Podczas stypendium NAWA dr Marcin Runowski dokonał zaskakującego odkrycia: nowej metody wykrywania optycznego próżni.

Nowe, bardziej wydajne optyczne czujniki temperatury i ciśnienia, oparte o nieorganiczne jony lantanowców udało się opracować chemikowi dr. Marcinowi Runowskiemu z Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu w ramach rocznego pobytu na stypendium NAWA w programie Bekker NAWA (Program im. Mieczysława Bekkera) na Uniwersytecie La Laguna w Hiszpanii.

Dzięki odkryciu stypendysty NAWA możliwe będzie łatwiejsze mierzenie m.in. temperatury w warunkach biologicznych, w procesach katalitycznych, w mikroelektronice, jak również ciśnienia w warunkach ekstremalnych, naprężeń w wielkich konstrukcjach, symulowania procesów zachodzących wewnątrz planet, warunków panujących w kosmosie.

NAWA: W swoich badaniach poszukiwał Pan materiałów do opracowania nowych czujników temperatury i ciśnienia. Skąd zainteresowanie takimi materiałami? Proszę opowiedzieć więcej na ten temat.

Dr Marcin Runowski, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu: W Zakładzie Ziem Rzadkich od lat zajmujemy się syntezą i analizą właściwości spektroskopowych, strukturalnych i morfologicznych materiałów opartych o jony lantanowców, pierwiastków ziem rzadkich, które wykazują właściwości luminescencyjne. Prowadzone badania poszerzamy również m.in. o syntezę i charakterystykę nanomateriałów o właściwościach magnetycznych i plazmonicznych.

Kilka lat temu wyniknęła kwestia poszerzenia badań o właściwości sensoryczne materiałów – jako optyczne (luminescencyjne), tj. bezkontaktowe czujniki temperatury i ciśnienia. Zacząłem wtedy współpracę z grupą badawczą działającą u prof. Andrzeja Katrusiaka, który jest jednym z bardziej znanych na świecie naukowców działających w obszarze wysokiego ciśnienia, głównie właściwości strukturalnych materiałów w wysokim ciśnieniu. Zaczęliśmy badać właściwości luminescencyjne i plazmoniczne materiałów w wysokim ciśnieniu, czyli jak się zmienia luminescencja i absorpcja światła w takich warunkach.

Okazało się, że w przypadku lantanowców istnieją zależności liniowe, pozwalające na opracowanie nowych optycznych czujników, które w sposób bezkontaktowy pozwalają wyznaczać wartości wysokiego ciśnienia. Później na konferencji w Indiach nawiązaliśmy razem z prof. Stefanem Lisem, kierownikiem zakładu, współpracę z prof. Víctorem Lavínem della Ventura z Uniwersytetu La Laguna w Hiszpanii. Byłem na tej uczelni na kilku krótkoterminowych wyjazdach, współpraca się rozwijała. Tam na wydziale fizyki jest prężnie działające laboratorium laserowej spektroskopii optycznej, badane są w nim materiały w warunkach ekstremalnych, tj. w wysokiej temperaturze i w wysokim ciśnieniu. W związku z tym pojawiła się kwestia czujników temperatury i ciśnienia. Stąd wziął się pomysł na pozyskanie grantu, umożliwiającego wyjazd do Hiszpanii na dłuższy czas i poszerzenie tych badań.

Jakie prace w projekcie wykonywał Pan na Uniwersytecie La Laguna?

Na miejscu badaliśmy materiały i nanomateriały (otrzymane głównie przez moich współpracowników z zakładu) w warunkach ekstremalnej temperatury i ciśnienia. Ponadto poszerzyliśmy tam badania o pomiary prowadzone jednocześnie w warunkach wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia. To bardzo trudne pomiary, kiedy jednocześnie materiał jest poddawany kompresji wysokociśnieniowej, a także podgrzewany do wysokich temperatur, czyli jednocześnie go grzejemy i ściskamy. W tym laboratorium takie pomiary są możliwe.

Co najciekawsze, podczas tego pobytu udało się opracować nową metodę zdalnego wyznaczania optycznego próżni. Chcieliśmy zbadać w niskich temperaturach właściwości pewnego materiału, który wzbudzaliśmy laserem na podczerwień. Okazało się, że w warunkach próżni, kiedy obniżamy ciśnienie i nie ma wokół zewnętrznych cząsteczek gazu (tj. powietrza - tlenu i azotu), który odprowadzałyby ciepło, to taki materiał pod wpływem ogrzewania laserem grzeje się kilkadziesiąt razy bardziej niż w warunkach atmosferycznych.

Ten eksperyment nieoczekiwanie zaowocował powstaniem nowej metody?

Udało się nam przekształcić termometr luminescencyjny do optycznego luminescencyjnego manometru, czyli czujnika ciśnienia, który działa również w zakresie niskich ciśnień. Jest to pierwsza na świecie metoda wykrywania optycznego próżni. Trzeba pamiętać, że nie ma problemu z wyznaczaniem wysokiego ciśnienia, ale jeśli nie działamy na materiał z wystarczającą siłą, to nic się z nim nie dzieje. Dlatego jest problem niskich ciśnień - jak je wykrywać bezkontaktowo, bez jakiegoś czujnika, który ma połączenie elektryczne.

Dzięki naszym wysiłkom można było stworzyć metodę, w której materiał jest również czuły na zmiany niskiego ciśnienia. Kiedy zaczynamy go podgrzewać laserem, przez wykrywanie temperatury przy znanych zależnościach, możemy dowiedzieć się, jakie jest ciśnienie (poziom próżni) w takim układzie. Było to najbardziej zaskakujące odkrycie, które wyniknęło z pobytu na stypendium NAWA.

Jakie może być praktyczne zastosowanie nowych materiałów?

W wielu procesach - jak kataliza, synteza nowych materiałów w warunkach ekstremalnych, w procesach biologicznych i chorobotwórczych – zmienia się temperatura. W optoelektronice, mikroelektronice, w przypadku grzania się np. procesorów – tam wszędzie potrzebne jest precyzyjne wyznaczanie temperatury i najlepiej metodami bezkontaktowymi, optycznymi. Tutaj właśnie przydają się termometry optyczne na bazie nanomateriałów – zwane nanotermometrami. Ponadto badane przeze mnie cząstki są bardzo małe – mają rozmiar struktur biologicznych, dzięki czemu mogą być zastosowane również w badaniach biologicznych.

Jeśli chodzi o czujniki ciśnienia, to należy podkreślić, że wysokie ciśnienie generuje się po to, aby otrzymywać nowe materiały o nowych spektakularnych właściwościach, badać właściwości w warunkach ekstremalnych, analizować wpływy zmiany ciśnienia na właściwości spektroskopowe, strukturalne i morfologiczne różnych materiałów, symulować warunki panujące w jądrach planet, etc. Ale jest to trudne, łatwiej wygenerować temperaturę. Wysokie ciśnienie można generować np. w wielkich prasach. Jednak kiedy materiał jest ściskany, to trudno jest do niego dotrzeć, tj. prowadzić pomiary jego właściwości spektroskopowych w trakcie trwania kompresji. Dlatego też stosuje się tzw. wysokociśnieniowe komory diamentowe, w których można generować wysokie ciśnienia rzędu kilkuset tysięcy atmosfer (a nawet wyższe), a dzięki przeźroczystości diamentów jednocześnie badać właściwości strukturalne i spektroskopowe materiałów w trakcie ich ściskania.

Bezkontaktowe czujniki wysokiego ciśnienia de facto umożliwiają wykonywanie takich badań, gdyż wielkość badanego materiału w komorze diamentowej jest zwykle rzędu kilkuset mikrometrów, co uniemożliwia zastosowanie konwencjonalnych czujników ciśnienia. Ostatnio pojawiły się doniesienia na temat tzw. wizualnych czujników wysokiego ciśnienia (o dużym przesunięciu linii emisyjnych w zakresie widzialnym, pod wpływem wysokiego ciśnienia), które mogły by zostać wykorzystane do szybkich pomiarów naprężenia na dole bardzo ciężkich konstrukcji metalowych (takich jak np. mosty). Poprzez implementację materiału emitującego w zakresie widzialnym i naświetlenie go wiązką światła, będzie on wtedy zmieniał kolor emisji w zakresie widzialnym, co łatwo można wykryć.

Jak stypendium NAWA wpłynęło na Pana rozwój naukowy?

Znacząco. W tym roku udało mi się opublikować 16 artykułów. Odkryliśmy nowe metody, nauczyłem się wielu technik spektroskopowych, poszerzyłem wiedzę w zakresie fizyki optycznej, nabyłem nowe znajomości, nowe kontakty naukowe, dzięki czemu zainicjowaliśmy efektywną współpracę badawczą. Zostałem np. członkiem zespołu realizującego grant w Hiszpanii jako specjalista od nanomateriałów luminescencyjnych. 

Jeśli miałby Pan zachęcić innych naukowców do udziału w programie Bekker NAWA, to jaka jest największa wartość z pobytu na stypendium NAWA?

Chyba największą jest spojrzenie na sprawę badań z innego punktu widzenia, dzięki czemu można odejść od swoich przyzwyczajeń i dostrzec rzeczy, których się wcześniej nie widziało. Oczywiście najważniejsze jest według mnie poznanie nowych technik badawczych i nowych możliwości współpracy międzynarodowej. Będąc na miejscu, nikt nie poszerzy swoich horyzontów badawczych, a w obecnym czasie to jest istotne. W ramach współpracy jedna grupa może zrobić jedną rzecz, druga coś innego, a w ten sposób mogą powstać świetne publikacje. W porównaniu do innych stypendiów ułatwione jest też ubieganie się o stypendium, bo uproszczona jest procedura. Ważne, aby tak było, bo to zachęca ludzi do ubiegania się o granty.  

Dziękujemy za rozmowę.

Dr Marcin Runowski jest adiunktem w Zakładzie Ziem Rzadkich, na Wydziale Chemii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu (na zdjęciu pierwszy od lewej, podczas pobytu na stypendium NAWA, w laboratorium laserowej spektroskopii optycznej i wysokiego ciśnienia, na hiszpańskim Uniwersytecie La Laguna). Odbywał staże naukowe na Uniwersytecie w Genewie, Freie Universität Berlin i Uniwersytecie La Laguna w Hiszpanii. Oprócz stypendium w programie Bekker NAWA był laureatem m.in. stypendium Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego dla wybitnych młodych naukowców, stypendium Fundacji na rzecz Nauki Polskiej "START 2015" oraz "START 2016". Został również nagrodzony w programie „Diamentowy Grant” i zajął I miejsce w konkursie na najlepszą pracę licencjacką lub inżynierską Złoty Medal Chemii.

Wśród jego zainteresowań badawczych są: synteza, modyfikacja powierzchni charakterystyka fizykochemiczna materiałów i nanomateriałów luminescencyjnych domieszkowanych jonami lantanowców, jak również nanocząstek magnetycznych i plazmonicznych. Otrzymane materiały i nanomateriały luminescencyjne badane są przez dr. Runowskiego w funkcji niskiego i wysokiego ciśnienia oraz temperatury, pod kątem ich praktycznego zastosowania jako bezkontaktowe sensory próżni, czujniki wysokiego ciśnienia i temperatury, tzw. optyczne nanomanometry i nanotermometry. 

Największe odkrycia i osiągnięcia dr. Runowskiego to odkrycie i opracowanie po raz pierwszy metody optycznego monitorowania poziomu próżni, opracowanie nowych metod spektroskopowych bezkontaktowego, optycznego pomiaru temperatury w wysokim ciśnieniu oraz w układach biologicznych, opracowanie nowych bezkontaktowych mikro- i nanosensorów wysokiego ciśnienia, opracowanie nowej metody spektroskopowej wyznaczania współczynnika załamania światła oraz przemian fazowych w wysokim ciśnieniu, a także opracowanie nowej metody wyznaczania ciśnienia przy użyciu spektroskopii czasowo-rozdzielczej.

Jak dostać grant NAWA w ramach programu Bekker NAWA (Programu im. Mieczysława Bekkera)? 

Szczegółowe informacje o programie NAWA znajdują się TUTAJ

Zdjęcie: Archiwum prywatne dr. Marcina Runowskiego.