facebook twitter instagram issuu linkedin research gate youtube ustv

Nauka na wyciągnięcie ręki

Wydział Biologii i Ochrony Środowiska
Wydział Filologiczny
Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii
Wydział Artystyczny
Wydział Nauk Społecznych
Wydział Nauk o Ziemi
Wydział Prawa i Administracji
Wydział Pedagogiki i Psychologii
Wydział Teologiczny
Wydział Informatyki i Nauki o Materiałach
Wydział Etnologii i Nauk o Edukacji

Batalia nie tylko o światło

Poszukiwanie oraz badanie materiałów o potencjalnym zastosowaniu w generatorach termoelektrycznych oraz w optoelektronice

Batalia nie tylko o światło

Światło jest jednym z podstawowych czynników niezbędnych do życia człowieka. Jego naturalnym źródłem jest Słońce, które wyznacza między innymi nasz cykl dobowy. Coraz bardziej jednak uzależnieni jesteśmy od sztucznego oświetlenia, które umożliwia funkcjonowanie w godzinach popołudniowych, wieczornych i nocnych, w zamkniętych pomieszczeniach, ułatwia poruszanie się po drogach itp. Rozwój nowoczesnych technologii poszukujących jak najskuteczniejszych sztucznych źródeł światła podporządkowany jest podstawowym zasadom, czyli oszczędności energii, wysokiej mocy świecenia, trwałości produktu, bezpieczeństwu i ochronie środowiska.

Dr hab. prof. UŚ Henryk Duda i prof. dr hab. inż. Tadeusz Groń z Zakładu Fizyki Kryształów
Fot. Agnieszka Sikora
 

Jednym z zasadniczych obszarów badawczych naukowców Zakładu Fizyki Kryształów Instytutu Fizyki Uniwersytetu Śląskiego jest poszukiwanie oraz badanie materiałów o potencjalnym zastosowaniu w generatorach termoelektrycznych oraz w optoelektronice. Dla niewtajemniczonych optoelektronika może wydać się specjalizacją zrozumiałą tylko wąskiemu gronu naukowców, tymczasem z osiągnięć tego działu techniki korzystamy niemal na co dzień. Wystarczy wymienić laserowe czytniki CD i DVD, żarówki LED-owe, pamięć holograficzną, masowo wykorzystywaną w bazach internetowych, wyświetlacze LCD, słowem wszystko, co wiąże się w elektronice z wizualizacją.

Przez szereg lat decyzja o zakupie żarówki ograniczała się do wyboru jej mocy i producenta. Obowiązujący jednak w całej Unii Europejskiej od września 2012 roku zakaz produkcji i importu standardowych lamp żarowych zmusza do wyboru jednej z energooszczędnych opcji, na przykład diody elektroluminescencyjnej (LED) albo świetlówki kompaktowej (CFL). Dotychczasowe źródła światła przegrywają z powodu bardzo niskiej sprawności energetycznej – mniej niż 10 proc. energii dostarczanej do żarówki zmienia się w widzialne światło, natomiast na przykład świetlówki kompaktowe mogą osiągać sprawność rzędu 80 proc. Niekwestionowaną rewolucją na rynku oświetleniowym stały się żarówki oparte na technologii LED, które skutecznie wypierają klasyczne żarówki z włóknem wolframowym, halogenowe i jarzeniowe.

Warto przy okazji przypomnieć, co znaczy ów tajemniczy, ale popularny skrót LED. Light Emitting Diode, czyli dioda emitująca światło, weszła do produkcji w latach sześćdziesiątych XX wieku w formie opracowanej przez amerykańskiego inżyniera Nicka Holonyaka juniora, który jest uważany za jej wynalazcę. Dioda zaliczana jest do półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych emitujących promieniowanie w zakresie światła widzialnego i podczerwieni.

– Wszystko zaczęło się od niewielkich diod świecących, które pełniły funkcję wskaźników, zastępując małe lampki sygnalizacyjne. Instalowano je w różnych urządzeniach elektronicznych, na przykład w samochodach czy domowym sprzęcie AGD – wyjaśnia dr hab. prof. UŚ Henryk Duda. – W miarę rozwoju technologii ich produkcji, doskonalenia materiałów i rozpoznawania ich własności fizycznych pojawiły się rozwiązania, które nie dają już ubogiego światła, czyli o jednej ściśle określonej długości fali, ale pozwalają otrzymywać całe spektrum barw w zakresie widzialnym. Batalia, którą obserwujemy od pewnego czasu, zmierza do tego, aby zbudować diody, które będą nie tylko trwałe, ale także będą miały odpowiednią wydajność wysokoenergetycznego światła niebieskiego. Połączenie kilku takich innowacyjnych segmentów pozwoliło otrzymać światło białe, czyli to najważniejsze z punktu widzenia użytkownika. Wynikiem technologicznego wyścigu są między innymi najnowsze odtwarzacze Blue-ray.

Zadaniem każdego nowego źródła światła jest w jak największym stopniu przybliżenie jego barwy i temperatury do światła najzdrowszego, pochodzącego od Słońca. Światło, które postrzegamy, jest promieniowaniem elektromagnetycznym, a zróżnicowane parametry pozwalają na odróżnienie jego konkretnych rodzajów.

– Od wielu lat współpracujemy z Politechniką Szczecińską, która obecnie wchodzi w skład Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie – mówi prof. dr hab. inż. Tadeusz Groń. – Trzyosobowy zespół pod kierunkiem dr hab. inż. Elżbiety Tomaszewicz z Katedry Chemii Nieorganicznej i Analitycznej Wydziału Technologii i Inżynierii Chemicznej pracuje nad składem materiałów luminescencyjnych wykonanych z tlenków metali przejściowych z dodatkiem metali ziem rzadkich. Zespół ten współpracuje z kilkoma ośrodkami badawczymi, między innymi z Uniwersytetem Śląskim. Naukowcy z Wrocławia badają właściwości optyczne pod kątem sprawności i wydajności materiału, my badamy właściwości magnetyczne i elektryczne.

Do metali ziem rzadkich zalicza się 17 pierwiastków chemicznych, w skład których wchodzi 15 lantanowców (lantan, cer, prazeodym, neodym, promet, samar, europ, gadolin, terb, dysproz, holm, erb, tul, iterb i lutet) oraz skand i itr, które współwystępują w minerałach zawierających lantanowce i mają podobne właściwości chemiczne. Spotykane są one zazwyczaj w formie węglanów, tlenków, fosforanów i krzemianów. Mimo że pierwiastki te, wbrew nazwie, nie są wcale rzadkie i występują w skorupie ziemskiej w znacznych ilościach, problemem pozostają ich usytuowanie i koszty wydobycia. Obecnie około 35 proc. zidentyfikowanych złóż znajduje się na terenie Chin. A ich zastosowanie jest niezwykle rozległe, wykorzystuje się je m.in. w produkcji telefonów komórkowych, katalizatorów, klisz rentgenowskich, wysokoenergetycznych materiałów magnetycznych, ekranów LCD, diod LED, ogniw akumulatorowych, turbin wiatrowych, dysków twardych, silników do samochodów hybrydowych. Znajdują również zastosowanie w sektorze telekomunikacyjnym, w przemyśle optycznym, a nawet zbrojeniowym.

Po przeprowadzeniu wstępnej analizy strukturalnej naukowcy z Katowic sugerują zmiany składu związku. Ścisła współpraca obu ośrodków, stałe konsultacje i wymiana doświadczeń zmierzają do znalezienia takiego składu chemicznego próbek materiału, który sprosta wymogom nie tylko w odniesieniu do oczekiwań przemysłu elektronicznego. Zakres badań znacznie się poszerza, próbki materiałów dostarczane przez kierującą Katedrą Chemii Nieorganicznej i Analitycznej w Szczecinie dr hab. inż. prof. ZUT Elżbietę Filipek pozwalają na badania prowadzone nad izolatorami wykazującymi zjawisko Poole-Frenkla o przyroście prądu elektrycznego kilku rzędów wielkości w przedziale 0-100 V.

Standardowa analiza dostarcza informacji na temat technologii, podaje wyniki badań rentgenowskich i rezonansu paramagnetycznego. Naukowcy z Zakładu Fizyki Kryształów UŚ rozszerzyli zakres analiz o badania własności dielektrycznych, czyli m.in. określenie charakteru przewodnictwa (izolator, półprzewodnik, przewodnik), rodzaju nośników (zjawisko Seebecka), przenikalności elektrycznej oraz rejestracji charakterystyk prądowo-napięciowych. Te wyniki posłużyły do szczegółowego wskazania możliwości wzbogacenia związku o konkretne pierwiastki, które modyfikują jego właściwości. Z kolei poszukiwanie tańszych, trwalszych i łatwiej dostępnych materiałów o właściwościach dielektrycznych ma ogromne znaczenie w produkcji kondensatorów o dużej pojemności elektrycznej. Dielektryk, czyli izolator elektryczny, jest materiałem, w którym bardzo słabo przewodzony jest prąd elektryczny. Jego zastosowanie jest bardzo szerokie. Począwszy od medycyny (dreny, sondy, cewniki, strzykawki), poprzez opakowania, elementy urządzeń, płyty gramofonowe, po pokrywanie powierzchni sportowych oraz innych, zakrytych i otwartych (czasem jako igelit) czy wykorzystanie w elektrotechnice jako izolacji w przewodach i kablach oraz w elektronice jako mikrokondensatorów.

Wieloletnia współpraca z naukowcami ze Szczecina i Wrocławia zaowocowała licznymi publikacjami w renomowanych czasopismach naukowych, takich jak np.: „Physical Review B”, „Philosophical Magazine”, „Materials Research Bulletin”, „Journal of Physics and Chemistry of Solids”. W „Journal of the American Chemical Society” grupa śląskich naukowców z Zakładu Fizyki Kryształów za badania nad związkami spinelowymi uznana została przez brytyjsko- amerykańskich uczonych za pionierów w tej dziedzinie.

– Jedną z ciekawszych, często cytowanych, jest publikacja, w której opisujemy odnalezione w badanych materiałach sprzężenie spin-orbita oraz superparamagnetyzm, które znacząco modyfikują właściwości tych materiałów – mówi profesor Groń. Opublikowaliśmy także wyniki badań własności dielektrycznych i magnetycznych. Zakres naszych badań nad molibdenianami i wolframianami zawierającymi pierwiastki ziem rzadkich i metali przejściowych znacznie się poszerza, badamy je także pod kątem zwiększenia pojemności kondensatorów ceramicznych.

– Konsekwencją badań podstawowych i uzyskanych rezultatów jest kontynuacja prac w ramach badań stosowanych, prowadzących w efekcie do zastosowań praktycznych – stwierdza profesor Groń. – Efektem prowadzonych przez nas badań są nie tylko publikacje w naukowych czasopismach, ale także konkretne projekty.

Jeden z nich czeka na rozstrzygniecie unijnego konkursu w ramach Kontraktu Terytorialnego, jego twórcy planują współpracę ze śląskimi producentami urządzeń elektrycznych. W ramach oczekiwanego grantu przewidziany jest zakup nowoczesnego sprzętu, który znacznie ułatwi pracę badawczą. Urządzenie to pozwoli precyzyjnie mierzyć właściwości magnetyczne i elektryczne w jednym miejscu, bez konieczności przemieszczania badanych próbek, które w trakcie transportu mogą ulec przeorientowaniu dając mniej precyzyjne wyniki. Badanie próbek materiałów oraz sugestie wzbogacania surowca o komponenty, które podniosą jego jakość, bądź usprawnienie procesu technologicznego gwarantuje producentom konkretne zyski, a naukowcom umożliwia kontynuację poszukiwań.

Drugim obszarem badawczym, którym zajmują się naukowcy w Zakładzie Fizyki Kryształów, są materiały termoelektryczne wykorzystujące zjawisko Seebecka, znane wprawdzie od blisko 200 lat (jego odkrycie poprzedziło sformułowanie prawa Ohma), ale nie doceniane i nie wykorzystywane, ponieważ nie było urządzeń, które mogłyby funkcjonować przy tak małym poborze mocy.

– Dotychczas otrzymywaliśmy energię elektryczną na dwa podstawowe sposoby – wyjaśnia doktor Duda – poprzez zastosowanie źródeł chemicznych (np. baterie, akumulatory) oraz za pomocą urządzeń elektromechanicznych (np. generatory, prądnice, silniki). Okazuje się, że można również uzyskać energię elektryczną, wykorzystując zjawisko Seebecka, czyli pojawienie się prądu elektrycznego między złączami dwóch różnych metali, umieszczonymi w różnych temperaturach. Problemem pozostaje niska wydajność tego typu generatorów. Dzisiaj jednak pojawiła się ogromna liczba urządzeń, które już nie potrzebują dużej ilości energii. Prace badawcze nad materiałami termoelektrycznymi prowadzimy wspólnie z kolegami z Instytutu Chemii Uniwersytetu Śląskiego.

W dobie pogoni za alternatywnymi źródłami energii praca nad poszukiwaniem materiałów termoelektrycznych o jak najwyższej wydajności, których użycie będzie spełniało także wymogi proekologiczne, staje się jednym z podstawowych zadań, jakie ludzkość stawia nauce. We wszystkich laboratoriach świata trwają intensywne badania: to droga, która wiedzie wprost do Nagrody Nobla – konstatują z uśmiechem doktor Duda i profesor Groń. Poszukiwania wiodą żmudną drogą badania mechanizmów zachodzących procesów. Znalezienie materiału o odpowiedniej wydajności otwiera przed gospodarką ogromne możliwości, ponieważ zjawisko Seebecka jest zjawiskiem odwrotnym do zjawiska Peltiera, które polega na „bezpośrednim elektrycznym oziębianiu”. Wprawdzie dziś jeszcze trudno sobie wyobrazić domową bezgłośną chłodziarkę bez sprężarki, skraplacza, parownika czy wirnika, w której rozpoczęcie procesu chłodzenia wymaga zaledwie włączenia wtyczki do kontaktu, ale czy w latach 70. XX wieku ktokolwiek marzył o miniaturowym telefonie komórkowym?

Maria Sztuka

Skróty

Biuletyn Informacji Publicznej
Copyright © 2001-2019
Uniwersytet Śląski w Katowicach
Wszelkie prawa zastrzeżone.