Giełda wynalazków i projektów. Tajemnice spinu i nanoświatła


07-02-2015 14:24:25

W ostatnich latach coraz częściej są wyróżniane  patenty z Instytutu Fizyki PAN, kojarzonego na ogół z badaniami podstawowymi. To znak czasu: prawdziwe wynalazki dziś pochodzą głównie z takich jednostek. Obecnie Instytut prowadzi badania z fizyki ciała stałego oraz fizyki atomowej i cząsteczkowej, w tym fizyki półprzewodników, promieniowania i magnetyzmu.

Przedmiotem szczególnego zainteresowania są spintronika i nanotechnologie. IF PAN uczestniczy w ponad 20 międzynarodowych projektach badawczych, publikuje ok. 300 prac naukowych rocznie.

 Dyrektor Instytutu, prof. Leszek Sirko uznaje za szczególnie ważne badania nad półprzewodnikami, znaczące dla spintroniki, nowego działu elektroniki. Pionierskie publikacje prof. Tomasza Dietla z tej dziedziny przyniosły Instytutowi sławę światową.

Nie mniej ważne osiągnięcie to prace prof. Andrzeja Sobolewskiego dotyczące teorii reakcji fotofizycznych. Podstawowe struktury biologiczne dysponują uniwersalnym mechanizmem, który chroni je przed destrukcyjnym wpływem promieniowania ultrafioletowego. Zaabsorbowany foton zamienia się na niegroźne oscylacje atomów. Badania te doprowadziły do hipotezy o mechanizmie fotostabilności podstawowych struktur materii ożywionej.

Głośne są badania nad promieniowaniem terahercowym (promieniowaniem elektromagnetycznym w zakresie dalekiej podczerwieni) do obrazowania w medycynie i biologii, ponieważ promieniowanie z tego zakresu nie jonizuje materii, a więc jest bezpieczne dla organizmów żywych, w przeciwieństwie do rentgenowskiego. Promieniowanie terahercowe wykorzystywane jest także do kontroli jakości zapakowanej żywności, do detekcji ukrytej pod ubraniem broni, czy w kryminalistyce. W ramach projektu kluczowego POIG 1.1.2: "Kwantowe nanostruktury półprzewodników do zastosowań w biologii i medycynie - Rozwój i komercjalizacja nowej generacji urządzeń diagnostyki molekularnej opartych o nowe polskie przyrządy półprzewodnikowe" (NANOBIOM) Instytut wykonał, wspólnie z innymi ośrodkami badawczych prace nad nanosensorami do zastosowań w różnych dziedzinach. Wykonał ultraczułe sensory substancji chemicznych i gazów w postaci matrycy nanosłupków, składając trzy wnioski patentowe. Sensory te uzyskały złoty medal na targach INTARG. Opracowano także generację bioobojętnych nanocząstek do zastosowań jako znaczniki fluorescencyjne w biologii i medycynie.

Inne ogniwa PV

Na światowych wystawach w 2014 r. nagradzano najczęściej efektowny wynalazek Materiały - Ogniwa fotowoltaiczne bazujące na nanosłupkach i warstwach ZnO (na zdjęciu). Nanosłupki tlenku cynku (ZnO) wysokiej jakości są wykonywane na dowolnych podłożach krystalicznych(np. arsenku galu, azotku galu, kwarcu itp.) metodą hydrotermalną. Materiał powstaje w procesie wzrostu z roztworu wodnego w temp. poniżej 80°C w ciągu 2-3 minut. Obecnie maksymalna wielkość podłoża wynosi 1,5 x 1,5 cm. Nanosłupki mają zastosowanie w matrycach do sensorów i czujników oraz w fotowoltaice, gdzie mogą pełnić rolę zarówno warstwy anyrefleksywnej, jak i partnera typu n w złączu. Ogniwo powstaje w ten sposób, że na podłożach osadza się nanosłupki pokrywane następnie warstwą ZnO i górną warstwą kontaktową ZnO:Al. Otrzymane ogniwa fotowoltaiczne wykazały sprawność 12 %. To nie rewelacja (dotychczas ogniwa monokrystaliczne mają sprawność 14-17%), ale dopiero początek prac.

Pęd przez krainę białek

Innego typu wynalazkiem jest metoda symulacji komputerowych do szybkiego badania dużej liczby białek. Dzięki niej w Instytucie przebadano kilkadziesiąt tysięcy białek (ostatnia grupa liczyła 18 tys.). Badania wytrzymałościowe łańcuchów aminokwasów na świecie prowadzi się za pomocą tzw. szczypiec optycznych i mikroskopów sił atomowych. Jest to metoda kosztowna i żmudna (jedno badanie może trwać do pół roku). W IF PAN dobre wyniki otrzymuje się już po 20 minutach. W trakcie tych badań odkryto, że białko oznaczone jako 1TFG ma dwukrotnie większą wytrzymałość niż nić pajęcza a kilka innych białek ma jeszcze bardziej niezwykła strukturę i parametry  wytrzymałościowe. Dotychczas badane białka miały wielokrotnie mniejszą wytrzymałość. To odkrycie może otworzyć przed inżynierią materiałową zupełnie nowe możliwości.

Bardzo dziwny izolator

Jednym z najważniejszych sukcesów ostatnich kilku lat jest odkrycie przez grupę prof. Tomasza Storego we współpracy z naukowcami szwedzkimi, nowej klasy materiałów – krystalicznych izolatorów topologicznych. W uproszczeniu są to idealne izolatory wewnątrz, w masie i przewodniki- na powierzchni, mające możliwość generacji powierzchniowych prądów spinowych. Dzięki takim materiałom możliwy będzie znacznie szybszy przepływ prądu elektrycznego a wydzielania ciepła w układach mikro- i nanoelektronicznych znacznie zmaleje. Zbadano już właściwości elektronowe wielu  kryształów. Okazało się, że izolatorem topologicznym jest na przykład selenek bizmutu i podobne materiały utworzone z pierwiastków V i VI grupy układu okresowego, szeroko stosowane w elektronice. Teraz, przy odpowiedniej modyfikacji i niezbędnej czystości takich związków można będzie pomyśleć o nowych zastosowaniach. Szanse na kolejne złote medale wynalazcze w najbliższych latach rosną.

jaz.

Komentuje Waldemar Rukść

14-15
Aktualny numer WSZYSTKIE
eNOT.pl - Portal Naczelnej Organizacji Technicznej | eNOT.pl