Dziś grafen badają wszyscy, a my jesteśmy w czołówce badaczy na świecie. Pokazujemy, że wcale nie trzeba wyjeżdżać do dużych zagranicznych ośrodków, by mieć osiągnięcia w nauce – podkreśla dr inż. Grzegorz Soboń, przed kilkoma dniami ogłoszony finalistą Nagród Naukowych „Polityki”
Rozmowa z dr inż. Grzegorzem Soboniem z Grupy Elektroniki Laserowej i Światłowodowej na Wydziale Elektroniki Politechniki Wrocławskiej
Lucyna Róg: - „Cały świat oszalał teraz na punkcie grafenu. Staramy się znaleźć dla siebie niszę” – mówił pan w jednym z wywiadów, opowiadając o badaniach nad laserami grafenowymi, które prowadzicie na Politechnice Wrocławskiej. Jest sens ścigać się z zagranicznymi ośrodkami dysponującymi dużymi budżetami?
Dr inż. Grzegorz Soboń*: - Ale to nas świat ściga w tym momencie! I mówię to bez przesady. Cały ten szum wokół grafenu zaczął się w 2004 r., kiedy dwaj naukowcy, Andre Geim i Konstantin Novoselov, wyizolowali pojedynczą warstwę grafenu i zweryfikowali eksperymentalnie jej własności elektryczne, o jakich wcześniej jedynie teoretyzowano. Sześć lat później, gdy za badania nad grafenem naukowcom z Uniwersytetu w Manchesterze przyznano Nagrodę Nobla, o tym materiale usłyszał już cały świat.
Prace nad zastosowaniem grafenu w laserach zaczęto prowadzić około 2009 r., pokazując że można go wykorzystać do stworzenia laserów impulsowych. Półtora roku później taki laser stworzyliśmy my. Byliśmy pierwsi w Polsce, a na świecie stanowiliśmy może jedną z pięciu-sześciu grup badawczych, które się tym zajmują. Wówczas jeszcze niewiele ośrodków naukowych interesowało się akurat takim sposobem wykorzystania grafenu, więc wyprzedziliśmy innych i od razu osiągnęliśmy kilka naprawdę dobrych wyników.
Dziś jesteśmy już rozpoznawalni w dziedzinie, którą się zajmujemy. Nasze prace są chętnie cytowane w międzynarodowych czasopismach i jesteśmy zapraszani na konferencje naukowe na całym świecie. Może to zabrzmi mało skromnie, ale jesteśmy w czołówce naukowców badających zastosowanie grafenu w laserach. Mamy wiele osiągnięć, które pokazaliśmy światu jako pierwsi, a inni dopiero je po nas powtarzali. Jako pierwsi skonstruowaliśmy np. wykorzystujący grafen światłowodowy laser z liniową polaryzacją wiązki. Jako pierwsi również pokazaliśmy, że grafen może pomóc synchronizować ze sobą fazowo dwa zupełnie różne lasery femtosekundowe, pracujące na różnych długościach fali.
Oczywiście nasz budżet, liczba osób w zespole czy warunki lokalowe są pewnie dużo skromniejsze niż te na uniwersytetach w Cambridge czy w Singapurze, ale nie mamy się czego wstydzić, a wręcz przeciwnie.
Odczuwacie presję konkurencji? Podglądacie, nad czym aktualnie pracuje?
Codziennie przeglądamy czasopisma naukowe. Musimy być na bieżąco z tym, co się publikuje, a praktycznie każdego dnia ukazuje się jakiś nowy artykuł związany z badaniami nad grafenem. Wiele prac sami także recenzujemy i dzięki temu wiemy wcześniej, że ktoś bada jakiś aspekt.
To ważne, by trzymać rękę na pulsie, bo bywa tak, że pracujemy nad czymś, co wydaje nam się unikatowe, a dwa dni później czytamy już o tym w publikacji naukowców np. ze Stanów Zjednoczonych czy z Chin. Chińczycy zresztą zalewają czasopisma naukowe swoimi publikacjami i zasypują konferencje referatami. Nie zawsze są to prace najwyższej jakości, czasem są to teksty wtórne, ale i tak musimy regularnie przeglądać to wszystko, co się ukazuje, żeby wiedzieć, co się wokół grafenu dzieje.
O to właśnie pytam. Mogę się tylko domyślać, że świadomość tego, że w tym momencie chińscy czy amerykańscy naukowcy mogą publikować tekst o odkryciu, nad którym państwo pracujecie od dłuższego czasu, musi wiązać się z dużą presją.
Dla nas to raczej motywacja. Konkurujemy przecież także jakością prac, a często publikacje związane z grafenem pozostawiają w nas duże wątpliwości co do ich rzetelności. Widzimy, że coś zostało niedokładnie zmierzone albo że badanie dałoby się przeprowadzić lepiej, więc powtarzamy je i bywa, że mamy rację. To także prowadzi nas do pewnych odkryć.
Ale czy nie jest tak, że w świecie nauki obowiązuje zasada: „kto pierwszy, ten lepszy”?
Nie da się tego ukryć. Profesor Ursula Keller z Instytutu Elektroniki Kwantowej Politechniki Federalnej w Zurychu, jeden z najważniejszych badaczy w dziedzinie techniki laserowej, zawsze powtarza, że nie ważne, jak ktoś coś zrobi, ważne żeby był pierwszy. Bo to na niego będą się później powoływać i to jego zapamiętają. My jednak staramy się jednocześnie i być pierwsi, i dobrze robić to, czym się zajmujemy. Co najważniejsze - parę razy już się nam to udało. Nie paraliżuje nas więc myśl, że ktoś depcze nam po piętach. To raczej mobilizuje, by starać się jeszcze bardziej. Wiemy, że musimy utrzymywać wysokie tempo swoich prac i robimy to.
Skąd to „szaleństwo” grafenowe wśród naukowców?
W Polsce o takim wielkim zainteresowaniu grafenem można mówić dopiero od dwóch - trzech lat, kiedy nagłośniono w mediach sukcesy naukowców z Warszawy. Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych zaczął prace nad grafenem około 2007 roku, a 2-3 lata temu okazało się, że polska metoda wytwarzania grafenu jest prostsza i tańsza niż ta rozwijana na Zachodzie. Poza tym pozwala na uzyskanie grafenu o bardzo wysokiej jakości, czyli z niewielką ilością defektów.
Ale z czego wynika fakt, że tak wiele ośrodków chce grafen produkować albo badać?
Bo to materiał o różnych własnościach i gdyby udało się go produkować na masową skalę w wysokiej jakości, to mógłby zrewolucjonizować wiele dziedzin życia.
O grafenie czytamy, że jest najtrwalszym i najbardziej wytrzymałym materiałem znanym ludzkości, a jednocześnie może być „superszybkim przełącznikiem światła”- to akurat pańskie określenie. Można się w tym pogubić.
To, jak różnie jest opisywany grafen, wynika z faktu, że ma wiele własności elektrycznych, mechanicznych i optycznych.
Czyli, mówiąc kolokwialnie, każdy naukowiec coś dla siebie w grafenie znajdzie?
Z tego powodu badają go dziś wszyscy. Aż trudno sobie wyobrazić, że jeden materiał może mieć tak wiele różnych własności, ale to prawda.
I tak np. medycy podejmują badania kompatybilności biologicznej grafenu z tkankami chcąc sprawdzić, czy można go będzie stosować w leczeniu pacjentów. Elektronicy i fizycy badają jego przewodnictwo, ruchliwość elektronów w grafenie oraz wszystkie inne kwestie związane z potencjalnym zastosowaniem grafenu w elektronice: procesorach, tranzystorach czy ekranach dotykowych. Optycy, tacy jak my, badają przede wszystkim nieliniowe własności optyczne grafenu oraz sprawdzają możliwości wykorzystywania grafenu w laserach. Mechanicy pracują nad grafenem pod kątem jego wytrzymałości, przewodności cieplnej, itd. Dodają go też do różnych kompozytów, żeby sprawdzić, czy powoduje on wzmocnienie danej struktury. Słyszałem już nawet o rakietach tenisowych, które mają grafen. Novak Djokovic grał takimi rakietami w swoich ostatnich turniejach. Trudno powiedzieć, czy grafen faktycznie jakoś wpłynął na jakość jego rakiet, czy to tylko chwyt marketingowy, ale pokazuje to, jak wielkie jest zainteresowanie tym materiałem.
Ostatnio nawet na największej światowej konferencji poświęconej grafenowi, czyli Graphene Week w Szwecji, pracownicy jednej z międzynarodowych korporacji pokazywali telefony z grafenem, które można dowolnie wyginać, zaginać, itd. To prototypy, ale już dobrze działające, więc pewnie lada chwila zobaczymy je w reklamach i na półkach sklepów.
A co mamy rozumieć przez „superszybki przełącznik światła”?
Grafen może transmitować i absorbować światło w zależności od natężenia. Dla światła o dużym natężeniu staje się przezroczysty. Oznacza to, że jeśli użyjemy go w laserze, to wymusza on jego impulsową pracę, czyli sprawia, że laser generuje impulsy, a nie falę ciągłą, taką jak choćby w laserowych wskaźnikach, które wszyscy znamy. Grafen przełącza się w czasie setek femtosekund, czyli 10 - 15 sekundy, co powoduje, że generowane impulsy są bardzo krótkie, a powtarzają się w odstępach raz na kilkadziesiąt nanosekund.
Dlaczego to takie ważne?
Lasery pracujące impulsowo mają wiele zastosowań, np. w obróbce materiałów. Krótkie impulsy oddziałują na materiał tylko przez chwilkę, a dzięki temu nie powodują jego nagrzania. Takim laserem możemy np. wycinać otwory, robić mikrowiercenia, nacięcia czy znakowania bez ryzyka, że na materiale, na którym pracujemy, powstaną nadtopienia. Oczywiście przez cały czas mówimy tutaj o skali mikro. W przypadku wielu dziedzin precyzja cięć jest szalenie ważna i nie można sobie pozwolić na to, by jakość powierzchni obrabianego materiału nie była wysoka.
Takie lasery wykorzystuje się też w medycynie – w mikrochirurgii, chirurgii oka czy leczeniu zaćmy. Co oczywiste, tam także ważne jest, żeby nie uszkadzać termicznie, czyli mówiąc prościej - nie nadtapiać tkanek.
Lasery femtosekundowe stanowią również tzw. optyczny grzebień częstotliwości, a to prowadzi do tego, że mogą być najdokładniejszym możliwym przyrządem metrologicznym. Stanowią doskonały wzorzec częstotliwości i czasu. Najdokładniejszy na świecie zegar jest oparty właśnie o laser, który generuje takie krótkie impulsy. Jeszcze nie jest to laser z grafenem, a z wykorzystaniem innej technologii, ale równie dobrze mógłby w nim być grafen. Ten zegar ma dokładność jednej sekundy na miliardy lat. Jest więc najdokładniejszym wzorcem optyczno-atomowym. Także przyrządy astronomiczne są obecnie kalibrowane przy użyciu optycznych grzebieni częstotliwości. Dzięki temu naukowcy są w stanie obserwować przesunięcia ciał niebieskich na poziomie pojedynczych centymetrów na sekundę. Zastosowanie tej technologii pozwoliło na odkrycie nowych planet poza układem słonecznym.
Oczywiście istnieją konkurencyjne dla grafenu techniki tworzenia laserów impulsowych, które są wykorzystywane od lat. Każda jednak ma swoje wady i grafen może się okazać od niej lepszy.
A jakie wady ma grafen? Pytam, bo na razie wszyscy mówią o nim niemal jak o remedium na wszystko.
Na razie przede wszystkim problemem jest jego wytwarzanie. Mówi się wprawdzie o produkcji wielkoskalowej, ale nie udało się jeszcze takiej technologii opanować. Trzeba pamiętać, że ten jedyny, prawdziwy grafen powstaje, kiedy z kawałka grafitu mechanicznie oderwiemy jedną warstwę. Ten produkowany w różnych ośrodkach na całym świecie jest grafenem sztucznym i nigdy nie jest jakościowo równie dobry jak ten naturalny.
Z naszego, laserowego, punktu widzenia ma to swoje wady, bo nie zawsze taki sztuczny grafen ma parametry, których byśmy oczekiwali. Wciąż jeszcze bardzo wiele zależy od sposobu jego produkcji. Na pewno więc koniecznych jest jeszcze wiele badań, by poprawić sposób jego otrzymywania.
To prawda, że my, naukowcy, bardzo się dziś zachwycamy grafenem, a wielu zakłada nawet, że wyprze on krzem i to z grafenu będzie się tworzyć tranzystory, procesory, itd. Pewnie musimy trochę ochłodzić głowy, pamiętając, że grafen ma dopiero parę lat. Za 10 czy 15 będziemy na pewno wiedzieć o nim więcej.
Wspominał pan, że państwa zespół pracujący nad laserami grafenowymi nie jest duży. Ile osób liczy?
Na początku było nas dwóch, ja i dr Jarosław Sotor. We dwójkę zbudowaliśmy i uruchomiliśmy w listopadzie 2011 roku pierwszy w Polsce laser z grafenem, który również samodzielnie eksfoliowaliśmy z bloku grafitu. Ten eksperyment zapoczątkował „lawinę” kolejnych wyników. Później, razem z naszym mentorem i jednocześnie szefem – profesorem Krzysztofem Abramskim pozyskaliśmy dwa granty badawcze i mogliśmy rozbudować zespół i zaplecze aparaturowe. Dziś nad laserami femtosekundowymi pracujemy w pięć osób. Dołączyli do nas doktoranci: Jakub Bogusławski, Jan Tarka oraz Karol Krzempek. Mamy również wsparcie naszych znakomitych elektroników: dr. Adama Węża oraz dr. Grzegorza Dudzika.
W pięć osób ścigacie się z Chinami, ośrodkami w USA, Cambridge i innymi?
I jak do tej pory dajemy sobie z tym radę, choć przyznaję, że wymaga to od nas wiele pracy, tym bardziej, że nie tylko tym się zajmujemy. Bardzo blisko współpracujemy także z Instytutem Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie, grupami dr. Włodzimierza Strupińskiego i dr Ludwiki Lipińskiej. Zespoły z ITME przygotowują dla nas próbki grafenu w różnych postaciach, a to odciąża nas od części technologicznej. Nie musimy sami produkować grafenu.
Oczywiście z zazdrością patrzymy na naukowców z zagranicznych zespołów badawczych, którzy na konferencjach zwyczajowo na ostatnim slajdzie swojej prezentacji pokazują zdjęcie grupy, w jakiej pracują. Często jest na nich około 30 osób. Mamy świadomość, że wynika to z faktu, że w ich krajach przeznacza się zupełnie inne budżety na naukę. Kiedyś, dla żartu, do swojej prezentacji wstawiłem zdjęcie naszej grupy, na którym byłem ja i Jarek. Wywołało to dużo uśmiechów na sali, a potem wszyscy przychodzili nam gratulować.
Ale nie uciekniecie nam panowie do Cambridge albo do Chin?
Nie zamierzamy. Ja sam nigdy nie byłem nawet na żadnym zagranicznym stażu, bo po prostu nie mam na to czasu. Zbyt wiele pracy mam na miejscu i gdybym wyjechał, wielu rzeczy byśmy nie zrobili.
Jestem przeciwnikiem myślenia, że żeby coś osiągnąć w nauce, trzeba wyjechać za granicę. Myślę, że stanowimy dobry przykład na to, że jak się chce, to i w Polsce można. Przyjąłem sobie za cel udowodnić, że nie trzeba wyjeżdżać, aby rozpocząć nową tematykę badawczą i osiągać rezultaty oryginalne na skalę światową. Ludzie z całego świata piszą przecież do nas, że chcą przyjechać na Politechnikę Wrocławską na tzw. Post-doc. To chyba coś pokazuje? Tu także możemy zdobyć środki na badania i jest ich coraz więcej. Ostatnio pozyskałem 655 tys. zł na trzyletni projekt naukowy w ramach programu SONATA Narodowego Centrum Nauki, dla młodych naukowców po doktoracie. Moi koledzy z zespołu także bez większych problemów dostają granty.
Poza tym wszystkim gdybyśmy chcieli wyjechać, żeby dowiedzieć się czegoś nowego w dziedzinie grafenowych laserów, to na całym świecie są może ze dwa albo trzy takie ośrodki, w których faktycznie naukowo byśmy się bardziej rozwinęli. A z pracującymi tam naukowcami i tak jesteśmy w stałych kontaktach. Widujemy się regularnie na konferencjach, wymieniamy się uwagami, naszymi doświadczeniami, próbkami materiałów, itd.
Badania nad grafenem w laserach prowadzicie już pod konkretne zamówienia firm?
Skupiliśmy się na badaniach podstawowych, ale wiemy o dużym zainteresowaniu przemysłu. Mieliśmy już nawet zapytania od firm niemieckich, ale na razie za wcześnie, by więcej o tym mówić. Realizujemy też projekt rozwojowy finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, w ramach którego stworzyliśmy konsorcjum z Instytutem Technologii Materiałów Elektronicznych oraz firmą Fiber Optic Technical Support z Wrocławia. Tworzymy prototypy laserów, a zadaniem firmy będzie ich przetestowanie pod kątem przemysłowym i przyszła komercjalizacja. Mogą to być pierwsze na świecie komercyjne lasery światłowodowe wykorzystujące grafen. O ile nikt nas nie wyprzedzi. Na tle innych rozwiązań wyróżniamy się z pewnością bardzo miniaturowymi rozmiarami naszych laserów i ich banalną obsługą, bez konieczności justowania, regulowania. Parametrami optycznymi nie odbiegają od dużo droższych i bardziej skomplikowanych rozwiązań istniejących na rynku.
Na jakim etapie badań jesteście?
Jeśli chodzi o prototyp, to jest w zasadzie gotowy. Na razie testujemy go jeszcze w naszym laboratorium, a niebawem przekażemy firmie.
Natomiast jeśli chodzi o ogół naszych badań nad grafenem, to trudno byłoby nam zadeklarować jakiś etap, bo trudno jasno zdefiniować jeden konkretny cel w tak dynamicznie rozwijającej się dziedzinie nauki. Codziennie pojawiają się nowe dane i zajmujemy się jakimś nowym aspektem. Każdy z nas w zespole pracuje nad kilkoma koncepcjami jednocześnie. Mamy już wiele działających układów laserów, a ostatnio zajęliśmy się także badaniami nowych materiałów „grafenopodobnych”, które mają własności zbliżone do grafenu, a także podobną do niego strukturę. Pojawiły się teraz na fali zainteresowania tym materiałem.
Co to znaczy pojawiły?
To materiały od lat wykorzystywane, ale teraz odkryto, że ich cienkie warstwy mają podobne do grafenu własności. Przykładem takich nanomateriałów są tzw. izolatory topologiczne, np. tellurek antymonu. Wytworzono je w 2007 r., ale używano do zupełnie innych celów i dopiero niedawno odkryto ich własności optyczne, które nas również interesują. Wspomniany tellurek antymonu użyliśmy w laserze do generacji impulsów jako pierwsi na świecie. Przed nami jeszcze wiele pracy.
Rozmawiała Lucyna Róg
Grafen to jednowarstwowa struktura węgla zbudowana z atomów złączonych w siatkę o sześciokątnych oczkach, co przypomina plastry miodu. Naukowcy zakładają, że ze względu na swoje właściwości i szerokie zastosowanie może w przyszłości zastąpić krzem. Za badania grafenu Andre Geim i Konstantin Nowosiołow z Uniwersytetu w Manchesterze dostali w 2010 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
*Dr inż. Grzegorz Soboń stopień doktora nauk technicznych uzyskał w lipcu 2013. roku na Wydziale Elektroniki Politechniki Wrocławskiej, broniąc z wyróżnieniem pracę „Światłowodowe układy typu MOPA do generacji i wzmacniania ultrakrótkich impulsów laserowych w III oknie telekomunikacyjnym”, realizowaną pod opieką profesora Krzysztofa Abramskiego. To absolwent Politechniki Wrocławskiej na kierunku Elektronika i Telekomunikacja, który ukończył jako jeden z dziesięciu najlepszych absolwentów wydziału. Jego praca magisterska „Wzmacniacz światłowodowy erbowo-iterbowy bazujący na włóknie double-clad typu LMA” została nagrodzona na ogólnopolskim konkursie imienia Profesora Adama Smolińskiego na najlepsze prace dyplomowe z zakresu optoelektroniki, organizowanym przez Polski Komitet Optoelektroniki przy Stowarzyszeniu Elektryków Polskich (SEP). Zajmuje się laserami i wzmacniaczami światłowodowymi, laserami femtosekundowymi wykorzystującymi grafen oraz optycznymi grzebieniami częstotliwości. Naukowiec jest współautorem 36 publikacji w czasopismach z listy filadelfijskiej, ponad 50 referatów konferencyjnych i sześciu polskich patentów oraz jednego międzynarodowego zgłoszenia patentowego. Jest laureatem wielu nagród i wyróżnień - m.in. Nagrody Prezesa Rady Ministrów (2014), stypendium START Fundacji na rzecz Nauki Polskiej (dwukrotnie, a w 2013 r. z wyróżnieniem), stypendium Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego (2013 r.) i Nagrody ABB (2014 r.), a kilka dni temu tygodnik „Polityka” ogłosił go jednym z finalistów swoich Nagród Naukowych. Od 2009 r. brał udział w pracach przy ośmiu projektach badawczych poświęconych laserom i wzmacniaczom światłowodowym, laserom na bazie grafenu i wibrometrii laserowej.