Fizyk: żeby zrobić krok naprzód, musimy odejść od krzemu

Dr hab. Bartłomiej Graczykowski, profesor Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu dodał, że te nowe nanomateriały są również odpowiedzią na rosnące potrzeby rynku przy malejących zasobach czy nawet deficytach, jak np. kryzys na rynku półprzewodników – niezbędnych elementów do budowy wszelakiej elektroniki.

Nanostruktury i nanomateriały to elementy o wielkości wyrażanej w nanometrach (nm) – jeden nanometr to jedna miliardowa metra, czyli jedna milionowa milimetra.

„Nanostrukturyzacja pozwala nam wzmacniać lub uzyskiwać zupełnie nowe właściwości optyczne, elektryczne, cieplne lub mechaniczne materii” – tłumaczył stypendysta Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej.

„Obecnie z jednej strony mamy nieustanną miniaturyzację i zwiększanie możliwości obliczeniowych elektroniki, ale z drugiej strony mierzymy się z rosnącym problemem ciepła procesowego, czyli tzw. kryzysem cieplnym. Polega on na tym, że ciągłe zwiększanie mocy przy zmniejszaniu objętości prowadzi do przegrzewania elektroniki. Co więcej, większość energii, którą produkuje ludzkość zamieniana jest ostatecznie na ciepło i jest to głównie tzw. ciepło odpadowe” – wskazał prof. Graczykowski.

Rozwiązaniem, które pozwoliłoby wykorzystywać tę utraconą energię, mogłaby być możliwość zamiany tego ciepła w prąd.

„Nanostrukturyzacja cienkich warstw lub membran półprzewodnikowych pozwala nam na zmniejszanie przewodnictwa cieplnego przy zachowanym lub poprawionym przewodnictwie elektrycznym. To daje możliwość zastosowania w modułach termoelektrycznych i samozasilanych czujnikach zmieniających ciepło środowiskowe, procesowe lub też odpadowe – bezpośrednio na prąd. Możliwość wytwarzania prądu z ciepła może mieć bardzo duże znaczenie, biorąc pod uwagę, że niemal wszystkie urządzenia (choćby komputery czy telefony komórkowe) generują ciepło procesowe i jest to zazwyczaj to wspomniane ciepło odpadowe” – mówił.

Materiały posiadające zdolność zamiany prądu w gradient ciepła (co ma miejsce np. w lodówkach turystycznych) lub odwrotnie – gradientu ciepła w prąd – nazywane są materiałami termoelektrycznymi.

Ich elastyczne odpowiedniki – reagujące na zmianę temperatur – mogłyby być zastosowane np. do sprawdzania, czy jedzenie kupowane w markecie faktycznie było przechowywane w podanych na opakowaniu temperaturach.

„Taki materiał termoelektryczny, nawet przy chwilowej różnicy temperatur, wygeneruje prąd i np. zmieni kolor. To może być forma naklejki – tania rzecz, bez dodatkowego zasilania, a bardzo przydatna” – ocenił badacz.

Obecnie naukowcy poszukujący alternatywy dla krzemu swe nadzieje wiążą z nanonechnologią materiałów van der Waalsa o grubości jednej lub kilku warstw molekularnych (kilku nanometrów).

„Szczególnie obiecujące są badania dichalkogenów metali przejściowych o strukturze warstwowej podobnej do tej, jaką ma sławny już grafen. Co istotne, w odróżnieniu od grafenu materiały te są półprzewodnikami, a ich właściwości fizyczne zależą silnie od ich grubości, czyli ilości warstw molekularnych” – powiedział.

Ostatnie badania zespołu prof. Graczykowskiego wskazują, że istnieją takie materiały, które wraz ze zmniejszaniem ich grubości do kilku warstw molekularnych stają się coraz bardziej miękkie. Dotąd uważano, że – na podstawie wiedzy o grafenie – dzieje się odwrotnie.

Nawiązując do tych wyników, prof. Graczykowski wskazał, że te cienkie półprzewodniki pozwalają przejść ze sztywnej architektury krzemowych układów scalonych do elastycznej elektroniki dającej swobodę deformacji materiału. W przyszłości taki nanomateriał mógłby zostać zastosowany np. w medycynie do produkcji czujników, które wyglądałyby jak naklejka i naklejone na skórę mogłyby np. monitorować temperaturę lub poziom zakwaszenia.

Ponadto wśród wyzwań w szukaniu następców krzemu do zastosowania w elektronice wymienia się także kwestię produkowania materiałów nano o dużej powierzchni.

„Musi to być proces rutynowy i kontrolowany, a nie oparty wyłącznie na metodzie laboratoryjnej” – wyjaśnił fizyk.

„Myślę, że krzem będzie jeszcze królować wiele lat, ale musimy patrzeć w przyszłość i już teraz prowadzić badania podstawowe nad nowymi nanomateriałami, z których wiele jest naprawdę obiecujących” – podsumował dr hab. Graczykowski.

PAP – Nauka w Polsce, Agnieszka Kliks-Pudlik