JAV mokslininkas J. Henzie: medžiagų mokslo ateitis – šviesos spinduliuotės kontroliavimas ir nematomi drabužiai

Pasak JAV mokslininko, jau trejus metus dirbančio Nacionaliniame Japonijos medžiagų mokslo institute (NJMMI) Joelio Henzie, šiandien mokslininkai mokosi kontroliuoti ir panaudoti šviesą tokiais būdais, kurie iki šiol niekada nebuvo išmėginti. „Gali būti, kad po 20 metų nematomumo drabužiai bus ne tik filmų kūrėjų fantazijos vaisius, bet ir tikrovė“, – mano J. Henzie.

Mokslininkas kovo mėnesį lankėsi Kauno technologijos universiteto (KTU) „Santakos“ slėnyje, kur susipažino su jame veikiančių institutų ir laboratorijų darbu. J. Henzie su KTU Medžiagų mokslo instituto mokslininkais aptarė tolimesnį pirmojo dvišalio projekto tarp KTU ir NJMMI įgyvendinimą.

– Kokiu tikslu lankėtės KTU?, – paklausėme J. Henzie.

– Nors Japonija ieško dvišalio bendradarbiavimo galimybių su daugeliu šalių, tačiau, mano žiniomis, tai pirmas kartas, kai tokio pobūdžio bendradarbiavimas buvo pradėtas Lietuvoje, su KTU. Kartu su KTU Medžiagų mokslo institutu įgyvendiname projektą „Plasmonic properties of silver nanoparticles assembled clusters (PLAS)“. Jo eigoje turiu kelias užduotis: vykdyti mokslinius tyrimus su KTU mokslininkais, užmegzti daugiau kontaktų su profesoriais iš visos Lietuvos, susipažinti su jūsų šalies mokslo bendruomene, pristatyti NJMMI mokslinę veiklą bei stiprinti esamą bendradarbiavimą.

– Kaip paaiškintumėte, kas yra medžiagų mokslas žmogui, pirmą kartą išgirdusiam šį pavadinimą?

– Lyginant su chemija ar biologija, kurios egzistuoja jau ne vieną amžių, medžiagų mokslas yra santykinai nauja disciplina, kilusi iš metalurgijos. Per šimtmečius žmonės išbandė įvairius metalus ir bandė išsiaiškinti, kaip padaryti juos stipresnius ar labiau laidžius. Medžiagų mokslas prasidėjo nuo bandymų suprasti funkcines medžiagas, tokias, kaip metalas, betonas ar stiklas, šiuolaikinėje visuomenėje. Visgi, šiandien medžiagų mokslo tyrėjų dėmesys nukreiptas į naujų medžiagų, pasižyminčių ypatingomis savybėmis, kūrimą.

Nortvesterno universitetas, esantis Ilinojaus valstijoje, kur įgijau mokslo daktaro laipsnį, buvo pirmoji aukštojo mokslo institucija pasaulyje, kurioje 1950-aisiais buvo įkurtas Medžiagų mokslo departamentas. Šiandien medžiagų moksle, pasitelkiant chemiją, fiziką ir inžineriją, „iš apačios į viršų“ kuriamos įvairios medžiagos. Tai reiškia, kad mes bandome sukonstruoti medžiagą, pradedant nuo atominės sandaros iki įrenginių ir kitų objektų, kuriuos galima matyti plika akimi, o vėliau ir paliesti, sukūrimo.

– Kaip medžiagų mokslas gali būti pritaikomas versle?

– Aš nesu verslininkas, tačiau manau, kad pranašumas versle yra tų, kurie geba padaryti vieną ar kitą dalyką geriau ir mažesniais kaštais nei konkurentai.

Nors vienas iš medžiagų mokslo tikslų yra pagerinti esamas medžiagas, sumažinant jų gamybos kainas, bet tyrėjai taip pat intensyviai dirba, siekdami pagaminti visiškai naujas medžiagų rūšis, kurios leistų sukurti naujas pramonės šakas.

Geras to pavyzdys yra skaidulinės optikos kabeliai. Tam, kad būtų pagaminti šie mažyčiai stikliniai vamzdeliai, kurie galėtų perteikti optinę spinduliuotę (t. y. informaciją) po visą pasaulį, stiklo ir įvairių kitų medžiagų tyrimai užtruko šimtmečius. Be skaidulinės optikos nebūtų atsiradęs internetas ir nebūtų nei vienos interneto kompanijos, nes vario laidų pralaidumas tam buvo per mažas. Verslininkai, norintys neatsilikti nuo naujausių ir pažangiausių technologijų bei siekiantys savo produktu ar paslauga palikti pastebimą žymę pasaulyje, turėtų domėtis medžiagų mokslu.

– Kokios naujos medžiagos buvo sukurtos per pastaruosius 10–20 metų?

– Turbūt viena „karščiausių“ medžiagų vis dar išlieka grafenas, sudarytas iš vieno atomo storio anglies plėvelių. Jis pasižymi labai neįprastomis elektrinėmis savybėmis, yra itin plonas ir labai stiprus. Šiandien grafenas naudojamas tranzistorių gamybai.

Kita vis dar „karšta“ medžiaga yra organinis perovskitas – kristalas, paprastai susidedantis iš švino, metilamino ir jodo mišinio.

Šiandien dauguma saulės baterijų yra pagamintos iš silicio – net ir saulės kolektoriai, kuriuos vis dažniau tenka pamatyti ant gyvenamųjų namų stogų. Siekiant sukurti 20 proc. efektyvumo silicio saulės elementus, moksliniai tyrimai tęsėsi 50–60 metų. Tokį patį rezultatą su perovskito saulės elementais pasiekti užtruko dešimt kartų trumpiau – apie 5 metus.

Tačiau, reikia pažymėti, kad visas procesas prasidėjo nuo pačio silicio sukūrimo. Mokslininkų žinios ir naudoti įrankiai, siekiant sukurti šią medžiagą, buvo kritiškai svarbūs organinių perovskitų atsiradimui.

– Prieš persikeliant gyventi į Japoniją ir darbą NJMMI, apgynęs daktaro disertaciją kurį laiką stažavotės JAV Kalifornijos universitete. Kaip jūsų karjeros kelias pasuko Tekančios saulės šalies link?

– Apie NJMMI ir jo veiklą medžiagų mokslo srityje sužinojau baigęs magistrantūros studijas. Tai puikus mokslinių tyrimų institutas, kur visą savo dėmesį galiu sutelkti moksliniams tyrimams. NJMMI dirbantys tyrėjai yra aprūpinti puikiausiais instrumentais, įskaitant elektroninius mikroskopus – tai man labai svarbu, nes naudoju juos atominių medžiagų struktūrų atvaizdavimui.

Japonija yra šalis, kuri mokslininkams gali pasiūlyti didelę mokslinių prietaisų instrumentuotę. NJMMI dirbančių mokslo darbuotojų bei modernios ir pažangios technikos santykis yra puikiai subalansuotas, todėl gauti prieigą prie reikiamo instrumento neužima daug laiko.

– NJMMI dirbate nepriklausomu mokslininku. Ką tyrėjui reiškia būti nepriklausomam savo darbe?

– Nepriklausomi profesoriai neturi viršesnių vadovų, kuriems yra atskaitingi. Jie turi tam tikrą pasirinkimo laisvę daryti tokius mokslinius tyrimus, kuriuos patys pasirenka, siekiant gauti finansavimą vykdomiems projektams. Esu nepriklausomas ta prasme, kad galiu atlikti tokius tyrimus, kuriuos noriu, tačiau tai neatleidžia nuo pareigos pateikti gerus rezultatus. Nepriklausomas mokslininkas taip pat yra mokslinių tyrimų grupės vadovas.

Palyginus su kitais profesoriais, dirbančiais NJMMI, turiu gana mažą, bet užtat labai tarptautinę komandą: dirbu kartu su mokslo daktaro laipsnį įgijusiais tyrėjais iš Prancūzijos, Irano, Kinijos, Indijos.

– Kaip apibūdintumėte savo patirtį, dirbant nepriklausomu mokslininku vienoje prestižiškiausių Japonijos mokslo institucijų?

– Darbas NJMMI nėra vien tik naujų medžiagų kūrimas ar patentų paraiškų pildymas. Vienas iš pagrindinių tikslų dirbant šiame institute yra studentų kuravimas, mokymas ir jų kritinio mąstymo įgūdžių ugdymas. NJMMI studentus priima į apmokamas stažuotas ne ilgesniam kaip 90 dienų laikotarpiui, į kurias kandidatuoti kviečiame ir KTU studentus. Japonijos mokslo populiarinimo bendruomenė (angl. Japan Society for the Promotion of Science, JSPS) taip pat siūlo po-doktorantūros mokslinių tyrimų stipendijas 1–2 metų laikotarpiui. Japonijos vyriausybė nuolat kviečia studentus, doktorantus iš viso pasaulio mokslinius tyrimus atlikti jų šalyje.

Man, kaip tyrėjui, labiausiai imponuoja tai, kad mokslininkai yra atvirų pažiūrų žmonės, tačiau studentai turi suprasti, kad dirbant šį darbą reikia priprasti prie to, jog dažnai tenka klysti. Tai reiškia, kad gamtą ir jos išteklius yra sunku suprasti, ir tam reikia didelio nuolankumo.

– Kas išskiria NJMMI iš kitų panašaus profilio mokslo institucijų visame pasaulyje?

– NJMMI mokslininkai dirba su labai įvairiomis medžiagomis. Pavyzdžiui, kai kurie Instituto tyrėjai kuria naujas aukštos temperatūros superlaidžias medžiagas, praleidžiančias elektros energiją be pasipriešinimo.

NJMMI taip pat turi stipriausią branduolinio magnetinio rezonanso (BMR) spektroskopą pasaulyje. BMR veikimas yra panašus į magnetinio rezonanso tomografijos (MRT) technologiją, kuri naudojama neskaidriems organizmo dariniams atvaizduoti bei jų patologiniams pokyčiams nustatyti, pavyzdžiui – įvairiems augliams. Savo institute pasitelkiame BMR molekulių struktūros nustatymui.

Be to, Tarptautiniame medžiagų nanoarchitektonikos centre bandome kurti mano jau minėtas medžiagas iš „apačios į viršų“. Tam tikra prasme mūsų darbas, siekiant sukurti medžiagas ir prietaisus, prilygsta architekto darbui projektuojant pastatą.

– Lyginant su NJMMI, kaip vertinate KTU „Santakos” slėnį, kuriame neseniai lankėtės?

– Iš tiesų, pirmą kartą lankiausi Lietuvoje ir Kaune. KTU „Santakos“ slėnis man padarė stiprų pirmąjį įspūdį. Manau, kad tai – labai modernus mokslo centras su pažangiais įrenginiais ir profesionaliais darbuotojais. KTU Medžiagų mokslo instituto direktorius Sigitas Tamulevičius mane priėmė labai šiltai, skyrė daug dėmesio ir pastangų, organizuojant mano vizitą. Pastebėjau, kad jo komandos tyrėjai labai kompetentingi ir šauniai dirba. KTU „Santakos“ slėnis – tai puiki vieta atlikti mokslinius tyrimus.

– Kaip toliau vyks jūsų ir KTU bendradarbiavimas?

– Kartu su KTU Medžiagų mokslo institutu vykdomi tyrimai einasi kuo puikiausiai. Mūsų tikslas yra ir toliau išlaikyti veiksmingą ir efektyvų darbą, kad būtų pasiekti geriausi rezultatai. Kai sugrįšiu į Lietuvą kitais metais, planuoju kartu su savimi pasikviesti ir keletą savo kolegų iš NJMMI. Projekto įgyvendinimas bendradarbiaujant su KTU man suteikia galimybę susitikti su naujais žmonėmis, keistis informacija ir praktinėmis žiniomis, išmokti naujų dalykų ir atrasti dar daugiau potencialių bendradarbiavimui sričių tarp NJMMI ir KTU.

– NJMMI atliekate mokslinius tyrimus, susijusius su nanokristalais. Ką bandote pasiekti?

– Kartu su mano tyrėjų grupe bandome sukurti įvairių formų nanokristalus bei sukonstruoti didesnes medžiagas, naudojant nanokristalus kaip „statybinius blokus“, tokiu būdu kontroliuojant jų formą ir dydį. Viena iš pirminių mano idėjų šiems nanokristalams buvo panaudoti juos kaip biojutiklius. Anuomet JAV kariuomenė buvo suinteresuota vystyti jutiklį, kuris galėtų aptikti chemines medžiagas ir net tokias infekcines ligas kaip juodligė. Visgi, egzistuoja žymiai paprastesnių ir tradiciškesnių šių jutiklių panaudojimo būdų. Išmatavus ir aptikus tam tikrus baltymus kraujyje, panaudojimas galimas įvairiose medicinos srityse.

– Įvardinkite keletą savo karjeros tikslų.

– Jau apie 10 metų dirbu su metamedžiagomis – bandome sukurti metalo nanodaleles ir mažas struktūras, kurios galėtų kontroliuoti šviesą. Pavyzdžiui, šiandien mokslininkai gali sukurti naujų rūšių optinius lęšius, kurie yra tiesūs, o ne lenkti. Tai labai svarbu, nes išlenkti lęšiai turi nepageidaujamų savybių, kurios daro juos mažiau tikslius.

Žmogaus regimasis suvokimas priklauso nuo to, kaip sklindanti šviesa paliečia mūsų akis. Šviesa, „atsitrenkusi“ į paprastą medžiagą ją sugeria arba atspindi, tačiau vadinamoji metamedžiaga yra sukurta taip, kad ją pasiekusi šviesa, gali būti nukreipiama ir net formuojama.

Su metamedžiagomis dirbantys mokslininkai bando sukurti geresnes saulės baterijas ir įtaisus, kurie galėtų manipuliuoti šviesą, siekiant perduoti informaciją. Vienas iš neįprastų metamedžiagų pritaikymo būdų, susilaukiantis daug dėmesio, yra vadinamasis „maskavimo įtaisas“. Dalis mokslininkų siekia sukurti metamedžiagas, kurios galėtų nukreipti šviesą aplink objektą, kad šis taptų iš esmės nematomas. Ar ilgainiui turėsime nematomumo drabužius, kurie šiandien egzistuoja tik mokslinėje fantastikoje? Galbūt... kuriamos metamedžiagos rodo, kad tai gali būti įmanoma.