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…
