Kiekvieną žmonijos erą lydėjo medžiagos, pvz.: akmens amžiuje bene populiariausia medžiaga buvo akmuo, bronzos ir geležies amžiuose – bronza ir geležis, moderniajame pasaulyje vyravo betonas ar nerūdijantis plienas ir t. t. Kokios medžiagos eroje gyvename dabar? Kaip naujos medžiagos ir aukštosios nanotechnologijos keičia pasaulį? Jos neabejotinai skverbiasi į verslą ir pramonę. O į kasdienį mūsų gyvenimą ir buitį?
Apie naujausias medžiagas ir technologijas bei jų tendencijas, apie suvokimo ribas plečiančias inovacijas ir atradimus kalbamės su Kauno technologijos universiteto Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto (KTU MGMF) profesoriumi Tomu Tamulevičiumi.
– Tomai, kokioje eroje gyvename dabar? Silicio? Grafeno? Kokią įtaką naujos medžiagos daro mūsų gyvenimams? Pramonei ir verslui?
– Pažvelgus į sritis, kuriomis labiausiai domisi mokslininkai, ko gero, galėtume teigti, kad gyvename dvimačių medžiagų eroje. Be jūsų minėto silicio sunkiai išsiverstume, nes tai – visos elektronikos pagrindas. Kita vertus, tai tik fizinis padėklas, atspirties taškas, ant kurio, naudojant pažangiausius litografijos metodus švariuosiuose kambariuose, formuojami nanometrinių matmenų laidininkų kanalai, barjerai, elektrodai, kurie vėliau tampa išmaniųjų įrenginių varikliais, t. y. procesoriais, atmintimis ir t. t.
Rinkos tendencijas atspindintis Gordon E. Moore paskelbtas „dėsnis” – kas dvejus metus padvigubinti tranzistorių tankį integriniuose grandynuose – skatina gamintojų progresą bei audrina vartotojų požiūrį į nuolat spartėjančius išmaniuosius įrenginius.
Būtent čia yra erdvės moksliniams tyrimams – tiek vystant nanometrinės raiškos litografijos technologijas, tiek vykdant išmanių medžiagų paieškas.
– Milijoną kartų už popierių plonesnio 1 atomo storio grafeno atradimas sukėlė tikrą revoliuciją nanotechnologijose. Kuo grafenas ir kitos 2D medžiagos ypatingos? Kokios jų taikymo galimybės? Labai perspektyviai skamba taikymai medicinoje, bet kokiems sektoriams galite prognozuoti inovacijų proveržį?
– Labai greitai po grafeno atradimo mokslininkams Andre Geim bei Konstantin Novasolev 2010 metais buvo paskirta Nobelio premija, kuri neliko nepastebėta ne tik fizikų, bet viso pasaulio mokslininkų. Dėl savo išskirtinių savybių, elektrinio laidumo, skaidrumo, mechaninių savybių grafenas yra labai patraukli medžiaga patiems įvairiausiems taikymams: nuo jutiklių ir alternatyvios energetikos iki biomedicininių taikymų ar filtrų.
Grafeno tyrimai prasidėjo nuo lipnios juostelės naudojimo atskiriems grafito sluoksniams atskirti nuo mums visiems įprasto bei kasdien naudojamo grafito, esančio pieštukuose. Deja, tai labai netechnologiškas procesas, o grafeno lakštai yra labai nedideli ir jų niekaip nepavyktų panaudoti masinėje elektronikos gamyboje.
Nepaisant itin didelių pastangų suformuoti pramonės poreikius atitinkančio dešimčių centimetrų ploto grafeno sritis, iki šiol kokybiškai to padaryti nepavyksta. Manyčiau, kad didžiausia sėkmė ištisinio grafeno auginimo srityje yra įvairių katalitinių paviršių naudojimas, tačiau tai techniškai apsunkina vėlesnį šios medžiagos panaudojimą, nes perkelti vieno atomo storio sluoksnį ant kito padėklo yra itin sudėtinga užduotis.
KTU „Santakos” slėnio laboratorijose yra žengiami pirmieji žingsniai grafeno bei jo vertikalių nanostruktūrų (vertikalaus grafeno) auginimo tiesiogiai ant technologiškų silicio bei kvarco pagrindų. Pagrindinis vystomos technologijos privalumas – nereikalingas ir sudėtingas daugiapakopis grafeno perkėlimo procesas. Tai gali būti labai didelis žingsnis į priekį realiam grafeno pritaikomumui.
Pasaulį ištikus koronaviruso pandemijai buvo susidomėta grafeno, kaip barjerinės medžiagos virusams, tyrimais. Taip pat jis plačiai naudojamas kaip aktyvi medžiaga biojutikliams. Šiandieną dar sunku atsakyti, kurioje grafeno taikymų srityje būtų galima sulaukti didžiausios sėkmės, bet ji akivaizdžiai nebetoli.
– Kaip manote, ar turi potencialo šios inovacijos keisti pasaulį iš esmės? Kalbu apie tikrai didelio masto, pavyzdžiui, ekologinių ar energetinių problemų sprendimą?
– Potencialo, žinoma, yra. Šiandieniame pasaulyje nuolat susiduriama su iškastinių medžiagų trūkumu. Skaidrūs liečiami (o greit ir lankstūs) ekranai, talpios automobilių bei namų reikmėms skirtos baterijos ar netgi saulės elektrinės tapo neatsiejama kiekvieno iš mūsų gyvenimo dalimi, o jų gamybai reikalingos naudingosios iškasenos, kurių ištekliai, deja, yra riboti.
Dėl naudingųjų iškasenų net įsiplieskia tarptautiniai konfliktai, pavyzdžiui, Kinijoje yra didžioji dalis indžio atsargų. Šiemet plačiai nuskambėjo elektromobilių ir baterijų gamintojos „Tesla“ noras užsitikrinti kobalto atsargų tiekimą ir t. t. tačiau silicio ir anglies išteklių, greičiausiai, niekada neišnaudosime, todėl alternatyvų iškastinėms medžiagoms paieška yra itin didelė paskata tyrėjams visame pasaulyje.
– Nanotechnologijų kūrimo ir taikymo nauda akivaizdi, bet ar nekyla rizikų? Kokios grėsmės kyla nanotechnologijoms vis labiau skverbiantis į kiekvieno žmogaus gyvenimą?
– Nanomedžiagų buvo sukurta tokia gausybė, kad dabar susiduriama su itin didžiuliu iššūkiu, vertinant jų visų poveikį aplinkai ir gyviems organizmams.
Bene labiausiai paplitęs nanomedžiagų vartojimo pavyzdys yra saulės kremai su titano oksido nanodalelėmis, kurios efektyviai sugeria saulės šviesą ir apsaugo mūsų odą nuo kenksmingų saulės skleidžiamų ultravioletinių spindulių.
Nanomedžiagos plačiai naudojamos siekiant pagerinti įvairių konstrukcinių medžiagų savybes: nuo asfalto ir betono statybose iki metalo automobilių pramonėje, tačiau tokiu atveju, jos yra surištos, o pavojų galėtų kilti, nebent jas perdirbant.
Kitas su nanomedžiagomis susijęs pavojus yra jų įkvėpimas, todėl tam tikrose pramonės srityse labai svarbu dėvėti atitinkamas apsaugos priemones, nors patys gaminiai vėliau nėra pavojingi.
Biomedicinoje bene labiausiai intriguojantis nanotechnologijų taikymas ir, žinoma, pavojai yra susiję su CRISP-Cas genų žirklėmis, kurios gali atlikti užprogramuotus genų pakeitimus gyvame organizme. Tikimasi, kad tai padės gydant daugelį kitais būdais neišgydomų, su netobula žmogaus genetika susijusių ligų, tačiau dar tik dabar pradedami pirmieji klinikiniai bandymai su žmonėmis.
Atlikti pirmieji tyrimai su žmogaus embrionų genų redagavimais sukėlė labai aštrių mokslininkų diskusijų dėl bioetikos. Naudojant šią technologiją yra reali tikimybė, kad genai bus pakeisti ne toje vietoje kur užprogramuota.
– Nanotechnologijos keitė, keičia ir, panašu, kad toliau keis pasaulį. Kas laukia ateityje? Ar filmų vertas scenarijus su stebuklingomis medžiagomis ir savaiminiu žaizdų užgijimu/užsitraukimu gali tapti realybe? Kur brėžti ribą tarp mokslo ir mokslinės fantastikos?
– Svajoti reikia, o mokslinė fantastika yra geras įkvėpimas mokslininkams ir inžinieriams. Tačiau reikia pripažinti, kad žaizdos pačios mums akimirksniu neužgis dar ilgai. Čia, manyčiau, tūkstantmečių sėkmingos evoliucijos arba neįtikėtinos genų inžinerijos sėkmės klausimas, tačiau nanotechnologijos jau šiandien gelbsti kovojant su bakterinėmis infekcijomis.
Mūsų mokslinė grupė, bendradarbiaudama su Lietuvos sveikatos mokslų universiteto (LSMU) mokslininkais, yra sėkmingai parodžiusi, kad išmanūs pleistrai su nanokompozitinėmis medžiagomis, kuriose yra įterptos sidabro nanodalelės, žymiai paspartina žaizdų gijimą, net ir tais atvejais, kai infekcijos priežastys yra antibiotikams atsparios bakterijos.
Jūsų minimas scenarijus veikiau tikėtinas dirbtinai kuriamose inžinerinėse medžiagose ir dangose. Tuo, pavyzdžiui, itin domisi automobilių pramonė, kur jau dabar naudojami „užsigydantys“ dažai bei dangos.
– Jūs pats turite sukauptą tikrai įspūdingą patirtį: dirbote ir dirbate ne vienoje mokslo grupėje, vykdėte daug skirtingų projektų. Metų pradžioje pradėjote vykdyti projektą su Europos kosmoso agentūra (EKA), kur sieksite panaudoti savo įdirbį kuriant ir tiriant nanokompozitines dangas. Papasakokite plačiau apie šią savo veiklos sritį.
– Šiuo metu ir aš, ir kiti mūsų mokslinės grupės nariai, esame įsitraukę į keletą įdomių mokslinių projektų, kuriuose naudojame nanomedžiagas.
Jūsų paminėtame projekte, kurį finansuoja EKA, kartu su optinių dangų lazerinėms technologijoms gamintoju bendrove „Optonas”, siekiame panaudoti deimantiškosios anglies dangas, legiruotas sidabro nanodalelėmis šviesą neatspindinčioms juodoms dangoms. Tai ir iš teorinės, ir iš eksperimentinės pusės, įdomus uždavinys.
Ambicingi yra ir nacionaliniai projektai. Juose vystome nuo padirbinėjimo saugančius naujos kartos sprendimus – hologramas. Šios apsaugos nuo padirbinėjimo priemonės jau šiandien yra gaminamos mūsų startuolyje UAB „Holtida“ ir naudojamos patiems įvairiausiems tikslams: nuo svarbių dokumentų, pavyzdžiui, diplomų, iki automobilių numerių ar detalių pakuočių autentiškumo užtikrinimo.
Naudodami lazerinį poveikį bei kartu nusodindami atitinkamas dangas, bandome sukurti hidrofobinius paviršius, atsparius biologinei taršai bei apkalkėjimui. Šie tyrimai yra aktualūs išmaniems vandens suvartojimo apskaitos prietaisams.
Taip pat šiuo metu kartu su bendrove „Ortho Baltic“, LSMU ir kitais KTU padaliniais vykdome tarpsritinį projektą – kuriame išmanų šuntą hidrocefalijai gydyti, o rudenį pradėsime įgyvendinti Mokslo, inovacijų ir technologijų agentūros (MITA) finansuojamą mokslinių tyrimų komercinimo programos projektą. Jo metu kartu su startuoliu UAB „Nanoversa“ dirbsime su dvimatėmis medžiagomis ir jų taikymais plazmoniniams jutikliams.
Tokia didelė projektų gausa būtų sunkiai įveikiama be studentų, todėl mes labai džiaugiamės, kad šiemet prie mūsų projektų vykdytojų prisijungė ir KTU MGMF studentai bei absolventai. Vykdant inovatyvius mokslinius tyrimus įdomios veiklos atsiranda nuolat, todėl laboratorijose esame atviri studentams, ieškantiems žinių ir turintiems noro, susidurti su mokslo naujovėmis.
– Skamba išties labai įdomiai. Sprendimus kosmoso technologijoms kurti pradėjote ne iškart. Kaip atsidūrėte čia, kur dabar esate? Kokios žinios ir kompetencijos reikalingos norint dirbti medžiagų fizikos, nanotechnologijų srityje? Ką patartumėte jaunuoliui, nusprendusiam kurti inovacijas ir keisti pasaulį?
– Patrauklios idėjos atsiranda bedirbant. Labai svarbu kūrybinga aplinka – smalsūs ir darbui atsidavę idėjiški bei pasaulinėms tendencijoms atviri tyrėjai.
Kitas svarbus aspektas – kiek per studijas universitete pavyksta įsisavinti žinių. Studentai KTU turi visas galimybes įgyti reikiamų bazinių žinių, KTU MGMF yra puikių Fizikos, Medžiagų inžinerijos, Nanotechnologijų srities studijų programų, kurios nuolat atnaujinamos.
Dabar studentams yra kur kas daugiau galimybių nei anksčiau. Bene prieš 20 metų ir aš, baigęs KTU gimnaziją, pravėriau MGMF (tuomet – Fundamentaliųjų mokslų) fakulteto duris. Net nedrįstu spėlioti ir įsivaizduoti, ko galės pasiekti naujoji karta…
