Z atomową precyzją

Atomy są podstawowymi elementami budującymi całą materię wokół nas, łącznie z nami samymi. Coraz lepiej znamy ich budowę, właściwości oraz to, jak wchodzą w interakcje między sobą. W Instytucie Fizyki na Uniwersytecie Jagiellońskim naukowcy pracują nad nowymi nanostrukturami, o realizowanych projektach opowiada dr hab. Szymon Godlewski.

Nad czym obecnie Pan pracuje?

Obecnie realizujemy dwa projekty badawcze finansowane ze źródeł Narodowego Centrum Nauki w ramach konkursów Sonata Bis (2017/26/E/ST3/00855) i Opus (2019/35/B/ST5/02666). Chcemy stworzyć nowe struktury organiczne z wykorzystaniem syntezy na podłożu stałym. W tej koncepcji nowe struktury powstają w warunkach ultra wysokiej (kosmicznej) próżni, a zarówno materiał początkowy, jak i końcowe produkty umieszczane są na powierzchniach o krystalicznej strukturze. Podejście jest nakierowane na uzyskanie nowych obiektów o ściśle określonej strukturze i właściwościach. Kluczowym aspektem jest dążenie do atomowej precyzji, tzn. wytwarzania planowanych obiektów z dokładnością do pojedynczego atomu.

Dlaczego robią to Państwo w tak niezwykły sposób?

Synteza na powierzchni jest pewną alternatywa w kontekście tworzenia wybranych struktur. Z naukowego punktu widzenia taka metoda prowadzenia reakcji chemicznych wydaje się bardzo obiecująca i sprawdziła się już w przypadku płatków grafenowych i nanowstążek grafenowych. Koncepcja pozwala na tworzenie nowych struktur z precyzją atomową. Choć nasze eksperymenty wpisują się w nurt badań podstawowych, to oczywiście przy każdej okazji analizujemy możliwości zastosowań praktycznych i rozwoju, tak by można było nasze prace szerzej wykorzystywać.

Co stanowiło inspirację do podjęcia tego projektu?

Do podjęcia tematu zainspirowały mnie poprzednio prowadzone badania, poświęcone koncepcji wykorzystania pojedynczych struktur organicznych w przyszłościowych urządzeniach elektronicznych. Prace realizowane były w ramach dużych międzynarodowych projektów. W tamtym czasie nawiązaliśmy kontakty z przodującymi grupami badawczymi zajmującymi się syntezą organiczną. Trzeba bowiem podkreślić, że cała koncepcja syntezy na powierzchni opiera się na ścisłej współpracy z naukowcami specjalizującymi się w chemii roztworów. Przygotowują oni dedykowany, często zupełnie unikatowy, materiał startowy do prowadzenia dalszych reakcji w warunkach próżniowych i na podłożach krystalicznych. W moim przypadku zaczęliśmy od syntezy długich acenów we współpracy z grupą prof. Echavarrena z Hiszpanii. Dość powiedzieć, że przejście od najdłuższego stabilnego acenu – pentacenu – do kolejnych coraz to dłuższych przedstawicieli tej rodziny zajęło badaczom kilkadziesiąt lat. Pomimo starań przez dziesięciolecia nie udawało się ich stworzyć. Koncepcja chemii na powierzchni pomogła urzeczywistnić nasze zamiary. Równolegle podobne osiągnięcia zaprezentowało kilka innych zespołów badawczych, co świadczy o szerokim zainteresowaniu tematem. Od syntezy acenów przeszliśmy następnie do tworzenia różnych nanopłatków o strukturze grafenowej wprowadzając dodatkowo modyfikacje w ich budowie, a także do nanowstążek grafenowych. Te ostatnie można chyba określić mianem archetypicznych w kontekście sukcesu podejścia koncepcji chemii na powierzchni, która umożliwiła ich atomowo precyzyjne wytwarzanie w pionierskich eksperymentach grupy prof. Fasela ze Szwajcarii. Warto tutaj podkreślić, że nanowstążki grafenowe są bardzo ciekawymi obiektami, bowiem zachowują wiele doskonałych właściwości grafenu dodając do tego istnienie przerwy energetycznej, a więc nadając charakter półprzewodnikowy. Jednym z utrudnień w zastosowaniu grafenu w elektronice jest właśnie zerowa przerwa energetyczna, dlatego nanowstążki wydają się tutaj być obiecującymi kandydatami.

Dlaczego jest tak duże zainteresowanie grafenem?

Grafen to płaska struktura złożona z atomów węgla, połączonych w sześciokąty. Materiał kształtem przypomina plaster miodu, a ponieważ ma jednoatomową grubość, w przybliżeniu jest strukturą dwuwymiarową. Grafen jest przedmiotem zainteresowania przemysłu ze względu na różne właściwości, w tym elektryczne i mechaniczne, jest m.in.: bardzo dobrym przewodnikiem ciepła oraz elektryczności, jest ponad 100 razy wytrzymalszy niż stal, a przy tym niezwykle odporny na zginanie, więc jest znakomitym materiałem do wykorzystania w elektronice elastycznej. Pomimo tego, że dla cząstek jest właściwie nieprzepuszczalny, nawet dla helu, to dla światła jest prawie przezroczysty. Można nim zatem pokrywać np. wyświetlacze i panele dotykowe. Dzięki wysokiej ruchliwości nośników grafen nadaje się do układów elektronicznych wysokiej częstotliwości. Należałoby też wspomnieć o możliwościach wykorzystania w detektorach gazów o wysokiej czułości. Obszarów zastosowań jest zatem wiele.

Jakie są Pana plany na przyszłość?

Obecnie pracujemy nad tym, aby procesy syntezy na powierzchni przenosić poza podłoża metaliczne. Taki transfer technologii jest bardzo pożądany z punktu widzenia potencjalnych zastosowań praktycznych. Rozwijamy również możliwości kontrolowanego modyfikowania struktury tworzonych obiektów i ich właściwości, zarówno poprzez dodawanie domieszkujących atomów, jak i wykorzystywanie niebenzenowych pierścieni, tj. układów posiadających pierścienie zbudowane nie z 6 atomów węgla, ale na przykład z 4,5, czy 7. Pracujemy również nad syntezą ciekawych układów o charakterze antyaromatycznym. Oczywiście nie bylibyśmy w stanie prowadzić badań, gdyby nie owocna współpraca z wiodącymi grupami badawczymi specjalizującymi się w syntezie organicznej i z zespołami przygotowującymi symulacje teoretyczne do badanych przez nas układów.

-Augustyna Szczepańczyk