O nowoczesnych materiałach dla elektroniki

Robert Szoszkiewicz – kieruje Laboratorium Fizykochemii Materiałów.

Panie Profesorze, jakimi zagadnieniami zajmuje się fizykochemia materiałów, czego dotyczą Wasze badania?

Chciałbym na początku nadmienić, iż moja grupa badawcza w CNBCh UW dopiero zaczyna się rozwijać. Od marca 2017 roku mogę się poszczycić stanowiskiem profesora nadzwyczajnego na Wydziale Chemii i dopiero od tego momentu zacieśniła się moja współpraca z Wydziałem.
Czym się zajmuję? Moje doświadczenie naukowe jest osadzone pomiędzy chemią, fizyką i inżynierią materiałową. Wiele lat spędziłem za granicą, gdzie uzyskałem stopień doktora nauk fizycznych na Szwajcarskiej Politechnice Federalnej w Lozannie, następnie przebrnąłem przez dwa staże podoktorskie w USA (Georgia Tech i Uniwersytet Columbia) i wreszcie prowadziłem swoją niezależną karierę badawczą początkowo jako „Assistant Professor”, a później jako tzw. „Associate Professor” na Uniwersytecie Stanowym w Kansas. Zdecydowałem się jednak wrócić do Polski i pomyślałem żeby w CNBCh UW zacząć od czegoś, co nie wydaje się na początku zbyt trudne, a jednocześnie jest bardzo ciekawe. Bazując na moich wcześniejszych doświadczeniach, które są związane z obszarem nano- i bio-technologicznym, zacząłem rozwijać badania utleniania się kryształków dwusiarczku molibdenu w skalach zarówno makro- jak i mikro-skopowych.

Współczesna elektronika poszukuje coraz to nowszych źródeł układów elektronicznych. Nowoczesne tranzystory, które bazują często na krzemie i/lub innych materiałach jak np. germanie, mają ograniczenia biorące się stąd, że nie mogą one być zbyt małe. Poza tym takie tranzystory podczas swojej pracy mocno się grzeją. Jeśli jest ich dużo skupionych razem jak na przykład w mikroprocesorach nowoczesnych komputerów, to jednocześnie produkują one bardzo dużo ciepła. Dlatego chcemy znaleźć nowoczesne materiały dla elektroniki. Takie, z którymi można by wyprodukować bardzo małe tranzystory, które nie tylko się nie grzeją tak mocno jako stosowane obecnie rozwiązania, ale jednocześnie mogłyby być osadzane na podłożach, które byłyby giętkie. Wtedy będzie możliwość umieszczania ich na różnego rodzaju opaskach, czy też ubraniach. W to wszystko wchodzi cała wielka grupa materiałów dwuwymiarowych. Są to materiały które mogą być bardzo cienkie, a jednocześnie możemy przygotować je właśnie dzięki postępom nanotechnologii. Znanym przykładem tego typu materiałów jest grafen. Na tym polu Polska ma duże osiągnięcia, potrafimy wytwarzać duże, czyli makroskopowe płaty grafenowe. Na takich płatach można już coś robić lub/i osadzać je na stabilnych i giętkich podłożach jak np. niektóre podłoża polimerowe. To czym się zajmuje, jest to inny materiał dwuwymiarowy, dwusiarczek molibdenu, MoS2, który zalicza się do klasy tzw. dwuchalkogenków metali przejściowych.

Jakie właściwości ma ten badany przez Pana materiał?

Podobnie jak grafen, dwusiarczek molibdenu może być przygotowany tak, aby utworzyć monowarstwę, czyli w jego przypadku płaską strukturę o grubości ok. 0.6 nm. Takie monowarstwy mogą być potem nakładane na rozmaite podłoża, na których możemy budować tranzystory. Grafen jest wspaniałym przewodnikiem energii i elektronów. Dlatego można zakładać, że w przyszłości można będzie produkować szlaki dla przewodzenia elektronów z grafenu. Natomiast tranzystory muszą być skonstruowane z materiałów, które mają właściwości półprzewodnikowe. Dwusiarczek molibdenu jest właśnie takim materiałem. Nie dość, że może być przygotowany tak, że byłby pojedynczą warstwą, to przy okazji jest półprzewodnikiem. Jeśli osadzimy go na odpowiednim podłożu to możemy próbować zbudować tranzystor. Taka konstrukcja została już stworzona, a było to w roku 2011 przez grupę prof. A. Kisa ze Szwajcarskiej Politechniki Rządowej w Lozannie. Można pójść dalej i budować na tej podstawie układy tranzystorów, które mogą wykonywać jakieś operacje logiczne. Te układy można osadzić na grafenie, który będzie przewodził prąd między nimi. To wszystko będzie zaś mogło być w przyszłości osadzone na giętkich podłożach. Patrząc na to kategoriami chemicznymi, można zastanowić się co się będzie działo gdy podgrzejemy taką konstrukcję? Wszystko dzieje się w atmosferze tlenowej, a więc wiemy, że może w niej zajść utlenianie. Dlatego w pierwszej fazie moich badań, zaczęliśmy badać jak zachowują się podgrzewane cienkie płatki dwusiarczku molibdenu.

W jaki sposób zamierzacie to badać?

Planujemy badać produkty utleniania płatków dwusiarczku molibdenu w podwyższonych temperaturach. Kilka osób przed nami już zauważyło, że w trakcie tego procesu powstają tlenki molibdenu. Jednakże nie rozwikłano tego, jakie tlenki i w jakich sytuacjach, w jakich warunkach wilgotności oraz temperatury, oraz jak na te procesy wpływa obecność innych gazów niż tlen. Poza tym, warto się dowiedzieć, czy powstający tlenek będzie pozostawał na utlenianej powierzchni czy też opuści środowisko reakcji. Tranzystory, które by „wyparowywały” w wyższych temperaturach nie byłyby oczywiście pożądane. Można jednakże na taki tranzystor nałożyć warstwę chroniącą przed utlenianiem, ale żeby to zrobić rozsądnie, chcemy najpierw sprawdzić co się dzieje z utlenianymi cienkimi płatkami MoS2.

Czemu mają służyć te procesy?

Naszym zamysłem jest imitowanie i zrozumienie procesów fizykochemicznych, które by mogły zachodzić na tranzystorach zbudowanych z dwusiarczków molibdenu i z innych materiałów mu pokrewnych. Jednakże badając właściwości fizykochemiczne dwusiarczku molibdenu, możemy także poprowadzić nasze badania w nieco innym kierunku. Okazuje się, że kryształy dwusiarczku molibdenu mają również ciekawe właściwości fotoelektryczne. Czyli posiadają zdolności konwertowania energii świetlnej na prąd elektronowy. Dlatego planujemy również pójść w kierunku wykorzystania struktur na bazie MoS2 do produkcji energii elektrycznej. Ale to jest osobny dział badań, który zamierzamy rozwinąć w przyszłości.

Czyli energia, tranzystory, ale konkretnie, do czego Wasze badania mogą być wykorzystywane? W jakich dziedzinach będą miały zastosowanie?

Można powiedzieć, że w dziedzinie elektroniki na giętkich powierzchniach, choć przyszłość elektroniki nie jest jasno określona. Być może komputery kwantowe niedługo staną się tym, co przejmie obliczenia prowadzone przez zwykłe komputery, choć niekoniecznie. Mogą właśnie pojawić się nowe przemysłowo produkowane procesory czy komórki fotowoltaiczne, na bazie takich związków jak dwusiarczek molibdenu lub kombinacji różnych materiałów planarnych. Na przykład będzie to MoS2 z grafenem lub z innymi materiałami, z których będzie się tworzyć swego rodzaju „kanapki”. Nasze badania skupiają się na badaniach kryształów w małej skali, dlatego, że w przyszłości urządzenia na bazie tego materiału z dużym prawdopodobieństwem będą produkowane w bardzo małych skalach. Makroskopowe urządzenia na bazie tego materiału będą w sobie zawierały jego malutkie fragmenty w skalach nanometrycznych. Czyli można powiedzieć, że prowadzimy badania nanotechnologii nieorganicznej.

Kto mógłby być odbiorcą tych badań, jakie sektory gospodarki mogłyby z nich skorzystać?

Zapewne przemysł elektroniczny i energetyczny. Wielu naukowców, w tym spora grupa na Wydziałach Chemii i Fizyki UW, zajmuje się obecnie produkcją komórek fotowoltaicznych, więc konkurencja jest tu na pewno spora. Ale może uda nam się wymyślić i wdrożyć jakąś nowoczesną technologię, na bazie kryształów dwuchalkogenków metali przejściowych? Kto wie?

Jakiego rodzaju projekty badawcze zamierza Pan realizować w swojej grupie w najbliższym czasie?

Część złożonych przeze mnie projektów grantowych dotyczy badań podstawowych, są to głównie projekty złożone do NCN-u, i dotyczą opisanych powyżej badań dwusiarczku molibdenu. Moje doświadczenie badawcze dotyczy jednak nie tylko nanotechnologii nieorganicznej, ale również obejmuje zagadnienia związane z biofizyką pojedynczych cząsteczek biologicznych takich jak białka. Mam doświadczenie w badaniach nano – mechanicznych, a w szczególności związanych z pomiarem właściwości mechanicznych, czyli na przykład sztywności, lub tzw. modułu Younga dla pojedynczych cząsteczek białek. Tego typu badania są również badaniami podstawowymi, podobnie jak prowadzone przeze mnie obecnie badania z udziałem MoS2. Okazuje się na przykład, że każdy rodzaj białka ma nieco inną stabilność mechaniczną. Co to oznacza? Można próbować pojedynczą aktywną cząsteczkę, w formie sfałdowanej rozfałdować, czyli rozwinąć. Aktywna biologicznie jest z reguły forma sfałdowana, natomiast rozciągnięta już nie. Żeby przejść od struktury sfałdowanej do rozciągniętej, trzeba zadziałać pewną siłą. Zazwyczaj na każdą z cząsteczek białka należy zadziałać inną siłą żeby ją rozwinąć. Wyobraźmy sobie dwa białka A i B. Chcemy zniszczyć sfałdowanie białek A i B. Mamy do tego odpowiednie narzędzia, oba białka są przyczepione z jednej strony do jakiejś powierzchni, a z drugiej strony przyczepiliśmy do nich coś innego, co będzie je po prostu rozciągać. Czyli tak jak zwitek włóczki, który leży sobie na podłodze i chcemy go rozwinąć. Siły, które musimy przyłożyć do jednego i drugiego z nich, aby osiągnąć zamierzony cel będą inne.

Dlatego też tego typu badania mogą posłużyć do detekcji różnych rodzajów białek. Takie badania mogą okazać się interesujące dla lekarzy, którzy chcą zbadać obecność pojedynczych cząsteczek białek. Mogły by być prowadzone przy założeniu, że zostałyby zrobione specjalne matryce, do których pojedyncze cząsteczki białek by się przyczepiały a następnie próbowalibyśmy je rozciągnąć.

Brzmi to nieco dziwnie, po co w ogóle coś takiego robić? Częstokroć, występowanie pewnych rodzajów białek wiąże się z występowaniem różnego rodzaju nowotworów. Stąd też tego typu badania mogłyby pomóc w identyfikacji tych nowotworów, co mogłoby odbywać się bezpośrednio w szpitalu i nie wymagało by pobierania dużej ilości materiału do badań, bo mówimy tutaj o pojedynczych cząsteczkach. Tutaj nowoczesna nanotechnologia jest w stanie nam pomóc. Z pomocą tzw. metod nanolitograficzych jesteśmy w stanie zbudować matryce, do których te pojedyncze cząsteczki białek będą się przyczepiać, i za pomocą badań stabilności mechanicznej będziemy mogli te cząsteczki bliżej identyfikować. Czyli np. siła potrzebna do rozfałdowania białka byłaby pewnego rodzaju wskaźnikiem, który wskazywał by nam z jakim konkretnym białkiem mamy do czynienia.

Można powiedzieć, że to będzie pewnego rodzaju test do wykrywania różnych rodzajów białek?

Tak. Nasze badania podstawowe odpowiadające na pytania, jak poszczególne typy białek reagują na siłę rozciągającą, mogą posłużyć jako bardzo szybkie testy z dużym potencjałem dla laboratoriów patofizjologii w szpitalach.

Czyli mógłby Pan te badania na pewnym etapie zadedykować lekarzom do procedur leczniczych?

Można powiedzieć że to jest pewien plan, ale przyszłość pokaże jak te plany naukowe się dalej rozwiną.

Jakie są Pana marzenia naukowe?

Nie mam na razie konkretnych marzeń naukowych. Nie mam wizji skonstruowania nowoczesnego tranzystora lub super testu nowotworowego. Mam pewne dwie drogi badawcze, o których wspomniałem. Mam pewną wizję do czego one mogłyby nam pozwolić dojść. Jednak to, co się stanie zapewne mnie zaskoczy, gdyż najprawdopodobniej natura zachowa się inaczej niż mi się wydaje. I to jest dla mnie fascynujące, ponieważ odkrywamy wtedy coś nowego. Coś, co wykracza poza nasze standardowe rozumienie. Jako naukowca to mnie najbardziej cieszy. Cieszą mnie bardziej badania same w sobie, poznawanie natury, procesów które rządzą pewnymi rzeczami w skalach lokalnych, nanometrycznych. Czyli reasumując, ciekawość poznawcza.

Czy ma Pan sprecyzowane plany co do rozwoju swojej grupy badawczej?

Nie chcę na razie tworzyć dużej grupy badawczej, raczej skupiłbym się na paroosobowej grupie, złożonej głównie z doktorantów i magistrantów, choć w przyszłości chciałbym bardzo, żeby pracowali ze mną również bardziej doświadczeni naukowcy. Oczywiście chciałbym także współpracować z innymi grupami badawczymi pracującymi w Centrum, gdyż jest tu wielu cenionych specjalistów. Muszę powiedzieć, że to co mi się również podoba w CNBCh UW to dostępność sprzętu badawczego. Jest tu sporo wysokiej klasy sprzętu badawczego, którego jako osoba tu pracująca mogę używać i nie muszę gromadzić w swoim laboratorium. Za to jestem temu miejscu wdzięczny.

Wspominał Pan o pracy w USA w swojej karierze naukowej. Jak teraz się Panu pracuje tutaj w Polsce, czy widzi Pan duże różnice?

Póki co trudno mi to porównywać, ponieważ dopiero zaczynam swoją pracę naukową w tym miejscu. Sporo uczę, rozpoczynam budowę grupy badawczej, na razie mam w tej grupie jednego współpracującego ze mną magistranta. Myślę, że dopiero za jakiś czas będę mógł robić takie porównania. System naukowy w USA wygląda jednak inaczej niż w Polsce. W USA młodym ludziom daje się duże możliwości, ale wymagania wobec nich stają się chyba też coraz bardziej wyśrubowane. Po doktoracie należy nabrać doświadczenia i jednocześnie wykazać się na stażu podoktorskim, tzw. post-doku, który w naukach ścisłych trwa zwykle co najmniej parę lat. Częstokroć jeden taki post-dok nie wystarcza i dopiero po dwóch lub nawet trzech takich stażach zaczyna się z powodzeniem współzawodniczyć z innymi w konkursach na samodzielną pozycję nauczycielsko-badawczą tzw. „assistant profesora”. Pozycja ta, moim zdaniem jest pod wieloma względami porównywalna z pozycją doktora habilitowanego w Polsce, ponieważ daje ona całkowitą swobodę naukową, swobodę zatrudniania personelu badawczego i swobodę promowania doktorantów. Po 5-7 latach pracy na pozycji Assistant Professor, jest się ocenianym i albo promowanym na kolejny stopień (Associate Professor) z gwarantowanym dożywotnim zatrudnieniem na danej uczelni (tzw. tenura), albo się jest niestety zwalnianym. Ja swoją karierę w USA zdecydowałem się zakończyć dopiero po otrzymaniu tenury. Mogę więc powiedzieć, że swoje marzenie związane z karierą naukową w USA spełniłem. W chwili obecnej kontynuuję swoją pracę naukową w Polsce i myślę, że jest tu naprawdę całkiem dobry moment na realizację wielu naukowych pasji, a co z tego wyjdzie w moim przypadku, to już zobaczymy!

Prof. Robert Szoszkiewicz

,,Bardzo ważna jest dla mnie ciekawość poznawcza.”