Właściwości materiałów utożsamiamy z tym, co czuć lub widać gołym okiem. Nie zawsze jednak to najlepsze wytłumaczenie. Unikatowe ubarwienie motyli najłatwiej wyjaśnić pigmentami w ich skrzydłach. Rzeczywiście te owady swoje barwy i wzory częściowo zawdzięczają pigmentom. Ale większość kolorów jest efektem nanoi mikrostruktury skrzydeł, które na ogół wykonane są z przezroczystych materiałów takich jak chityna. Wówczas światło odbijające się od powierzchni tworzy część barw lub metaliczny połysk niektórych motyli i innych owadów. Naukowcy wykorzystują chemię i technologię, by nadawać materiałom określoną strukturę lub wzbogacać je o dodatkowe właściwości. W ten sposób powstają na przykład metamateriały wytworzone z dwóch lub więcej materiałów składowych, którym nadaje się określoną strukturę, dzięki czemu wykazują nietypowe właściwości optyczne.
W świecie nauki „czapka niewidka” to dość dobrze znana koncepcja stworzenia powłoki, która umożliwiłaby przedmiotom uzyskanie niewidzialności. Jeszcze kilkadziesiąt lat temu takie pomysły można było umieścić jedynie w książkach science-fiction. Dzisiaj, dzięki rozwojowi nauki, powoli stają się faktem.
Prace nad taką powłoką trwają na całym świecie. Jeden z najbardziej zaawansowanych projektów jest realizowany na Uniwersytecie Duke’a w USA. Tam w 2006 r. naukowcom udało się stworzyć metamateriał, który umożliwiał ukrycie obiektu, jednak tylko w oświetleniu mikrofalowym, a nie w świetle widzialnym.
Efekt uzyskano dzięki stworzeniu na powierzchni materiału geometrycznych kształtów przypominających literę C. W 2007 r. naukowcy z Uniwersytetu w Maryland opracowali metamateriał, który działał już w świetle widzialnym. Efekt niewidzialności jest możliwy dzięki geometrycznym kształtom nanostruktury materiału, które załamują światło w ten sposób, że opływa pokryty materiałem obiekt.
— Wciąż jest wiele problemów, które trzeba przeskoczyć, zanim uda się wykonać powłokę stwarzającą wrażenie niewidzialności. Przykładowo, gdybyśmy umieścili człowieka wewnątrz bryły pokrytej tym materiałem i z zewnątrz nie byłoby go widać, to on sam też nie widziałby nic na zewnątrz — wyjaśnia prof. Dorota A. Pawlak z Zakładu Materiałów Funkcjonalnych Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME) w Warszawie, która zajmuje się tworzeniem m.in. nowatorskich metamateriałów.
Warszawska dolina krzemowa
Ale metamateriały to nie tylko ukrywanie obiektów. W ITME naukowcy opracowują nowatorskie technologie pozwalające na wytwarzanie objętościowych metamateriałów, czyli np. takich, które wzmacniają emisję światła. Może to posłużyć chociażby do zwiększenia wydajności ogniw fotowoltaicznych. O ITME zrobiło się głośno za sprawą grafenu, kiedy Instytut wraz z Wydziałem Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego opracował metodę jego produkcji, umożliwiającą wytwarzanie dużych fragmentów materiału bardzo dobrej jakości. W praktyce jednak ITME od lat tworzy i udoskonala metamateriały o różnych właściwościach.
Historia Instytutu sięga początku lat 70. XX wieku, kiedy powołano Ośrodek Naukowo-Produkcyjny Materiałów Półprzewodnikowych (ONPMP), który przez projekty naukowo-badawcze i prowadzenie produkcji doświadczalnej miał rozwiązywać ówczesne problemy materiałowe. Według opracowania Andrzeja Jeleńskiego i Tadeusza Żery z ITME, w 1975 r. ONPMP uzyskał tereny na rozbudowę i modernizację przy ul. Wólczyńskiej w Warszawie. Pod koniec 1977 r. ONPMP podporządkowano Zjednoczeniu Przemysłu Podzespołów i Materiałów Elektronicznych
Unitra Elektron, a w 1978 r. na terenie Zakładu Doświadczalnego ONPMP utworzono Centrum Naukowo-Produkcyjne Materiałów Półprzewodnikowych (CNPMP). ITME powstał na bazie ONPMP w lutym 1979 r. Obficie dotowany przez państwo kompleks przy Wólczyńskiej w zamierzeniu władz PRL miał być polską doliną krzemową.
Już za poprzedniego systemu wytwarzano w nim monokryształy wykorzystywane do produkcji dalmierzy dla czołgów w całym Układzie Warszawskim. Po transformacji systemowej ITME, podobnie jak inne instytuty badawcze, stracił jednak część państwowych dotacji. — Obecnie państwo dofinansowuje działalność ITME w 20-25 proc. Resztę pieniędzy musimy pozyskać z grantów i innych funduszy na badania, na przykład z NCBiR — wyjaśnia Jarosław Kisielewski, zastępca kierownika w Zakładzie Materiałów Funkcjonalnych ITME.
Technologia wyciągania
Dorota A. Pawlak, która kieruje również zespołem Laboratorium Technologii Materiałowych przy Centrum Nowych Technologii (CeNT) Uniwersytetu Warszawskiego, specjalizuje się w tworzeniu metamateriałów i innych materiałów o ciekawych właściwościach elektromagnetycznych. Wykorzystuje m.in. metodę Jana Czochralskiego i metodę mikrowyciągania. Pierwszą opracował polski chemik już na początku XX wieku i jest do dziś powszechnie wykorzystywana na całym świecie w produkcji monokryształów. W ten sposób wytwarza się np. kryształy półprzewodników.
Metoda polega na wolnym wyciąganiu od góry stopionego materiału przy pomocy zarodka krystalicznego, który uruchamia proces krystalizacji. W przypadku mikrowyciągania mechanizm jest podobny, tyle że kryształ czy materiał kompozytowy jest wyciągany od dołu. Przedsięwzięcia realizowane w ITME i CeNT przez Dorotę Pawlak nie giną jednak w świecie nauki, a pani profesor może się pochwalić wieloma sukcesami.
Sposób na raka
Niedawno zakończył się projekt realizowany we współpracy CeNT z Politechniką Federalną w Zurychu. Udało się stworzyć hybrydowe materiały półprzewodnikowe, które umożliwiają produkcję wodoru z energii słonecznej. Efekty badań mogą być wykorzystane chociażby przy produkcji nowoczesnych ogniw fotowoltaicznych.
Projektami prof. Pawlak zainteresowali się również Amerykanie. Od kilku lat realizują z IMTE wspólny projekt na zamówienie USA Air Force Office z zakresu właściwości nowych metamateriałów i materiałów plazmoniczych wytwarzanych za pomocą kierunkowej krystalizacji eutektyków, czyli materiałów tworzonych ze stopu dwóch innych.
— Realizujemy wspólnie różne badania, ale nie wiemy, jak Amerykanie wykorzystują ich wyniki. Podobnie jest z innymi ośrodkami badawczymi współpracującymi z wojskiem, które z reguły nie informuje dokładnie o nowoczesnych rozwiązaniach, jakie stosuje w swoich strukturach — zaznacza Dorota A. Pawlak.
Tyle w 2020 r. ma być wart światowy rynek metamateriałów — szacuje firma BCC Research. Przez kolejnych pięć lat ta wycena może wzrosnąć do prawie 2,5 mld USD. W 2015 r. wartość światowego rynku wyliczono na ponad 307 mln USD.
Metamateriały mogą służyć nie tylko przemysłowi, elektronice czy wojskowości, ale również medycynie. W CeNT Dorota A. Pawlak prowadzi międzynarodowy projekt stworzenia metamateriału wykrywającego nowotwory.
— Będą to mikroskopijne kuleczki wielkości kilku do kilkuset mikrometrów (0,001 milimetra), które zatrzymują w sobie światło określonej długości fal. Światło rezonuje wewnątrz kulki i po umieszczeniu jej w różnych substancjach sygnalizuje zmianę środowiska. Na kuleczki nałożymy powłokę, która będzie się łączyła tylko z określonymi rzeczami — wyjaśnia Dorota A. Pawlak.
Chodzi o tzw. egzosomy, czyli mówiąc najprościej, pęcherzyki znajdujące się we wszystkich cieczach biologicznych, przenoszące informacje między komórkami. Badania wskazują też na to, że egzosomy komórek nowotworowych prawdopodobnie przenoszą nowotwór między komórkami, powodując przerzuty i jego uodpornienie na leki. Kuleczki z powłoką wytworzone przez polskich naukowców mają łączyć się tylko z egzosomami przenoszącymi informacje z komórek nowotworowych, co pozwoli na wczesne wykrywanie nowotworów.
— Badania prowadzone przez prof. Dorotę A. Pawlak to przede wszystkim projekty naukowe. Trudno jednoznacznie określić, kiedy te rozwiązania doczekają się komercjalizacji, ale jej osiągnięciami interesują się m.in. amerykańskie siły powietrzne, co świadczy o tym, że w przyszłości mogą być istotnym elementem nowoczesnych rozwiązań — sumuje Jarosław Kisielewski. &