęścia, ale ma od niej zupełnie inne właściwości. Doskonale absorbuje światło, bardzo dobrze się klei i jest superhydrofilowa, czyli bardzo lubi wodę. Okazało się, że polidopamina kurczy się pod wpływem naświetlania. Nie tylko absorbuje światło, które przekształca w ciepło, ale również rosnąca temperatura sprawia, że z jej warstwowej struktury wyrzucane są względnie ogromne ilości wody. Gdy jednak światło gaśnie, a struktura stygnie, woda znów jest automatycznie z powrotem pochłaniana. Możemy sobie wyobrazić, że koszulka wykonana z polidopaminy po praniu kurczy się. Wystarczyłoby jednak dodać wodę, żeby powróciła do swoich oryginalnych rozmiarów.
Dlaczego to takie ważne?
To jak spełnienie marzeń o konwersji energii. Dziś jednym z naszych zasadniczych problemów jest to, że podczas zamiany jednego rodzaju energii na inny dochodzi do strat i nie da się tego obejść bez łamania praw termodynamiki. Na przykład zamiana światła słonecznego na ruch odbywa się dziś dwuprocesowo, czyli najpierw prąd musi zostać uzyskany ze światła, a następnie ten prąd jest zamieniany na ruch. Na każdym etapie tracimy energię, a przez to cały proces staje się mniej efektywny. W przypadku polidopaminy jesteśmy w stanie zamienić światło bezpośrednio na ruch i to bez konieczności wykonywania jakichkolwiek pośrednich działań, a do tego możemy to zrobić zdalnie. Można ten efekt wykorzystać na przykład do tworzenia mikromanipulatorów, które byłyby w stanie działać z ogromnymi prędkościami, z czasami reakcji ograniczającymi się do rzędu mikrosekund, czyli w czasie niezauważalnym dla ludzkiego oka. To może znaleźć wiele potencjalnych zastosowań.
Ważnym aspektem naszych badań jest również to, że mamy coraz większy problem z dostępem do wysokiej jakości krzemu, który stanowi podstawę całej naszej elektroniki. Niedawne kryzysy półprzewodnikowe pokazały, że choć krzem jest jednym z najpowszechniej występujących na Ziemi pierwiastków, to znalezienie krzemu o jakości odpowiedniej dla potrzeb elektroniki staje się coraz trudniejsze. Znalezienie materiałów o podobnych do niego własnościach może więc w najbliższych latach stać się bardzo istotne. I tu także, jak sądzę, wyniki naszych badań mogą przynieść bardzo ciekawe zastosowania.
Więcej o najnowszych wynikach badań z polskich laboratoriów w publikacji pt. „Nauka w czasach przemian. Jak badania finansowane z Funduszy Europejskich pomagają chronić nas przed globalnymi zagrożeniami i wykorzystywać historyczne szanse”: www.fnp.org.pl.
***
Dr hab. Bartłomiej Graczykowski, prof. UAM, jest fizykiem. Pracuje w Zakładzie Biofizyki Molekularnej na Wydziale Fizyki UAM. Zajmuje się wytwarzaniem i badaniem nanomateriałów funkcjonalnych.
***
Programy HOMING i FIRST TEAM są realizowane przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej ze środków UE pochodzących z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój, oś IV: Zwiększenie potencjału naukowo-badawczego, Działanie 4.4 Zwiększanie potencjału kadrowego sektora B+R.