Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūts

FUNKCIONĀLIE MATERIĀLI UN NANOTEHNOLOĢIJAS: ATTĪSTĪBAS METAMORFOZES

Andris Šternbergs

Materiāli jau kopš cilvēces apzinīgās dzīves aizsākumiem ir ekonomiskās izaugsmes, labklājības, drošības un dzīves kvalitātes centrā. Mūsu ikdiena, mūsu modernā pasaule ar datoriem, ar mobilajiem sakariem, ar attīstītiem transporta līdzekļiem sākot ar automašīnām, vilcieniem, lidmašīnām, līdz pat Starptautiskajai kosmosa stacijai, ar enerģijas iegūšanas tehnoloģijām un  līdz prognozējamām  termiskās kodolsintēzes elektrostacijām, arī ekonomiskai enerģijas izmantošanai, LED gaismas elementiem nav iedomājama bez moderniem materiāliem.

 Materiālzinātne ir iespējoša tehnoloģija, kura izbūvē tiltu starp fundamentālo zinātni, no pirmajiem principiem cenšoties saprast  un kontrolēt atomus un molekulas materiālā, un  pielietojamo zinātni un inženierzinātni.  Funkcionālais materiāls  ir jebkurš materiāls vai ar šo materiālu veidota  sistēma, kas integrāli apvieno divas (vai arī vairākas) īpašības, viena no kurām parasti ir strukturālās dabas un otra funkcionāls parametrs, piemēram, elektriskais, magnētiskais,  optiskais, siltuma utt. raksturlielums. Funkcionālais materiāli un sistēmas ietver viedo materiālu aspektus, t.sk., no bioloģijas iedvesmojošos principus (biomimētika )un aptver praktiski visus materiālu veidus un formas (piem., kristāli, keramika, polimēri, kompozīti , plānās kārtiņas, nanovadi, nanocaurulītes, ...).  

Nanozinātne un nanotehnoloģijas ir materiālu pētījumi, kuros prasmīgi kontrolējot un manipulējot  ar materiālu struktūras elementiem atomu, molekulu un makromolekulu  izmēru līmenī, rezultātā iegūst jaunus vielas īpašības raksturojošus parametrus, kuri var būtiski atšķirties no struktūras raksturlielumiem lielākās dimensijās un kuri ir pievilcīgi inovatīvu  produktu izstrādē. Nanomateriāls ir dabisks, kā blakusprodukts radies vai rūpnieciski ražots materiāls kas satur nesaistītas, aglomerācijās vai sakopojumos esošas daļiņas, ja ģeometrisko izmēru skaitliskajā sadalījumā vismaz 50% daļiņu kāds no izmēriem ir diapazonā no 1 nm līdz 100 nm.  Ir nozīmīgi izdalīt tā saucamās "zaļās" nanotehnoloģijas: ilgtspējīgus risinājumi dzīves kvalitātes  uzlabošanai, enerģijas ieguvei un taupīšanai  vidi saudzējošos apstākļos (samazinot oglekļa izmešu - CO₂ daudzumu, tā iegrožojot nevēlamas klimata izmaiņas), izmantojot  nanotehnoloģiskās struktūras, materiālus un ierīces.

Inovācija vai inovatīvā darbība ir process, kurā jaunas zinātniskās, tehniskās, sociālās, kultūras vai citas sfēras izstrādnes un tehnoloģijas tiek īstenotas tirgū pieprasītā un konkurētspējīgā produktā vai pakalpojumā. Inovācija ir radošums kas orientēts uz pielietojumu - jaunu materiālu, ierīci, pakalpojumu, un kas ietver sevī arī procesa organizēšanu. Inovācijai tuvs ir arī šaurāks jēdziens - tehnoloģijas pārnese, kas vairāk attiecināms uz jaunu vai zināmu tehnoloģiju.

Segnetoelektriķi  ir daudzfunkcionāls materiāls, kura  būtiskākais raksturlielums ir spontānā polarizācija definētā temperatūras intervālā , bet tās virzienu var mainīt ar ārējā elektriskā lauka palīdzību.  Segnetoelektrisko  relaksoru izteiktās dielektriskās, pjezoelektriskās, piroelektriskās, optiskās un elektrooptiskās īpašības dara tos pievilcīgus praktiskiem pielietojumiem. Tomēr to fizikālās  dabas, sevišķi komplicētā fāžu pāreju mehānisma, izpratne, sākot no 19.gadsimta septiņdesmitajiem,  turpina attīstīties -  līdz „polāro nanoapgabaliņu" ideoloģijai. Struktūras sakārtotības un (radiācijas) defektu ietekme uz fāžu pāreju dinamiku segnetoelektriskajos relaksoros ir viena no aktualitātēm. „Rīgas skola" , sadarbībā  ASV un Japānas zinātniekiem ieguvusi starptautisku atzinību jaunas funkcionālas segnetokeramikas - caurspīdīgās segnetokeramikas izstrādē. Materiāla iegūšanai tika attīstīta izejvielas nanopulvera ķīmiskās kopizgulsnēšanas metode, kā arī oriģinālas karstās presēšanas metodikas un izbūvētas tehnoloģiskās iekārtas. Pētnieciskajos projektos, saprotams, sevišķi tika akcentēti keramiskajam materiālam „jauniegūto" īpašību (optisko, nelineāri optisko, elektrooptisko, vadāmas gaismas izkliedes, fotorefrakcijas) izpētei, kā ari tika attīstīta virkne oriģinālu pielietojumu un izstrādātas oriģinālas ierīces (lāzera stara modulatori, "Pulsar" sērijas lielas apertūras gaismas modulatori, elektrooptiskās aizsargbrilles , frekvences pārbīdes modulatori  lāzera heterodīna interferometros,  lieljaudas lāzeru iekšrezonatora telpas-laika modulācijas matricas, infrasarkanā starojuma modulatori). Savā laikā laboratorijā esam padarbojušies ar augsttemperatūras supravadītājiem - šīs tematikas buma laikā ātri noorientējāmies, jo mums bija augstākminētā modernā tehnoloģija segnetokeramikas iegūšanai. Nanokristālisku segnetoelektrisko plāno kārtiņu iegūšana (izmantojot sol-gel, lazera ablācijas, magnetronu tehnoloģijas u.c.) un to izpēte specifiskiem pielietojumiem ir  šodienas prioritāte.

Funkcionālie materiāli elektronikai, fotonikai un enerģētikai. Nelielai atkāpei LU CFI ir līderis fotonikā un fotonisko materiālu izstrādē Latvijā. Fotonika ir zinātne un tehnoloģija, kuras izpausme ir saistīta  ar fotonu, kas ir gaismas daļiņas,  ģenerēšanu, detektēšanu un kontroli. Fotonika kā optikas disciplīna  parādījās 1960os , vienlaicīgi ar lāzera izgudrojumu.  Fotonikā atšķirībā no elektronikas - elektronu  vietā izmanto gaismas kvantus - fotonus. Lielākās  priekšrocības, izmantojot  fotonus ir, ka ierīcēs nenotiek mijiedarbe starp tiem,  un ka fotoniskās ierīces, piem., slēdži, var darboties femtosekunžu (10^-15 sekunžu) diapazonā. LU CFI pētniecības virzieni definēti atbilstoši Latvijas Viedās specializācijas stratēģijas "Viedie materiāli,  tehnoloģijas un inženiersistēmas" un  Eiropas Komisijas atslēgtehnoloģiju jomām: 1)Plāno kārtiņu un pārklājumu tehnoloģijas; 2) Funkcionālie materiāli elektronikai un fotonikai  (informācijas pārraides un uzglabāšanas ierīcēm, fotovoltaikai, gaismas diodēm); 3) Nanotehnoloģijas, nanokompozīti un keramika (cietvielu kurināmās šūnas, litija baterijas, materiāli kodolsintēzes reaktoriem); 4)Tehnoloģiski nozīmīgu jaunu materiālu un ierīču izstrāde, izmantojot to modelēšanu atomu līmenī (konstruēti  neorganisko vien- un daudzsienu nanocauruļu modeļi, izpētīts pretestības pārslēgšanās mehānisms funkcionālos materiālos paverot iespējas terabitu atmiņas izgatavošanai, materiāla īpašību prognozēšanai izstrādāta jauna skaitliskās simulācijas metode, kas izmanto evolucionāru algoritmu - pieeju, kas limitē dabiskās atlases procesus dzīvā dabā). Šajā gadā enerģētikas jomā Institūtā aizsākts apjomīgs  4-gadu projekts viena no pasaules lielākajiem pētniecības un attīstības izaicinājuma kopprojektiem - ITER (Starptautiskais eksperimentālais kodolsintēzes reaktors) izbūvei. Sadarbībā ar Karlsrūes Tehnoloģiju institūtu (KIT, Vācija) un mūsu uzdevums ir uzlabot izpratni par ODS nanodaļiņu veidošanas un to iestrādes tērauda matricā procesiem, izmantojot rentgenabsorbcijas spektroskopijas, dažādu līmeņu teorētiskās modelēšanas un augstas veiktspējas datorsistēmu piedāvātās iespējas. Projekta ietvaros paredzēts starptautiskos sinhrotronā starojuma centros veikt rentgenabsorbcijas mērījumus KIT izgatavotajiem ODS tēraudu paraugiem, kā arī LU CFI izgatavotajiem modeļmateriāliem (plānām kārtiņām), tādējādi iegūstot unikālu informāciju par dažādu tipu atomu lokālo apkārtni ODS tēraudos, kā arī par ODS daļiņu atomāro un elektronisko struktūru. No otras puses, izmantojot mūsdienīgas atomārā līmeņa skaitliskās modelēšanas pieejas, ir paredzēts labāk izprast ODS daļiņu mijiedarbības ar tērauda matricu un detalizēti izsekot ODS daļiņu veidošanas procesam.

3. Ceļš uz ekselenci - pētījumu kvalitāte & progresīva infrastruktūra & starptautiskā sadarbība

Tuvākajā laika periodā (2015-2020) LU CFI plāno attīstīt CAMART Eiropas Komisijas Ekselences centru (projekts 2001-2004) jaunā Eiropas līmenī, realizējot brīvās pieejas (open-access) laboratoriju paradigmu Latvijā, kas paredzēta inovatīvo tehnoloģiju pārnesei, pētījumu komercializācijas atbalstam, studentu un augsto tehnoloģiju uzņēmumu darbinieku apmācībai un starptautisko projektu izpildei. LU CFI sadarbības partneri ir Royal Institute of Technology, Electrum Laboratory un ICT Swedish ACREO, Stokholma, Zviedrija, kuriem ir liela pieredze inovāciju ieviešanā un spin-off kompāniju izveidošanā. Projekta rezultātā LU CFI ietvaros attīstītais CAMART² Ekselences centrs kļūs par Eiropas līmeņa Baltijas jūras reģiona centru materiālzinātnes un tehnoloģiju attīstības jomā (Materials science HILL - High Innovation Level Laboratory), būtiski paaugstinot Latvijas zinātnes, inovāciju un komercijas konkurētspēju Eiropā un pasaulē. Paredzēts uzlabot Centra pētniecisko infrastruktūru, tai skaitā izveidojot metožu orientētus kompleksus mikroskopijā un spektroskopijā, kā arī izveidot prototipēšanas laboratorijas fotonikas un elektronikas izstrādēm. Paredzēts attīstīt augsta līmeņa starpuniversitāšu izglītības (maģistrantūras un doktorantūras) centru cietvielu fizikā un materialzinātnēs, aktīvi piedalīties studiju programmu modernizēšanā fizikā, ķīmijā un materialzinātnēs, kā arī kvalitatīvi sagatavot studentus un zinātņu doktorus darbam uzņēmumos, kuri attīsta produktus ar augstu pievienoto vērtību. Starptautiskās FM&NT konferences (LU CFI rīko kopš 2006 g.) - reizē veicina Latvijas materiālzinātnieku starptautisko atpazīstamību un ierosina jaunas starptautiskas sadarbības aktuālu zinātnisku un tehnoloģisku problēmu risināšanai.