Prof. Jachowicz o niezwykłych właściwościach krzemu

Mikrosystemy to skomplikowane układy, które myślą, czują, odbierają bodźce i pracują. Potrafią nawet spacerować i fruwać, o czym przekonuje prof. dr hab. Ryszard S. Jachowicz z Wydziału Elektroniki i Technologii Informacyjnych (WEiTI) Politechniki Warszawskiej. Jego zespół opracował mikroaparaturę do pomiaru jakości skóry ludzkiej, za co dwa lata temu odebrał nagrodę za najlepszy referat konferencji Micro Nano w Hong Kongu. Rozwijanie projektów naukowych profesor łączy z ich popularyzacją podczas wykładów otwartych Wszechnicy WEiTI. Tłumaczy, jak wyglądają krzemowe konstrukcje i dlaczego są zarazem tańsze i bardziej niezawodne od tych, wykonanych w makroskali.

Trudno obecnie znaleźć dziedzinę wiedzy lub gałąź przemysłu, w której nie znajduje zastosowania technologia półprzewodnikowa. Czujniki, mikrosystemy, układy scalone są obecne zarówno w zabawkach, przedmiotach codziennego użytku, jak i w skomplikowanej aparaturze naukowej, medycznej, kosmicznej Prof. Jachowicz postanowił wyjaśnić młodzieży i zainteresowanym słuchaczom niezwykłe zalety skali nano - na przykładach.

PRZEZ SKÓRĘ DO ZDROWIA

Przyrządy do pomiaru jakości skóry ludzkiej opracowywane w zespole prof. Jachowicza dokonują oceny dzięki analizie szybkości parowania wody. Metodę tę do zastosowań diagnostyki laryngologicznej rozwija m.in. dr inż. Daniel Paczesny. Naukowcy opracowali mikrosystem z grzejnikiem, termometrem i detektorem wilgoci, który umożliwia pomiar do 10 razy na sekundę. "Żadne inne laboratorium na świecie takich parametrów nie ma" - zapewnił profesor, potwierdzając sukces swojego zespołu pierwszą nagrodą na konferencji w Kowloon w Hong Kongu. Wkład w najlepszy referat na Micro Nano 2008 wnieśli również dr inż. Jerzy Weremczuk i dr inż. Grzegorz Tarapata.

To nie jedyne zastosowanie technologii półprzewodnikowej, łączące medycynę z dermatologią. "W dermatologii stosujemy różnego rodzaju środki poprawiające jakość skóry - upiększające, ale większość z nich marnuje się, bo skóra na powierzchni nie jest żywa. Trzeba wetrzeć dużo kremu, żeby dotrzeć do żywej tkanki, a dodatkowo czas reakcji jest długi. Gdybyśmy potrafili wstrzykiwać bardzo gęsto na głębokość ok. pół milimetra, byłaby to znakomita sprawa - urodę poprawiamy natychmiast!" - mówił prof. Jachowicz.

Trudno sobie wyobrazić zwykłe igły tak gęsto i na taką głębokość wstrzykujące substancję. Ale, jak się okazuje, odpowiednie i bardzo ostre igły można wykonać na wiele sposobów w technologii półprzewodnikowej. Igły mierzące ok. 500 mikrometrów wyposażone w otworki, którymi dostarczane są substancje, sprawiają, że wszelkie zabiegi są bezbolesne. Tak funkcjonują już m.in. igły dla diabetyków, które pozwalają w sposób stały dokonywać pomiaru poziomu cukru i wstrzykiwać insulinę w dawkach nanolitrowych.

MIKROROBOTY W MEDYCYNIE, ANALITYCE NAUKOWEJ, WYWIADZIE

Medycyna to ocean zastosowań technologii krzemowych. Kapsułki gastrologiczne wyposażone w napęd, kamery i analizatory już teraz zastępują bolesny zabieg endoskopowy w żołądku.

Jak przypomniał profesor, kilkanaście lat temu wydawało się niemożliwe, że mikrorobot wpuszczony w tętnicę będzie mógł wykonywać operacje - zbierać złogi cholesterolowe, oglądać to, podawać lekarstwa, zdejmować chirurgicznie złogi. "Z każdym rokiem jesteśmy tego coraz bliżsi. Uważam, że jest kwestią 10-15 lat i takie rzeczy będą na porządku dziennym" - przekonywał. Jego zdaniem, tyle samo czasu potrzeba, aby naukowcy zbudowali autonomicznego, zasilanego bateriami paliwowymi krzemowego owada. Krzem bowiem już teraz "potrafi latać".

"Oddział żołnierzy chciałby wiedzieć, co jest za rogiem, za krzakiem, w drugim pomieszczeniu. Można sobie wyobrazić, że na zwiad leci sztuczny komar, wyposażony w obiektyw, głowicę pomiarową i nadaje sygnał na parę kilometrów. Takie latające owady, zrobiono już w Cambridge, ale widziałem je również we Francji" - opowiadał prof. Jachowicz gościom Politechniki. Wspomniany przez niego "owad" ma około 2 cm i lata na skrzydłach z azotku krzemu. Uczony przyznał, że trudno dotrzeć do szczegółowych informacji o tym projekcie, bowiem są one pilnie strzeżone. Wiadomo jednak, że badacze zmagają się obecnie z problemem energetycznym. Sztuczny komar lata teraz tylko z zasilaniem drutowym.

W opinii prof. Jachowicza, możliwości krzemu są niemal nieograniczone. Skoro potrafi latać, może również chodzić. Naukowiec pokazał publiczności strukturę krzemową, która pozwala transportować mechanicznie materiał, a odwrócona - przesuwała się po stole. "Dziś jeszcze nie wiadomo, czemu by miało to służyć, ale podobna sprawa z termicznym zachowaniem materiału, który się będzie prostował i zaginał została wykorzystana w mikrorobotach. Ich chwytaki pozwalają biologom na przykład na schwytanie pojedynczych bakterii" - zdradził.

SZTUCZNY NOS, SZTUCZNE OKO I SEKRET DRUKAREK ATRAMENTOWYCH

Zdaniem naukowca, półprzewodniki to także wielka przyszłość biochemii i analityki chemicznej. Mikrolaboratoria, tzw. Lab-on-chip zawierają przepływowy system mikroelementów, przez który można przepompowywać małe ilości analitu. W nanoskali tworzone są reaktory, pompy, zawory. Na styku analityki chemicznej i innych dziedzin nauki powstają takie projekty, jak "sztuczny nos", który - zgodnie z założeniami badaczy - ma mieć dokładności zbliżone nie do ludzkiego czy psiego nosa, ale i do powonienia łososi, które trafiają do miejsca urodzenia na zasadzie zapachu.

Sztuczne oko, czyli kamera, to jeden z czujników już dawno opracowanych. Prof. Jachowicz opowiedział o wyzwaniach związanych z przekazaniem sygnału elektrycznego chcemy przekazać do systemu nerwowego organizmu żywego. Na razie naukowcom nie udało się w pełni zastąpić uszkodzonego narządu wzroku, choć częściowe próby zostały już podjęte w Stanach Zjednoczonych i w Niemczech. Według profesora, potrzeba około 20 lat, żeby uzyskana w ośrodkach badawczych gęstość elektrod gwarantowała dużą rozdzielczość obrazu przekazywanego do mózgu.

Uczony zaznaczył, że optyczne sterowniki oparte na maleńkich zwierciadłach, stosowane są powszechnie od wielu lat - na przykład w rzutnikach obrazów. To matryce mikrozwierciadeł, które mogą skręcać się lub pozostawać w stanie spoczynku. Skręcone odbijają światło, które trafia na ekran.

Skomplikowany mikrosystem można znaleźć w wielu urządzeniach codziennego użytku, choćby w drukarce atramentowej. Jak wyjaśnił prof. Jachowicz, są tam 64 działa, każde działo strzela kroplą 2 nanolitrów, a czas wystrzału to około 6 mikrosekund. System skomplikowanych mikrozaworów i grzejnik, powodują wzrost ciśnienia, a w konsekwencji - wystrzał kropli. Pod działami jest układ półprzewodnikowy, który pozwala dopompować materiał.

WSZYSTKO ZACZYNA SIĘ OD CZUJNIKA

Czujniki budowane w skali mikro to sensory. Jeżeli badacz chce zmierzyć pewne parametry otoczenia, a następnie informacje te przekształcić w sygnał elektryczny, który trafi do komputera, potrzebny mu będzie czujnik inteligentny.

Dokonania inżynierów pozwalają nie tylko na wykonywanie pomiarów w nanoskali i ich analizę. Konstruktorzy potrafią wykonywać rozmaite mikrosterowniki, które będą wpływać na środowisko. Jeżeli proces technologiczny pozwala sterować zaworami, pompami, grzejnikami, to mamy już do czynienia z systemem. Mikrosystem tym różni się od czujnika, że ma zamknięte w obudowie elementy wykonawcze - siłowniki mechaniczne w skali mikro.

Mikrosiłowniki wykorzystują różne rodzaje energii. Prof. Jachowicz zaprezentował zasadę działania silnika elektrostatycznego. Współcześnie takie silniki, które mogą się poruszać z ogromnymi częstotliwościami, nawet rzędu megaherców, wykonuje się masowo. Służą one m.in. do pozycjonowania głowicy w dyskach twardych.

"Silnik elektrostatyczny w dużej skali nie istnieje. Pierwszy taki silnik został zbudowany w Berkeley University. Miał 25 tysięcy obrotów na minutę. Warto to porównać z wynikami osiąganymi w konstrukcjach makro. Silnik samochodowy jak wchodzi na obroty 7 tys. na minutę, tylko przez chwilę może je utrzymywać, bo się rozpadnie" - zobrazował prof. Jachowicz. Dodał, że najnowsze mikrosilniki uzyskują nawet do 74 tys. obrotów na minutę. Umożliwia to szczelna obudowa, odpowiednie ciśnienie i brak oporów tarcia przy lewitującym wirniku. Najbardziej skomplikowane mikrosystemy mechaniczne to żyroskopy.

Pierwszy czujnik do pomiaru wielkości fizycznych został opracowany w latach 70. w Stanford University w Kaliforni. Czujniki przyspieszenia są stosowane np. w samochodowych poduszkach bezpieczeństwa. W krzemie wykonywane są też czujniki ciśnienia. Mikroprzełączniki, które pozwalają działać z częstotliwością kilkuset kiloherców, są niezbędne w telefonii komórkowej. Najnowsze pozwalają przesyłać sygnały do 100 gigaherców. Ich niezawodność wyraża się liczbą 5 razy 10 do 10 potęgi przełączeń. "Żaden układ mechaniczny w skali makro nie wytrzymuje tego typu obciążeń" - ocenił prof. Jachowicz.

Wykład "Czy krzem może latać?" w cyklu Wszechnica WEiTI odbył się 24 listopada na Wydziale Elektroniki i Technologii Informatycznych Politechniki Warszawskiej.

PAP - Nauka w Polsce