Doktoranci i studenci Politechniki Wrocławskiej konstruują czujniki do pomiarów mikro- i nanostruktur. – Takie rzeczy robi niewiele zespołów na świecie – mówi Magdalena Moczała, prowadząca badania w ramach projektu TEAM FoMaMet
Uczestniczą w nim młodzi naukowcy z Zakładu Metrologii Mikro- i Nanostruktur na Wydziale Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki. Opiekunem zespołu jest profesor Teodor Gotszalk. Badania finansuje Fundacja na rzecz Nauki Polskiej, która przyznała Politechnice Wrocławskiej na ten cel ponad 900 tysięcy złotych. Projekt wystartował w październiku 2013 roku. W tym samym czasie studia doktoranckie i działania naukowe w ramach projektu FoMaMet rozpoczęła Magdalena Moczała.
Iwona Szajner: Rozszyfrujmy może najpierw nazwę projektu – TEAM FoMaMet .
Magdalena Moczała: Brzmi nieco zagadkowo? To dobrze! (śmiech) Autorem nazwy jest profesor Teodor Gotszalk. Skrót pochodzi od angielskich słów: Force and Mass Metrology. A chodzi tu o pomiary bardzo małych sił i mas.
Jak małych?
Bardzo, bardzo małych. Liczonych w nanoskali: nanoniutonach, nanogramach i jeszcze mniejszych. Świat elektroniki podlega coraz większej miniaturyzacji. Szukamy metod, jak obserwować i mierzyć zjawiska zachodzące w strukturach o wymiarach rzędu pojedynczych nanometrów.
A gdybyśmy chcieli sobie wyobrazić tę skalę?
Dajmy na to, że chcemy powiększyć atom – cząstkę węgla o wymiarze około 0,2 nm do wielkości pomarańczy. W takiej samej skali powiększona pomarańcza byłaby wielkości kuli ziemskiej. Albo wyobraźmy sobie, że chcemy powiększyć fulleren - cząstkę o wymiarze około 2 nm złożoną z 60 atomów węgla - tak, aby jego średnica była równa średnicy włosa. Tak samo powiększony włos miałby średnicę zbliżoną do starego dębu. Takich wymiarów i mas nie sposób zmierzyć czy zważyć za pomocą urządzeń, które posiada przeciętny Kowalski. Ale my je mamy!
Jak wyglądają pomiary w nanoskali?
Aby wykonać takie pomiary, wykorzystujemy mikro- i nanoukłady, określane jako MEMS i NEMS. Znowu mamy angielskie nazewnictwo: micro-electro-mechanical systems oraz nano-electro-mechanical systems, czyli urządzenia, systemy mikro- i nanoelektromechaniczne. Efektem naszych działań mają być specjalne czujniki. Jednym „materiałem badawczym” są dźwignie np. piezorezystywne, czyli takie belki, jakich używamy w mikroskopie sił atomowych. Tu w zespole mamy dosyć duże doświadczenie w tego typu belkach. Kolejna grupa to belki dwustronnie zamocowane, inaczej mikromostki oraz nanodruty krzemowe. Trzeci element naszych badań to membrany grafenowe. I, o ile w przypadku pomiarów belek jednostronnie zamocowanych radzimy już sobie całkiem dobrze, czujemy ich mechanikę, wymyślamy nowe konstrukcje, o tyle struktury grafenowe i mostki ciągle są dla nas jeszcze dużym wyzwaniem.
1.
2.
Ile osób zaangażowanych jest w ten projekt?
Sześć. Trzech doktorantów: Karolina Orłowska, która zaczynała jeszcze jako studentka na ostatnim roku studiów, Krzysztof Gajewski i ja, do pomocy mamy też studentów: Artura Dobosza, Kamila Raczkowskiego i Andrzeja Dzierkę. Nad wszystkim czuwa profesor Gotszalk. Każdy z nas tak naprawdę ma do opracowania inne zagadnienie. Karolina Orłowska konstruuje czujnik światłowodowy do detekcji drgań badanych struktur. Przygotowuje urządzenie, za pomocą którego będziemy w stanie zobaczyć drgania tych struktur. Z kolei Michał Babij w ramach pracy magisterskiej skonstruował wykorzystywany przez nas w pomiarach zestaw próżniowy.
A pani?
Ja wykorzystuję belkę dwustronnie zamocowaną jako czujnik masy, np. markerów nowotworowych.
Wkraczamy w tematykę bioinżynerii…
Nanotechnologia i nanostruktury to zagadnienia, którymi interesuje się teraz cały świat nauki i obejmuje takie dziedziny, jak elektronika, chemia, biologia czy medycyna. Markery nowotworowe w naszej krwi, np. białka, antygeny czy enzymy są badane w nanogramach na mililitr. Zwiększenie stężenia tej konkretnej substancji we krwi może sygnalizować, że coś niedobrego się dzieje w naszym organizmie i trzeba wykonać dodatkowe badania. Potrzeba kilku dni, żeby wyselekcjonować te nanogramy na mililitr. Z wykorzystaniem mikro- i nanobelek – znacznie krócej. Możemy sfunkcjonalizować powierzchnię belki. Wtedy nasze struktury są pokryte warstwą receptorową, np. warstwami samoorganizującymi się. One dają nam pewność, że do powierzchni naszej nanobelki przyklei się tylko konkretna molekuła. Jeżeli tak się stanie, to zmieni się częstotliwość rezonansowa tej struktury i mamy czujnik masy. My chcemy opracować platformę czujnikową do mierzenia jak najmniejszych mas i jak najmniejszych sił.
Czyli założeniem projektu nie jest wdrożenie, ale opracowanie sposobu i skonstruowanie odpowiedniego systemu urządzeń do pomiarów?
Zgadza się. Istnieje duży problem z ustaleniem wzorców w nanoskali. Ile tak naprawdę ma nanoniuton? Ciężko to zmierzyć. Tak samo, jeżeli chodzi o masę, szczególnie, że masa pojedynczego białka to około 25 attogramów – czyli jeszcze miliard razy mniej niż nanogram.
Kto będzie mógł skorzystać z wyników waszych badań?
Chcę podkreślić, że są to badania podstawowe, czyli oryginalne prace badawcze podejmowane przede wszystkim w celu zdobywania nowej wiedzy. Jednak z wyników naszych badań będą mogły skorzystać zarówno ośrodki zajmujące się metrologią w mikro- i nanoskali, jak i instytucje zajmujące się wdrożeniem powstałych prototypów systemów czujnikowych.
Wszystko badacie na urządzeniach na Politechnice?
W projekcie naszymi partnerami są Instytut Technologii Elektronowej w Piasecznie, a także zagraniczne ośrodki: Instytut Fraunhofera w Dreźnie, Uniwersytet Techniczny w Ilmenau i Uniwersytet w Birmingham, Imperial College London, a także National Physical Laboratory w Teddington. Staramy się wykorzystywać okazję i robić badania też u naszych partnerów. Wtedy istnieje możliwość porównania wyników. Większość pomiarów wykonujemy jednak w naszych zakładowych laboratoriach.
Śledzicie, co w tym temacie robią zespoły w innych krajach?
Oczywiście. Współpracujemy z kilkoma ekspertami w tej dziedzinie, np. profesorem Ehrenfriedem Zschechem, profesorem Ivo Rangelowem czy profesorem Philem Prewettem. Zapraszamy ich na Politechnikę. Oni przygotowują dla nas wykłady, my pokazujemy nasze stanowiska badawcze, opowiadamy o tym, czym się aktualnie zajmujemy, a potem prezentujemy uzyskane wyniki. Ponieważ też się zajmują podobną tematyką, to możemy podyskutować i skorzystać z ich wskazówek. Zorganizowaliśmy już kilka takich seminariów.
I pewnie przedstawiacie swoje badania też na konferencjach naukowych?
W projekcie mamy przewidziane pieniądze nie tylko na opracowanie układów czujnikowych, ale też na udział w konferencjach. I korzystamy z tego, szczególnie jeżeli chodzi o konferencje zagraniczne, bo można naprawdę dużo podczas takich wyjazdów się nauczyć. Najpierw wysyłamy abstrakt i jeżeli nasze prace są zaakceptowane do sekcji plakatowej lub wystąpień ustnych, to jedziemy. We wrześniu np. byliśmy w Lozannie na wielkiej konferencji „40th Micro- and Nano Engineering 2014”. Cztery dni intensywnych seminariów, spotkań, ogromna ilość materiału. Bardzo kształcące doświadczenie.
A nie boicie się, że gdzieś na świecie, jacyś inni młodzi naukowcy wyprzedzą was w badaniach?
Niewiele zespołów zajmuje się dokładnie tym, czym my. Mamy więc szerokie pole do popisu (śmiech). Wiemy, że w Kopenhadze grupa Anji Boisen prowadzi badania nad czujnikami bardzo małych mas, a w Stanach Zjednoczonych jest to zespół profesora Michaela Roukesa. Jednak rozmach ich badań jest zdecydowanie większy, zupełnie inny kosmos!
Rozmawiała Iwona Szajner
Na zdjęciach: 1. belka piezorezystywna, 2. membrana grafenowa