Od niepamiętnych czasów ludzie dążyli do podwyższenia standardu swojego życia. Na początku ujarzmili ogień i wykonywali najprostsze narzędzia z kamienia, później odkryli inne, trwalsze materiały, takie jak brąz i żelazo. Okres od XV do XVIII wieku to początek wynalazków ery nowożytnej, jednak dopiero w XIX w. następuje gwałtowny rozkwit nauki. Ludzie zajmują się badaniem zjawisk występujących w coraz mniejszej skali. W dzisiejszych czasach, wiedząc, że jądra atomowe składają się z protonów i neutronów, prowadzimy badania skali subatomowej w celu ustalenia, z czego składają się cząstki uważane nie tak dawno za elementarne.

Są to jednak rozważania niemające znaczącego wpływu na naszą codzienność. „Normalnego” człowieka bardziej interesuje to, co namacalne, a w zaspokajaniu naszej wiedzy nie ma rzeczy ważniejszej, niż dzielenie się wiadomościami. Kiedyś wymiana informacji odbywała się za pomocą kuriera konnego, po wynalezieniu druku od XVII wieku zaczęły się ukazywać gazety. Obecnie prasa papierowa odchodzi na dalszy plan na rzecz cyfrowego przesyłu informacji.

Kto w dzisiejszych czasach nie słyszał o światłowodach? Dzięki rozwojowi dziedziny nauki zwanej fotoniką, za pomocą światłowodów znaczna część społeczeństwa korzysta w domach i miejscach pracy z Internetu. Jego roli w technice wymiany informacji nie trzeba nikomu tłumaczyć. Jednakże fotonika, zajmując się badaniami przetwarzania, przesyłania i gromadzenia informacji, odpowiada na pytanie „jak”, ale nie udziela odpowiedzi na pytanie „z czego” – i tę właśnie część zagadnień chciałabym przedstawić. Co, i w jaki sposób można otrzymać, aby dostarczyć fotonice narzędzi?

Metamateriały

Czym są metamateriały? Zaglądając do słownika języka polskiego pod pozycję „meta”, znajdziemy następujące wyjaśnienie: „pierwszy człon wyrazów złożonych, wskazujący na wyższy stopień, następstwo lub zmienność czegoś”. Metamateriały są więc czymś nowym, odmiennym od materiałów występujących w przyrodzie. Zaliczają się do szerokiej grupy materiałów kompozytowych, to znaczy, że skonstruowane są z więcej niż jednego składnika. W wyniku połączenia materiałów składowych i nadania im odpowiedniej struktury, wykazują szczególne właściwości elektromagnetyczne, na przykład ujemny współczynnik załamania światła, sztuczny magnetyzm czy gigantyczną stałą dielektryczną. Dzięki tym specyficznym właściwościom można zaobserwować bardzo ciekawe efekty (Rys. 1).

W chwili obecnej metamateriały wytwarzane są za pomocą skomplikowanych i drogich metod foto– i elektronolitograficznych. Aby technologię można było wdrożyć do produkcji, musi być ona jak najtańsza. Dlatego właśnie poszukuje się nowych metod wytwarzania tego typu struktur, które dodatkowo pozwoliłyby na zniwelowanie problemów występujących w metamateriałach, np. bardzo wąskiego zakresu długości fal, dla którego można zaobserwować pożądane efekty.

Samoorganizujące się struktury

W 2006 roku do otrzymywania metamateriałów zaproponowano użycie metod wykorzystujących zjawisko samoorganizacji. Jedną z nich może być krystalizacja eutektyk. Polega ona na tym, że w określonych warunkach ściśle dobrane mieszaniny materiałów, które w podwyższonej temperaturze, czyli gdy występują w postaci cieczy, są całkowicie mieszalne, pod wpływem ochładzania przestają się mieszać i układają się w bardziej lub mniej regularne struktury.

Eutektyka jest mieszaniną związków o strukturze krystalicznej (czyli takiej, w której atomy znajdują się w ściśle określonych położeniach względem siebie), w której można wyodrębnić fazy każdego ze składników. Wynika to z faktu, że mieszaniny pewnych związków, w tak zwanym punkcie eutektycznym (określonych proporcjach składników i temperaturze), mają tendencję do krzepnięcia bez mieszania się na poziomie cząsteczkowym. Dzięki temu składniki eutektyki układają się w różne struktury geometryczne (Rys. 2).

Możliwość zastosowania różnych materiałów składowych tworzących mieszaninę (np. metali, tlenków metali czy półprzewodników) powoduje, iż eutektyka może posiadać różne ciekawe właściwości, które nie występują w sposób naturalny w przyrodzie. W szczególności, łącząc materiały o różnych współczynnikach załamania światła w strukturę o odpowiednio powtarzającej się konfiguracji tych materiałów, można uzyskać efekt fotonicznej przerwy wzbronionej dla światła np. o długości fali z zakresu widzialnego. Efekt fotonicznej przerwy wzbronionej, czyli taka interakcja światła z periodyczną strukturą materiału, która spowoduje brak możliwości wejścia do takiej struktury światła o długości fali porównywalnej do rozmiarów poszczególnych „atomów” w periodycznej strukturze naszego materiału. A zatem to, co zaobserwujemy, to odbicie fal o takich długościach od naszego materiału (czyli o konkretnej barwie), czyli nasz materiał dla naszych oczu będzie miał kolor tej odbitej fali. Tego typu efekt jest szeroko rozpowszechniony w przyrodzie, np. część kolorów na skrzydłach motyli ma źródło właśnie w strukturze tego skrzydła czy też pyłków pokrywających skrzydło, a nie w barwnikach.

Mikrowyciąganie w dół

Zanim się jednak zabierzemy za eksperymentowanie z nowymi materiałami, musimy wiele godzin poświęcić na wybranie takich składników, żeby eutektyka miała szanse zostać zaliczona do elitarnego grona metamateriałów. Po pierwsze, musi się składać z co najmniej dwóch różnych materiałów o odpowiednich właściwościach elektromagnetycznych, a po drugie składniki muszą tworzyć eutektykę w rozsądnych warunkach – musimy być w stanie wytworzyć ten materiał. Tu pole do popisu mają naukowcy, którzy potrafią stworzyć wykresy fazowe interesujących nas związków. Poza dobraniem odpowiednich proporcji składników, wykres fazowy pozwala określić temperaturę wspomnianego wcześniej punktu eutektycznego, która, ze względu na wykorzystywaną przez nas technologię, powinna zawierać się w zakresie do 2000º C. Są tacy, co stwierdzą, że to wysoka temperatura, ale astrofizyk machnie tylko ręką i stwierdzi, że gwiazdy są gorętsze.

Idea wytworzenia eutektyki metodą μ-PD (z ang. micro-Pulling Down) jest stosunkowo prosta. Przypomina zabawę stopionym woskiem świeczki za pomocą zapałki, z tą różnicą, że zamiast wosku mamy roztopione składniki mające tworzyć eutektykę, a zamiast zapałki zarodek, który nie stopi się w kontakcie z bardzo rozgrzaną cieczą. Do niedużego tygielka wsypujemy proszek, topimy go i czekamy, aż zacznie wyciekać przez kapilarę wewnątrz kształtki na spodzie tygla. Następnie dotykamy zarodkiem wypływającego materiału, który zaczyna krzepnąć, ponieważ w kontakcie z nim gwałtownie stygnie. Wtedy zarodek opuszczany jest w dół, a ciecz, „wyciągana” z tygla siłami lepkości i grawitacji, krystalizuje w postaci włókna o wymiarach kontrolowanych geometrią zastosowanej kształtki (Rys. 3).

Moje pierwsze włókno

W Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME) w Warszawie od kilku lat prowadzone są badania nad otrzymywaniem włókien eutektycznych metodą μ-PD, które mogą znaleźć zastosowanie w fotonice. W ramach swoich badań mam możliwość uczestniczenia w przeprowadzanych tam eksperymentach. W udziale przypadło mi wytworzenie włókna z eutektyki Bi2O3-Ag. W idealnej, modelowej sytuacji włókno powinno się składać z regularnych wytrąceń srebra, otoczonych tlenkiem bizmutu. Niestety, po raz kolejny okazało się, że teoria i praktyka rzadko idą w parze. Po zakończonym procesie technologicznym dało się zauważyć, że nie cały materiał z wnętrza tygla raczył wydostać się na światło dzienne w postaci włókna. Spora część materiału pozostała w tyglu, ciesząc niewprawne oko technologa srebrzystym blaskiem. Aby procedurze stało się zadość, należało włókno przebadać. W tym celu zostało ono pocięte i zbadane za pomocą dyfraktometrii rentgenowskiej oraz skaningowego mikroskopu elektronowego. W obu przypadkach moje obawy potwierdziły się – we włóknie znajdowały się śladowe ilości srebra (Rys. 4), ponieważ większość została w tyglu.

Brak wyraźnego uporządkowania struktury uniemożliwia nadanie mojemu włóknu miana metamateriału, jednakże prace nad uzyskaniem samoorganizującej się eutektyki Bi2O3-Ag trwają. Nawet niewielka zmiana parametrów procesu, takich jak temperatura czy prędkość obniżania zarodka, może się okazać korzystna dla jakości otrzymanego włókna. Jak się sama przekonałam przez ostatnich kilka miesięcy, opracowywanie technologii w dużej mierze działa na zasadzie prób i błędów, więc nie jestem zaskoczona, że nie udało mi się stworzyć nowego, rewelacyjnego metamateriału za pierwszym podejściem. Filozofowie przyrody zaczną się zapewne zastanawiać, dlaczego srebro zostało w tyglu, jednakże jest wiele tysięcy niezbadanych eutektyk, mogących wykazywać własności meta-, i niewyobrażalne wręcz ilości składów, które nawet nie przyszły jeszcze nikomu do głowy, więc nikt nie ma czasu zastanawiać się długo nad jednym, drobnym faktem.

Nawet Edison, zanim zrobił żarówkę, odkrył setki sposobów, jak żarówki zrobić się nie da. Jestem więc dobrej myśli i wierzę, że w przyszłości uda mi się zrobić materiał, który z powodzeniem będzie można zastosować do ukrycia czegokolwiek przed wszystkimi. Zakasuję więc rękawy i od nowa zaczynam proces, mający na celu wytworzenie niewidzialnego, choćby tylko troszkę, materiału.