Pačios „karščiausios“ medžiagos dabartinėje fizikoje: nuo didžiulių inovacijų energetikoje iki tikro nematomo apsiausto

Mokslininkas kovo mėnesį lankėsi Kauno technologijos universiteto (KTU) „Santakos“ slėnyje, kur susipažino su jame veikiančių institutų ir laboratorijų darbu. J. Henzie su KTU Medžiagų mokslo instituto mokslininkais aptarė tolimesnį pirmojo dvišalio projekto tarp KTU ir NJMMI įgyvendinimą.

– Kokiu tikslu lankėtės KTU?, – paklausėme J. Henzie.

– Nors Japonija ieško dvišalio bendradarbiavimo galimybių su daugeliu šalių, tačiau, mano žiniomis, tai pirmas kartas, kai tokio pobūdžio bendradarbiavimas buvo pradėtas Lietuvoje, su KTU.

Kartu su KTU Medžiagų mokslo institutu įgyvendiname projektą „Plasmonic properties of silver nanoparticles assembled clusters (PLAS)“. Jo eigoje turiu kelias užduotis: vykdyti mokslinius tyrimus su KTU mokslininkais, užmegzti daugiau kontaktų su profesoriais iš visos Lietuvos, susipažinti su jūsų šalies mokslo bendruomene, pristatyti NJMMI mokslinę veiklą bei stiprinti esamą bendradarbiavimą.

– Kaip paaiškintumėte, kas yra medžiagų mokslas žmogui, pirmą kartą išgirdusiam šį pavadinimą?

– Lyginant su chemija ar biologija, kurios egzistuoja jau ne vieną amžių, medžiagų mokslas yra santykinai nauja disciplina, kilusi iš metalurgijos. Per šimtmečius žmonės išbandė įvairius metalus ir bandė išsiaiškinti, kaip padaryti juos stipresnius ar labiau laidžius. Medžiagų mokslas prasidėjo nuo bandymų suprasti funkcines medžiagas, tokias, kaip metalas, betonas ar stiklas, šiuolaikinėje visuomenėje. Visgi, šiandien medžiagų mokslo tyrėjų dėmesys nukreiptas į naujų medžiagų, pasižyminčių ypatingomis savybėmis, kūrimą.

Nortvesterno universitetas, esantis Ilinojaus valstijoje, kur įgijau mokslo daktaro laipsnį, buvo pirmoji aukštojo mokslo institucija pasaulyje, kurioje 1950-aisiais buvo įkurtas Medžiagų mokslo departamentas.

Šiandien medžiagų moksle, pasitelkiant chemiją, fiziką ir inžineriją, „iš apačios į viršų“ kuriamos įvairios medžiagos. Tai reiškia, kad mes bandome sukonstruoti medžiagą, pradedant nuo atominės sandaros iki įrenginių ir kitų objektų, kuriuos galima matyti plika akimi, o vėliau ir paliesti, sukūrimo. 

– Kaip medžiagų mokslas gali būti pritaikomas versle?

– Aš nesu verslininkas, tačiau manau, kad pranašumas versle yra tų, kurie geba padaryti vieną ar kitą dalyką geriau ir mažesniais kaštais nei konkurentai.

Nors vienas iš medžiagų mokslo tikslų yra pagerinti esamas medžiagas, sumažinant jų gamybos kainas, bet tyrėjai taip pat intensyviai dirba, siekdami pagaminti visiškai naujas medžiagų rūšis, kurios leistų sukurti naujas pramonės šakas.

Geras to pavyzdys yra skaidulinės optikos kabeliai. Tam, kad būtų pagaminti šie mažyčiai stikliniai vamzdeliai, kurie galėtų perteikti optinę spinduliuotę (t.y. informaciją) po visą pasaulį, stiklo ir įvairių kitų medžiagų tyrimai užtruko šimtmečius. Be skaidulinės optikos nebūtų atsiradęs internetas ir nebūtų nei vienos interneto kompanijos, nes vario laidų pralaidumas tam buvo per mažas.

Verslininkai, norintys neatsilikti nuo naujausių ir pažangiausių technologijų bei siekiantys savo produktu ar paslauga palikti pastebimą žymę pasaulyje, turėtų domėtis medžiagų mokslu.

– Kokios naujos medžiagos buvo sukurtos per pastaruosius 10-20 metų?

– Turbūt viena „karščiausių“ medžiagų vis dar išlieka grafenas, sudarytas iš vieno atomo storio anglies plėvelių. Jis pasižymi labai neįprastomis elektrinėmis savybėmis, yra itin plonas ir labai stiprus. Šiandien grafenas naudojamas tranzistorių gamybai.

Kita vis dar „karšta“ medžiaga yra organinis perovskitas – kristalas, paprastai susidedantis iš švino, metilamino ir jodo mišinio.

Šiandien dauguma saulės baterijų yra pagamintos iš silicio – net ir saulės kolektoriai, kuriuos vis dažniau tenka pamatyti ant gyvenamųjų namų stogų. Siekiant sukurti 20 proc. efektyvumo silicio saulės elementus, moksliniai tyrimai tęsėsi 50-60 metų. Tokį patį rezultatą su perovskito saulės elementais pasiekti užtruko dešimt kartų trumpiau – apie 5 metus.

Tačiau, reikia pažymėti, kad visas procesas prasidėjo nuo pačio silicio sukūrimo. Mokslininkų žinios ir naudoti įrankiai, siekiant sukurti šią medžiagą, buvo kritiškai svarbūs organinių perovskitų atsiradimui. 

– Prieš persikeliant gyventi į Japoniją ir darbą NJMMI, apgynęs daktaro disertaciją kurį laiką stažavotės JAV Kalifornijos universitete. Kaip jūsų karjeros kelias pasuko Tekančios saulės šalies link?

– Apie NJMMI ir jo veiklą medžiagų mokslo srityje sužinojau baigęs magistrantūros studijas. Tai puikus mokslinių tyrimų institutas, kur visą savo dėmesį galiu sutelkti moksliniams tyrimams. NJMMI dirbantys tyrėjai yra aprūpinti puikiausiais instrumentais, įskaitant elektroninius mikroskopus – tai man labai svarbu, nes naudoju juos atominių medžiagų struktūrų atvaizdavimui.

Japonija yra šalis, kuri mokslininkams gali pasiūlyti didelę mokslinių prietaisų instrumentuotę. NJMMI dirbančių mokslo darbuotojų bei modernios ir pažangios technikos santykis yra puikiai subalansuotas, todėl gauti prieigą prie reikiamo instrumento neužima daug laiko.

– NJMMI dirbate nepriklausomu mokslininku. Ką tyrėjui reiškia būti nepriklausomam savo darbe?

– Nepriklausomi profesoriai neturi viršesnių vadovų, kuriems yra atskaitingi. Jie turi tam tikrą pasirinkimo laisvę daryti tokius mokslinius tyrimus, kuriuos patys pasirenka, siekiant gauti finansavimą vykdomiems projektams. Esu nepriklausomas ta prasme, kad galiu atlikti tokius tyrimus, kuriuos noriu, tačiau tai neatleidžia nuo pareigos pateikti gerus rezultatus. Nepriklausomas mokslininkas taip pat yra mokslinių tyrimų grupės vadovas.