70 lat tradycji. Inspirujemy Prowokujemy Dyskutujemy

Zupa w tyglu

Praca nad materiałem o nieznanych właściwościach jest dla nas o wiele bardziej pasjonująca niż rozważanie, w jaki sposób odkrycie zostanie wykorzystane. W historii nauki mamy wiele przykładów na to, że każdy wynalazek może pomóc w ocaleniu życia albo w popełnieniu zbrodni.

Anna Mateja: Co to jest czapka niewidka? Oczywiście w realiach Zakładu Materiałów Funkcjonalnych, któremu Pani szefuje.

Dorota Anna Pawlak: Najpierw muszę opowiedzieć o tym, gdzie jesteśmy, bo to miejsce wyjątkowe. Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie to największa jednostka badawczo-rozwojowa w kraju zajmująca się nowymi technologiami. Powstała w 1979 r. i, niczym w Dolinie Krzemowej, na kilkudziesięciu hektarach wybudowano laboratoria badawcze i hale technologiczne. Stworzono kompletną infrastrukturę, potrzebną do przejścia drogi od powstania pomysłu, np. na wytworzenie materiału czy rozwiązania technologicznego o oczekiwanych właściwościach, do jego zastosowania. Znajomi naukowcy, nawet z USA, z zazdrością patrzą na te możliwości.

A czapka niewidka, która czyni obiekt niewidzialnym dla oka, musi być stworzona z metamateriału, inaczej: materiału kompozytowego. Powstaje on z połączenia dwóch materiałów (faz), ale przy takiej zmianie ich struktury na poziomie mikro lub nano (to jedna milionowa lub jedna miliardowa jednostki mierniczej), że nowy materiał posiada właściwości nieobecne w elementach składowych. Na przykład zmienia bieg fali świetlnej w taki sposób, że omija ona obiekt zbudowany z metamateriału, czyniąc go niewidocznym dla oka. Po raz pierwszy wykazano te właściwości w 2006 r. Pięć lat później ukazała się pionierska praca teoretyczna na temat możliwości ukrywania nie tylko obiektów (przestrzeni), ale też zdarzeń (czasoprzestrzeni). Przyznaję, nie byłam w stanie przez nią przebrnąć.

 

Na czym polegała trudność?

Pracę napisał fizyk, ale językiem matematyki.

 

I tak dobrowolnie zajęła się Pani trudnym tematem?

Niemal potknęłam się o ten temat na stażu podoktorskim w Institute for Material Research w Tohoku University w Sendai w Japonii. Spędziłam tam lata 2000–2001, zajmując się różnymi kwestiami, w tym kryształem o nazwie granat terbowo-skandowo-glinowy. Tu muszę zaznaczyć, że wyhodowałam go nie za pomocą metody Czochralskiego, stosowanej w większości laboratoriów na świecie, ale posługując się metodą mikrowyciągania. Wytłumaczyć?

 

Koniecznie. Przypomnę tylko, kim był prof. Jan Czochralski – chemikiem, który w 1916 r. w laboratorium politechniki w Berlinie opracował metodę otrzymywania monokryształów krzemu (stała się ona podstawą produkcji mikroprocesorów i, jak Pani wspomniała, jest dzisiaj powszechnie stosowaną metodą hodowania kryształów). Uczony ma szereg osiągnięć, przede wszystkim z dziedziny metaloznawstwa, bo opracował m.in. metodę pomiaru szybkości krystalizacji metali.

A jego metoda uzyskiwania kryształów, ogólnie mówiąc, polega na tym, że wrzucamy materiał, np. krzem, do tygla, wkładamy zarodek i całość podgrzewamy do temperatury nawet 2400°C (jej wysokość zależy od rodzaju hodowanego kryształu). Ciepło powoduje, że ciecz w tyglu zaczyna parować i w miejscu, gdzie znajduje się zarodek, w trakcie ustawicznych obrotów, najpierw formuje się stożek, potem walec. Kiedy popatrzeć przez oko kamery do środka, zobaczymy, że zarodek ciągnie formujący się kryształ w górę. W metodzie mikrowyciągania, którą poznałam w Japonii, zarodek ciągnie materiał z tygla w dół, co pozwala uzyskiwać włókna kryształu o przekroju jednej dziesiątej milimetra.

Potrafimy wyhodować kryształy wielkiej urody – z idealną symetrią, kiedy ze stopionej w tyglu cieczy wyłania się np. kryształ o 24 ściankach, gładkich, jakby były wcześniej szlifowane i polerowane. Rozprasza światło jak diament, nie ma tylko jego twardości.

Kryształy mogą być kolorowe, jeśli do materiału wyjściowego dodamy odpowiednie pierwiastki: cer zabarwia kryształ na cytrynowo, erb daje odcień różowawy, kobalt – intensywnie niebieski. W czasach Układu Warszawskiego w naszym laboratorium hodowano kryształy wykorzystywane w dalmierzach wszystkich czołgów państw członkowskich. Wycinano z nich pręty laserowe, ale odpadki kupowali jubilerzy i robili z nich po odpowiednim oszlifowaniu biżuterię.

 

W Japonii hodowała Pani granat terbowo-skandowo-glinowy.

I rosła na nim biała otoczka – taka mgiełka, której na krysztale tlenkowym być nie powinno. Obserwowałam przez kamerę, co się dzieje w tyglu, denerwując się, że coś musiałam zepsuć, skoro kształt kryształu odbiega od zaplanowanego. Dopiero kiedy go wypolerowałam, przecięłam i włożyłam próbkę pod mikroskop sił atomowych, który pozwala obejrzeć małe rozmiary, zobaczyłam, jak fascynującą rzecz udało mi się wyhodować. W białej otoczce wokół kryształu powstała struktura włókien jednego materiału, upakowanych w innym materiale – wszystko ładnie ułożone, w sześciokąty. Nieco wcześniej wysłuchałam wykładu o kryształach fotonicznych, których struktury są zbudowane właśnie w taki sposób. To kryształy, które nie występują w naturze, choć możemy je zobaczyć, np. na skrzydłach motyla albo piórach pawia. Pewne barwy pojawiają się bowiem na nich nie za sprawą pigmentu, ale światła rozpraszanego przez nanostruktury łusek na odwłoku owada czy materiału ptasiego pióra.

To, co wyjęłam z tygla, to był właśnie kryształ fotoniczny. Różnica między kryształami fotonicznymi a metamateriałami jest taka, że w metamateriale pojedynczy atom musi być na tyle mały, by fala światła przeszła przez materiał jak światło słoneczne przez szybę, czyli bez zniekształceń (może przypomnę, że atom szyby jest ponad tysiąc razy mniejszy od długości fali promieniowania słonecznego). W przypadku kryształu fotonicznego atomy są na tyle duże, że promienie się na nich załamują. Na świecie tymi zagadnieniami zajmowało się zaledwie kilka laboratoriów, ale wszyscy się zgadzali, że temat jest intrygujący. Właśnie wtedy, w Japonii, usłyszałam od znajomego naukowca, że do najciekawszych odkryć dochodzimy często przez przypadek.

 

Była Pani jednym z pierwszych naukowców, którzy zajęli się tematem metamateriałów w Polsce. Jak się przeszczepia na rodzimy grunt nowe idee?

Równolegle ze mną metamateriałami zajął się prof. Tomasz Szoplik z Instytutu Geofizyki UW. A co do mnie… Pierwszy grant na badania nad kryształami fotonicznymi otrzymałam w 2003 r. Pięć lat później mój projekt, już dotyczący metamateriałów, otrzymał bardzo dobre dofinansowanie unijne w ramach VII Programu Ramowego. Był to pierwszy projekt dotyczący nanomateriałów realizowany przez naukowców z nowych krajów Unii Europejskiej.

 

Duży sukces.

I ciężka praca – przygotowywanie projektu i uzyskanie finansowania badań zajęło nam półtora roku. Pamiętam z tamtego czasu pytanie pewnego profesora o nazwisko koordynatora naszego projektu europejskiego. Odpowiedziałam: „Ja jestem koordynatorem”. „Tak, wiem – Pani odpowiada po stronie polskiej, ale przecież projekt ma też partnerów zagranicą. Pytam, kto zawiaduje całością”. „No właśnie ja”. „Pani?…”.

 

Trudno mu było uwierzyć, bo była Pani, wedle niego za młoda?

Tak, miałam wówczas 38 lat. I byłam z Polski, a prowadziłam ważny projekt. Teraz mogę powiedzieć, że kryształy fotoniczne, metamateriały i eutektyki zdominowały zakład, w którym pracuję: mam najwięcej pracowników (od paru miesięcy jest ich ponad 40, ale zajmują się różnymi zagadnieniami, nie tylko wymienionymi), tematów badawczych, grantów, publikacji. To, co osiągnęłam, zawdzięczam tematowi, który był nowy i ciekawy, a wtedy łatwiej o zdobycie funduszy i skupienie ludzi wokół siebie.

Pomaga też wiara w to, co się robi. Ale poza wszystkim trzeba pracować – bez tego nie ma nic.

 

Wspomniała Pani o specyficznym rodzaju metamateriałów, czyli eutektykach. Znalazłam taką ich definicję: „samoorganizujące się, wieloskładnikowe struktury ze sterowalnymi, niekonwencjonalnymi właściwościami elektromagnetycznymi”. Gdyby można było bardziej po ludzku…

Jeżeli zmieszamy dwa takie materiały, że temperatura topienia produktu końcowego będzie niższa niż jego elementów składowych, wtedy powstaje eutektyk, czyli materiał łatwotopliwy. Brzmi hermetycznie, ale te związki otaczają nas na co dzień, choćby woda i sól: 29-procentowy roztwór soli nie zamarza aż do temperatury minus 21°C, dlatego posypujemy solą zamarznięte drogi. Eutektyki występują też w stalach czy w tuszach do drukarek.

Zaproponowałam nową metodę ich uzyskiwania – ogólnie mówiąc: robimy zupę ze składników koniecznych, by pozyskać materiał o szczególnych właściwościach optycznych i elektromagnetycznych, wrzucamy wszystko do tygla i samo rośnie.

 

A skąd Pani wie, że w tyglu układa się to, co trzeba?

Bo wiem, co wrzucam i jakie warunki technologiczne muszę zapewnić tej mieszaninie, by uzyskać kryształ o pożądanych właściwościach. Do czego eutektyki mogą być nam potrzebne, wyjaśnię na przykładach. Ogniwa słoneczne są z reguły krzemowe, co powoduje, że absorbują światło jedynie w ograniczonym zakresie. Gdyby przekonwertować fale słoneczne na krótsze – tak jak to robią niektóre materiały eutektyczne, pozwalające na konwersję promieniowania w górę i wzmocnienie plazmoniczne – ogniwa krzemowe mogłyby zaabsorbować więcej energii. Kolejna rzecz: sygnał przekazywany łączem światłowodowym średnio co 80 km musi być wzmacniany. Gdyby już na starcie był np. dziesięciokrotnie silniejszy, odległość między urządzeniami wzmacniającymi mogłaby się wydłużyć dwukrotnie. Szkło z nanocząstkami srebra i domieszką erbu, pierwiastka optycznie aktywnego, który zbliżony do nanocząstek srebra, wzmacnia emisję, daje taką możliwość.

Pamiętam, że kiedy chciałam zwrócić uwagę naukowców na materiały eutektyczne, które zależnie od pożądanej właściwości trzeba za każdym razem wymyślać na nowo, intuicyjnie czułam, że potrzebna mi jest masa krytyczna.

 

Mówiąc wprost: zespół badawczy, który przedstawi na konferencji naukowej ciekawie zróżnicowane tematy badawcze.

Właśnie. W 2009 r., czyli zaledwie rok po otrzymaniu dofinansowania z Fundacji na rzecz Nauki Polskiej na stworzenie zespołu badawczego, wyjechałam z sześciorgiem współpracowników na kameralną konferencję na temat eutektyków. Mój team stanowił jedną dziesiątą uczestników tego spotkania. Nie rozmawialiśmy na tematy najbardziej popularne, np. o twardości czy trwałości materiałów eutektycznych i używaniu ich jako materiałów konstrukcyjnych, ale każdy z moich ludzi przedstawił nowy pomysł, już przez nas realizowany. Skala zainteresowania była niebywała. W tej konferencji wziął udział naukowiec z NASA, który później przeniósł się do Air Force Office for Scientific Research (agencji sił powietrznych USA finansującej badania naukowe). Dwa lata po konferencji doprowadził do ogłoszenia przez agencję konkursu z budżetem 7,5 mln dolarów, adresowanego do konsorcjów uniwersytetów amerykańskich, właśnie na temat zastosowania materiałów eutektycznych jako metamateriałów.

 

Ale Pani zespół nie mógł w nim uczestniczyć.

Niestety, ale uczeni z USA, którym zaimponowało to, że pracując w Polsce, potrafiłam wpłynąć na rozwój kierunków badań naukowych w Stanach Zjednoczonych, doprowadzili do tego, że otrzymaliśmy z agencji 200 tys. dolarów na badania. To też coś.

 

Nie przeszkadza Pani, że waszymi odkryciami interesuje się wojsko? Upraszczając nieco: spędzacie w laboratorium długie godziny po to, by kiedyś – za sprawą zbudowanej z eutektyków czapki niewidki – jeden żołnierz mógł przed drugim ukryć czołg.

O tym się w laboratorium nie myśli. Praca nad materiałem o nieznanych właściwościach – czy jakikolwiek inny naukowy temat – jest dla uczonych o wiele bardziej pasjonująca niż publicystyczne rozważania.

Każdy wynalazek może być wykorzystany do ocalenia życia i do popełnienia zbrodni. Wiele z nich – od Internetu począwszy, na materiałach do produkcji butów skończywszy – wymyślono dla wojska.

Naszej wygodzie zaczęły one służyć w drugiej kolejności. Ale skoro już o tym mówimy: przedstawiciele US Navy i US Air Force są zawsze obecni na konferencjach poświęconych metamateriałom.

 

Rozmawiam ze szczupłą szatynką o mało w swej istocie przystępnym materiałoznawstwie, w tle pojawiają się amerykańskie siły powietrzne… Jak to się stało, że znalazła się Pani właśnie tutaj: w tym instytucie, w tej dziedzinie nauki?

Jestem tutaj przez przypadek. W liceum uważałam siebie za humanistkę. Psycholog, patrząc na moje wyniki z badań testowych, które miały mi pomóc w wyborze kierunku studiów, orzekł, że powinnam poradzić sobie właściwie na każdym kierunku. Ale szczególną uwagę powinnam zwrócić na nauki techniczne, bo mam dobrze rozwinięte takie umiejętności jak choćby myślenie trójwymiarowe. Bardzo mnie ta podpowiedź zaskoczyła. Nie brałam jednak pod uwagę studiów politechnicznych, lecz reżyserię albo projektowanie mody, bo lubię szyć, albo szkołę morską, bo dużo żegluję. Ewentualnie architekturę. Ostatecznie zaczęłam studiować „cokolwiek”, czyli chemię na UW. Przez długi czas planowałam rozpoczęcie drugiego fakultetu. Tyle że chemia szła mi bardzo dobrze, a kiedy na drugim roku pojawiła się krystalografia, wiedziałam, że nigdzie się już nie przeniosę. Po maturze inaczej widziałam swoje życie, ale wierzę, że wszystko dzieje się po coś – że nawet pozornie przypadkowe zdarzenia, jeśli je potraktować poważnie, mają sens. To taki chaos deterministyczny. Gdy pchniemy po stole jedną kulkę, bez trudu podamy jej najważniejsze parametry: prędkość, pęd, siłę hamowania, miejsce zatrzymania. Ale gdy mamy tych kulek 100, nie starczy nam mocy obliczeniowych, by sobie z tym poradzić.

Czy zresztą nie jestem czasami reżyserem, gdy wraz z moimi ludźmi zastanawiam się, jak uzyskać eutektyk o konkretnych właściwościach? Opracowujemy przecież całość: od idei nowego materiału po jego realizację i możliwe zastosowania. Sporządzamy obliczenia, szukamy surowców o odpowiedniej czystości, wybieramy tygiel (powinien być z metalu szlachetnego, np. z irydu, czy wystarczy molibdenowy?), opracowujemy warunki powstawania, angażujemy technologów… Współczynników, które pozwolą osiągnąć tak precyzyjny produkt jak eutektyk, jest właściwie bez liku, bo kiedy już wyciągamy kryształ z tygla, musimy go zbadać, np. promieniami Roentgena, czy wykonać zdjęcie pod mikroskopem skaningowym dla poznania jego struktury. Wtedy przekonuję się, jakim dobrodziejstwem jest praca z zespołem badawczym, który w dużej mierze stworzyłam samodzielnie, ogłaszając konkurs. Zebrałam ludzi o przeróżnych talentach, a moim zadaniem było jedynie pozwolić im się rozwinąć. Teraz wiem, kto potrafi się poznać na literaturze naukowej i szukając odpowiedzi na jedno pytanie, przeczyta nawet kilkadziesiąt tekstów, a uzyskaną wiedzę przedstawi w przystępny sposób całemu zespołowi. Kto z kolei może nie przepada za czytaniem prac innych uczonych, ale o urządzeniu pomiarowym wie wszystko i potrafi uzyskać świetne wyniki. Kto jest świetnym organizatorem.

 

Sporo rozmawiałyśmy o możliwych zastosowaniach waszych osiągnięć. Nauką czystą, np. fizyką cząstek elementarnych czy matematyką, potrafiłaby się Pani zajmować z podobną pasją?

To zależy od atrakcyjności pytania, na które szukałabym odpowiedzi. Gdyby wydało mi się to równie ciekawe jak eutektyki, dlaczego nie? Zależy nam na aplikacji naszych osiągnięć, ale wciąż zajmujemy się nauką podstawową – nie tyle więc odpowiadamy na zapotrzebowanie firm, ile wymyślamy problem i szukając odpowiedzi, myślimy o tym, jak pozyskaną wiedzę można wykorzystać.

Mogę pokazać coś ciekawego? Nasz najnowszy temat – ponieważ potrafimy wytwarzać szkło z domieszkami srebra, jonami erbu lub kropkami kwantowymi, wyprodukowaliśmy kulki o średnicy 8 mikrometrów, które zawierają nanocząstki srebra. Ze względu na swoje właściwości mogą być przydatne w konstruowaniu urządzeń do wczesnej diagnostyki chorób nowotworowych.

 

I Pani mogłaby zamienić poznawanie precyzyjnej mechaniki materii na reżyserowanie filmów albo projektowanie jakichś ubrań?

Ale ja uwielbiam szyć! Nawet na ślub cywilny uszyłam sobie sukienkę. Dopiero od niedawna kupuję tylko w sklepie, bo nie mam czasu projektować, wybierać materiałów, kroić, dziergać. Gdyby jednak z „chaosu deterministycznego” wyłoniła się taka opcja, potrafiłabym to wykorzystać.

 

Dlaczego więc ostatecznie nauka?

Bo lubię zajmować się wciąż nowymi tematami, a nauka nigdy nie nudzi. Podobnie jak ludzie, których w nauce spotykam. Proszę mi wierzyć: to jest wielka radość, gdy uzyskamy ciekawe wyniki, badając nowy materiał…

 

Czyli nauka jako metoda poznawania świata?

Nie tylko nauka, jest jeszcze żeglowanie. W ten sposób też można sporo się o świecie dowiedzieć.

 

Czuje Pani kiedykolwiek zmęczenie?

No właśnie od tego mam żeglowanie. W 2015 r. w sumie ponad cztery miesiące spędziłam na oceanach – najdłużej, bo 2,5 miesiąca, płynęłam przez Pacyfik. Był taki odcinek, trwał 14 dni, kiedy żeglując tylko w dwie osoby, nie przybiliśmy do brzegu ani razu. Pokonywanie trasy, np. z Salwadoru i Brazylii przez Urugwaj do Buenos Aires, z burzami po drodze, przeciwnym wiatrem, szybko pozwala nabrać dystansu do tego, co zostawiło się na lądzie.

 

Metamateriały zostawiają przestrzeń na metafizykę?

Może i tak, ale z reguły nie zastanawiam się nad tym. Ostatnio przeczy tałam jednak mniej więcej coś takiego: co to jest materia? Struktura zbudowana z atomów. Co to jest atom? Najmniejsza cząstka materii zbudowana z jądra, bardzo gęstego, otoczonego przez elektrony, pomiędzy którymi jest sporo przestrzeni wypełnionej jedynie oddziaływaniami, np. elektromagnetycznymi. Co to jest elektron? Cząstka materii zbudowana z protonów i neutronów, te z kolei z kwarków. Schodzimy głębiej i głębiej w strukturę budowy materii, ale jakkolwiek nazywać kolejne jej elementy, pomiędzy nimi zawsze jest przestrzeń i oddziaływania. Kim więc jest człowiek? Materią zbudowaną z atomów, pomiędzy którymi jest dużo wolnej przestrzeni wypełnionej oddziaływaniami. Przypuszczam, że stanem umysłu, świadomością człowiek potrafi na tę przestrzeń wpływać.

_

Dorota Anna Pawlak – Ur. 1970, dr hab., ukończyła chemię na UW, jej specjalizacja to krystalochemia i fizyko-chemia ciała stałego. Kierownik Zakładu Materiałów Funkcjonalnych w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie. Koordynatorka m.in. projektu europejskiego ENSEMBLE – Engineered self-organised multicomponent structures with novel controllable electromagnetic functionalities (2008–2012), w dziedzinie nanomateriałów. Laureatka programu TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej (2009). Autorka ponad 60 oryginalnych publikacji naukowych.

 
 

Zapisz się do newslettera!

Otrzymasz 35% kod rabatowy na dowolny numer miesięcznika oraz informacje o promocjach, wydarzeniach i spotkaniach autorskich

email marketing zapewnia MailPlanner

Newsletter