Medžiagos ir nanotechnologijos: Lietuvos mokslininkų pasiekimai
(0)
Analizuojant pasaulines medžiagų mokslo ir inžinerijos tendencijas, – jų kontekste pabandysime aptarti kai kuriuos Lietuvos mokslininkų pasiekimus šioje srityje. Dauguma Lietuvos mokslininkų atlieka tyrimus su elektroninėmis ir optinėmis medžiagomis, konstrukcinėmis medžiagomis, metalais ir lydiniais (dangos), tekstilės medžiagomis, polimerais ir kompozitais, popieriumi ir mediena.
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia
tik entuziazmo.
Tematika atspindi šių dienų realijas ir daug tyrimų atliekama apdirbamosios pramonės reikmėms. Antra vertus, dalis tyrimų yra orientuoti į rytdienos poreikius, yra inovatyvūs ir gerai dera su pasaulinėmis tendencijomis. Sprendžiant pagal tarptautines publikacijas, šie tyrimai yra konkurencingi tarptautiniu mastu.
Didžioji dauguma mokslininkų dirba universitetuose ar mokslo institutuose: Kauno technologijos universitete, Vilniaus universitete, Fizinių ir technologijos mokslų centre, Vilniaus Gedimino technikos universitete, Lietuvos edukologijos universitete, Lietuvos energetikos institute. Toliau pristatysime keletą skaitlingesnių padalinių, intensyviai dirbančių medžiagų mokslo srityje ir turinčių svarių pasiekimų.
Kauno technologijos universitete Medžiagų mokslo ir inžinerijos krypties moksliniai tyrimai atliekami Medžiagų mokslo institute, Matematikos ir gamtos mokslų, Mechanikos inžinerijos ir dizaino, Cheminės technologijos fakultetuose, Prof. K. Baršausko ultragarso institute, Mechatronikos mokslo, studijų ir informacijos centre, Mikrosistemų ir nanotechnologijų mokslo centre.
Kai kurie iš šių mokslo padalinių aprūpinti šiuolaikine aparatūra, leidžiančia atlikti aktualius tyrimus ir būti lygiaverčiais partneriais tarptautiniuose projektuose. Pastarųjų metų solidžios investicijos į mokslo infrastruktūrą leidžia tikėtis, kad šis bendradarbiavimas vis stiprės, o sukuriami mokslo rezultatai padės atsirasti naujoms verslo rūšims ir prisidės prie tolimesnės inovacijų plėtros.
Ypač svarus indėlis šioje srityje padarytas Kauno technologijos universitete, kur 2014 m. lapkričio 11 d. oficialiai buvo atidarytas ES struktūrinių fondų finansuotas „Santakos slėnis“. Jame įsikūrė KTU mokslo institutai ir kiti universiteto padaliniai, šiuo metu čia vyksta Atviros prieigos centro įkuriamieji darbai. „Santakos slėnyje“ pradėjo veikti ISO 5 klasės švarusis kambarys (žr. 1 pav.), kuriame įdiegta elektroninė litografija ir UV litografija, gilusis reaktyvusis joninis ėsdinimas, fizikinės plonų sluoksnių formavimo technologijos. Šios technologijos, kartu su skaitlinga šiuolaikine analitine aparatūra (rentgeno spindulių difrakcija, Ramano sklaidos spektroskopija, infraraudonųjų spindulių spektroskopija, spektroskopine elipsometrija, ultra sparčiosios kinetinės sugerties spektroskopija, atominių jėgų mikroskopija, skenuojančia elektronine mikroskopija, rentgeno spindulių dispersine energijos spektroskopija, rentgeno spindulių fotoelektronine spektroskopija ir t. t.), jau šiandien leidžia atlikti aktualius fundamentalius ir taikomuosius tyrimus.
Paminėsime keletą įdomių projektų, kuriuos finansuoja įvairios agentūros ir fondai, kurie susiję su naujais nanodalelių formavimo būdais ar originaliais jų taikymais.
Pastaruoju metu nanodalelės, jų dariniai bei nanokompozitai savo unikalių elektrinių, optinių ir kitų savybių dėka tampa aktualių tyrimų tema. Keičiant nanodalelių dydį, formą, išdėstymą bei terpę galima valdyti nanodalelių darinių, struktūrų ir nanomedžiagų savybes, kurios naudojamos biojutikliuose, heterogeniniuose katalizatoriuose, netiesinėje optikoje ir t.t.
Daugelyje šių taikymų naudojamas lokalizuotų paviršiaus plazmonų reiškinys, kuriam būdingas nanodalelių krūvininkų kolektyvinių svyravimų atsakas į krentančią spinduliuotę. Dažniausiai tokiems taikymams naudojamos tauriųjų metalų nanodalelės, kurioms būdingas plazmonų rezonansas, stebimas regimajame šviesos diapazone. Nanodalelės taip pat gali būti naudojamos Ramano sklaidos spektroskopijoje, kur plazmonų rezonanso dėka nanodalelių aplinkoje stebimas stiprus elektromagnetinis laukas, stiprinantis Ramano sklaidos signalą. Šis reiškinys naudojamas spektroskopijoje ir žinomas kaip Paviršiaus sustiprintos Ramano sklaidos spektroskopija.
Antra vertus, nuo nanodalelių erdvinės konfigūracijos stipriai priklauso jų lokalaus elektrinio lauko stiprinimo savybės, kurias netiesiogiai galima vertinti atliekant Paviršiaus sustiprintos Ramano sklaidos spektroskopijos matavimus. Paviršiaus lokalizuotų plazmonų rezonanso reiškinys naudojamas ir didinant puslaidininkinių struktūrų fotonašumą. Nustatyta, kad po plazmono suirimo generuojamos elektronų – skylių poros ir į puslaidininkio laidumo juostą injektuojami elektronai netgi ir tuomet, kai struktūra apšviečiama fotonais, kurių energija mažesnė už draustinės juostos plotį.
2. pav. parodytas tipiškas cheminiu būdu sintezuotų sidabro nanodalelių vaizdas. Įvairiems taikymams galima naudoti atsitiktinai išdėstytas nanodaleles (pvz., kaip parodyta 2. pav.) arba tvarkingai išdėstytus nanodalelių masyvus.
KTU MMI sukurtas įrenginys, leidžiantis manipuliuoti, t. y. tvarkingai išdėlioti nanodaleles į įvairias struktūras ir geometrines nanometrinių matmenų formas. Tam reikalingas koloidinis dalelių tirpalas ir nanokaukė, kuri gaminama naudojant elektroninę litografiją ir įvairius ėsdinimo metodus. Naudojant holografinę litografiją, nanometrines kaukių struktūras galima suformuoti dideliuose plotuose, siekiančiuose keletą kvadratinių centimetrų (3. pav.).
Tokios struktūros randa tiesioginį taikymą Ramano sklaidos spektroskopijoje bei kuriant įvairius jutiklius, kuriuose naudojamas plazmonų rezonansas. Suprantama, kad tokiems eksperimentams reikalinga ypatinga aplinka, kurioje yra minimalus dulkių kiekis, o oro temperatūra ir drėgmė yra tiksliai kontroliuojami. Sėkmingi eksperimentai galimi tik švariojo kambario sąlygomis.
Metalų (ir kitų medžiagų) nanodalelės gali būti ir skystoje (koloidinis tirpalas), ir kietoje terpėse (nanokompozitas). Antruoju atveju medžiagos savybes lemia abi komponentės – matrica ir nanodalelės. Šis principas naudojamas formuojant nanokompozitus plazminiais metodais ir vienas iš jų, kuris išvystytas KTU MMI, yra reaktyvusis magnetroninis nusodinimas.
Jo metu į magnetroną – prietaisą, kuriame naudojami elektrinis ir magnetinis laukas įvedamos angliavandenilių ir argono dujos. Naudojant taikinį, pagamintą iš sidabro, vario, aukso ar platinos, galima suformuoti plonus deimantiškosios anglies sluoksnius, kuriuose yra kontroliuojamos koncentracijos ir valdomos formos atitinkamų metalų nanodalelės.
Tokie sluoksniai buvo panaudoti kuriant inovatyvius pjezorezistyvinius jutiklius, jau pradėtus naudoti pramonėje. Derinant dviejų medžiagų savybes (metališkąjį nanodalelių ir puslaidininkinį deimantiškosios anglies elektrinį laidumą) pavyksta sukurti mechaninėms deformacijoms jautrius jutiklius, išvengiant jų savybių dreifo kintant aplinkos temperatūrai.
Toks nanokompozito sluoksnis taip pat pasižymi valdomomis ir unikaliomis optinėmis savybėmis (sugertimi tam tikrame bangų ilgių diapazone bei valdoma dielektrine skvarba) ir tampa ypatingai svarbiu veiksniu kuriant naujus optinius jutiklius. Tokių jutiklių pagrindas yra submikrometrinės struktūros, kurioms sukurti taip pat naudojamos plazminės technologijos.
Tik šiuo atveju plazma naudojama selektyviam medžiagos šalinimui pro technologinę kaukę, kuri suformuojama elektroninės, UV ar holografinės litografijos metodu. KTU MMI šiuo metu yra sukurta tokių jutiklių technologija, pagamintas įrenginys, sukurtas ir sukalibruotas kompleksinio lūžio rodiklio kinetikos matavimo maketas, skirtas biologinių terpių ir jose vykstančių sąveikų tyrimams realiu laiku (biojutiklis) bei sukurta tam reikalinga programinė įranga.
Tokie matavimai gali būti naudojami fizikinių, cheminių, biologinių procesų ir reakcijų kinetikos stebėsenai. Pavyzdžiui, naudojant klasikinius mikrobiologinius tyrimus, rezultatų laukiama 12–24 valandas, o naudojant optinius biojutiklius – informacija gaunama per keletą minučių, todėl dėl savo greito atsako ir skaitmeninio, kiekybinio matavimo rezultato jie yra patrauklūs ir perspektyvūs.
Sidabro nanodalelės be jau minėtų savybių pasižymi ir antimikrobinėmis savybėmis ir yra naudojamos kuriant naujus antibakterinius paviršius bei vaistines formas. KTU MMI mokslininkai tam naudoja cheminės sintezės metodus bei plazminius metodus. Plazminiais metodais nusodintos sidabru legiruotos nanokompozitinės deimanto tipo amorfinės anglies (DTA:Ag) dangos pasižymi antimikrobiniu poveikiu, kuris vertinamas atliekant mikrobiologinius testus laukiniams bakterijų izoliatams ir jų galimam poveikiui in-situ matavimams (tyrimai atliekami kartu su Lietuvos sveikatos mokslų universitetu).
Šie keli aprašyti tyrimų pavyzdžiai akivaizdžiai įrodo, kad tyrimai, atliekami Lietuvos mokslo laboratorijose gerai dera su pasaulinėmis tendencijomis. Verta paminėti, kad atliekamų darbų mokslinį lygį iliustruoja faktas, kad Lietuvos mokslininkų publikacijos, kuriose skelbiami nanotechnologijų srities tyrimų rezultatai, 2014 m. tris kartus pateko tarp Science Direct duomenų bazės 25 –ių skaitomiausių publikacijų.
Jeigu susidomėjote šiomis neįtikėtinomis mokslo galimybėmis, kviečiame studijuoti medžiagas ir nanotechnologijas bei patiems prisiliesti prie fantastiško medžiagų ir nanotechnologijos pasaulio.
Pagal: Tamulevičius, Sigitas. Naujos medžiagos ateities technologijoms // Šiuolaikinis mokslas visuomenei. T. 2. Vilnius: Lietuvos mokslų akademija, 2011. ISBN 9789986080534. p. 153–180.