Naukowcy na całym świecie otrzymują nowe materiały, aby następnie badać ich właściwości i możliwe zastosowania. A wszystko po to, aby otaczające nas urządzenia, z których na co dzień korzystamy, działały szybciej, dłużej, lepiej i bezpieczniej dla środowiska. Łączą się w tych poszukiwaniach m.in. chemicy, fizycy, biolodzy i materiałoznawcy. Takie interdyscyplinarne badania prowadzi również zespół prof. dr. hab. Wojciecha Pisarskiego, kierownika Zakładu Chemii Materiałów i Technologii Chemicznej. Tworzą go między innymi dr Marta Kuwik, mgr Natalia Pawlik i mgr inż. Agata Górny.

Jednym z przedmiotów badań zespołu prof. Wojciecha Pisarskiego są włókna optyczne, z których mogą być tworzone światłowody

Nowoczesne materiały to określenie bardzo często pojawiające się w kontekście badań naukowców reprezentujących różne dziedziny naukowe, takie jak chemia, fizyka czy materiałoznawstwo. Z jednej strony można je ujmować w aspekcie poznawczym. Z definicji, jak mówi prof. dr hab. Wojciech Pisarski, powinny być nowe, atrakcyjne i interesujące z naukowego punktu widzenia. Z drugiej strony – dobrze jest, jeśli można je także ocenić pod kątem potencjalnego zastosowania. Dopiero te dwie odsłony zaprojektowanego materiału pozwalają mówić o jego nowoczesności.

– Chciałbym podkreślić, że idealny materiał (na szczęście) nie istnieje. Jeśli, prowadząc badania, koncentrujemy się na polepszaniu pewnych właściwości znanych nam tworzyw, zawsze musimy liczyć się z tym, że pogorszeniu mogą ulec inne parametry – wyjaśnia chemik z Uniwersytetu Śląskiego. – Na przykład zaprojektowany materiał o interesujących właściwościach optycznych może okazać się chemicznie mniej trwały. Wtedy albo modyfikujemy skład, albo sposób jego otrzymywania, aby przy zachowaniu interesujących nas cech, zadbać także o pozostałe parametry. Innymi słowy, szukamy kompromisów. Dopiero wtedy można zacząć myśleć o potencjalnych zastosowaniach – dodaje.

Droga od syntezy do wskazania możliwości zastosowania, nie mówiąc już o wdrożeniu, jest jednak długa i skomplikowana, a przy tym zależna między innymi od wysokości dofinansowania realizowanych projektów. Zespół prof. Wojciecha Pisarskiego koncentruje się więc na prowadzeniu badań podstawowych – od projektowania i syntezowania nowych materiałów, aż po opis ich właściwości i wskazywanie potencjalnego zastosowania.

Badania rozpoczynają się od opracowania metodyki syntezy nowego materiału. W tym zadaniu bardzo pomagają m.in. doświadczenie naukowe, wymiana wiedzy w środowisku eksperckim i znajomość dominujących trendów w chemii materiałów. Zespół specjalizuje się w projektowaniu oraz badaniu szkieł i włókien szklanych, a także Architektura nieorganicznych szkieł optycznych Prof. dr hab. Wojciech Pisarski z Instytutu Chemii prowadzi wraz z zespołem badania nowoczesnych materiałów o potencjalnym wykorzystaniu m.in. w optoelektronice materiałów szklano-ceramicznych o założonych właściwościach, głównie optycznych. Naukowcy poszukują nowych materiałów, starają się modyfikować ich właściwości, aby polepszyć ich parametry użytkowe. Wówczas pojawia się szansa na przyznanie patentu dla wynalazku i publikację wyników w prestiżowych czasopismach naukowych.

Szczególnym zainteresowaniem naukowców z Uniwersytetu Śląskiego cieszą się materiały luminescencyjne domieszkowane jonami lantanowców, które mogą być wykorzystywane w optyce, na przykład do budowy lasera. Są to materiały optycznie czynne, emitujące promieniowanie o pożądanych właściwościach, dzięki którym przykładowy laser będzie mógł charakteryzować się m.in. odpowiednią mocą i zakresem emisji światła.

– Zwróćmy uwagę na istotny szczegół. Nasz zespół nie konstruuje lasera o wymienionych cechach, lecz projektuje materiał optycznie czynny, który jest jego istotną częścią. W tym sensie właśnie prowadzimy badania podstawowe, mające jednak aplikacyjny potencjał – komentuje prof. Wojciech Pisarski.

Projektowanie materiału aktywnego optycznie rozpoczyna się od opracowania składu matrycy. Jeśli aktywuje się matrycę odpowiednimi jonami lantanowców lub metali przejściowych, wówczas taki materiał może emitować promieniowanie w szerokim zakresie spektralnym – od UV, poprzez światło widzialne, aż do podczerwieni.

Od lewej: mgr Natalia Pawlik, prof. dr hab. Wojciech Pisarski, dr Marta Kuwik oraz mgr inż. Agata Górny

W materiałach, o których mowa, zachodzą często niezwykle interesujące procesy. Jednym z nich jest tak zwana konwersja energii w górę, która polega na przetwarzaniu promieniowania podczerwonego na światło widzialne. W praktyce oznacza to, że wzbudza się określone cząstki niższą energią, a otrzymuje się emisję promieniowania o wyższej energii. Przez kilkadziesiąt lat zjawisko to było wykorzystywane w materiałach monokrystalicznych, ale wraz z rozwojem technologii naukowcy efektywnie wykorzystali je także w nanoluminoforach domieszkowanych jonami lantanowców. Dzięki temu mogły powstać takie urządzenia, jak: lasery, noktowizory, optyczne czujniki temperatury i detektory kwantowe. Zjawisko to okazało się także użyteczne w obrazowaniu medycznym i telekomunikacji.

Zespół prof. Wojciecha Pisarskiego zajmuje się także szkłami specjalnymi, z których wyciągać można włókna mające zastosowania głównie w telekomunikacji optycznej. Na bazie tych włókien można otrzymać światłowody służące do bardziej efektywnego przesyłania informacji.

– Materiały te otrzymujemy i badamy we współpracy z naukowcami z Politechniki Białostockiej oraz Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie – mówi chemik z Uniwersytetu Śląskiego.

Interesującymi materiałami projektowanymi przez zespół z UŚ wspólnie z naukowcami z Instytutu Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN we Wrocławiu są szkła ołowiowo-germanianowe domieszkowane jonami lantanowców o potencjalnym zastosowaniu w sensorowej termometrii optycznej, które pod koniec ubiegłego roku zostały opatentowane. Mogą być częścią czujników wykorzystywanych w miejscach trudno dostępnych, na przykład w diagnostyce biomedycznej oraz w pomiarach prowadzonych w toksycznych warunkach – w rafineriach czy kopalniach.

– Opracowane przez nas szkła zastosowane w czujnikach pozwolą uzyskać dokładny pomiar temperatury, niezależnie od warunków pomiarowych, co jest niezwykle istotne przy proponowanych przez nas potencjalnych zastosowaniach – wyjaśnia naukowiec. – Jak już wspominałem na początku, nie ma idealnych materiałów. Poprawa jednego parametru może za sobą pociągać pogorszenie pozostałych. Na przykład interesujące nas szkła tlenkowe stosunkowo łatwo się syntezuje. Ich stabilność chemiczna i termiczna jest bardzo duża. Przy czym o wiele ciekawsze, wręcz wymarzone właściwości optyczne mają szkła fluorkowe. Niestety ich synteza jest dużo trudniejsza, a otrzymane układy fluorkowe są mniej stabilne chemicznie i termicznie. Co zatem można zrobić, aby połączyć zalety obu materiałów? Zsyntezować mieszane szkła tlenkowo- -fluorkowe.

Jeśli takie układy podda się odpowiedniej obróbce cieplnej, to jest szansa otrzymania materiałów szklano- -ceramicznych, w których nanokryształy fluorkowe, na przykład fluorku ołowiu, będą rozproszone w amorficznej matrycy tlenkowej.

Jak tłumaczy prof. Wojciech Pisarski, materiały zawierające ołów mają niezwykle dobre właściwości optyczne. Dyrektywy Unii Europejskiej ograniczają jednak zastosowanie ołowiu w nowoczesnych technologiach. W związku z tym naukowcy z Uniwersytetu Śląskiego poszukują alternatywnych rozwiązań. Jednym z nich jest otrzymanie materiałów szklano-ceramicznych zawierających bezołowiowe nanokryształy fluorkowe z wbudowanymi jonami lantanowca. Zakończone sukcesem prace pozwoliły uzyskać nietoksyczne materiały o znakomitych właściwościach optycznych.

Potencjalne obszary zastosowań szkieł i włókien szklanych oraz materiałów szklano-ceramicznych, nad którymi pracuje zespół prof. Wojciecha Pisarskiego, to: mikro- i nanoelektronika, telekomunikacja, technika laserowa oraz optoelektronika.