Šių metų Lietuvos mokslo premijai gauti buvo pateikti du Vilniaus universiteto Fizikos fakulteto mokslininkų darbų ciklai. Vienas iš premijos pretendentų – mokslininkų grupės darbų ciklas „Funkcinių medžiagų mikrobangų spektroskopija (2008–2022)“. Pasak grupės nario dr. Manto Šimėno, bendradarbiavimas leido pasiekti rezultatų, matomų ne tik iš pastarųjų metų publikacijų aukšto cituojamumo tarptautiniuose mokslo žurnaluose, bet ir iš įvertinimo Lietuvoje. O kalbant apie grupėje vystomos mikrobangų spektroskopijos įrankius, ypač plačiajuostę dielektrinę spektroskopiją bei elektronų paramagnetinį rezonansą, pasaulyje grupė neturi lygių.
Grupėje dirba net septyni mokslininkai: prof. Jūras Banys, dr. Jan Macutkevič, dr. Šarūnas Svirskas, dr. Sergejus Balčiūnas, dr. Vidmantas Kalendra, dr. Robertas Grigalaitis ir dr. M. Šimėnas, sutikęs papasakoti apie grupės atliktus tyrimus, bendradarbius ir nuotaikas pateikus paraišką.
Ką jūsų grupei reiškia Lietuvos mokslų akademijos nominacija?
Mums didelė garbė būti nominuotiems Lietuvos mokslo premijai. Esame dėkingi Fizikos fakulteto bendruomenei už pasitikėjimą ir palaikymą. Paraiškoje pateikti rezultatai parodo ženklų įdirbį ir mikrobangų spektroskopijos grupės plėtrą per pastaruosius 15 metų. Prof. J. Banio dėka grupė išaugo, įsigijo aukščiausio lygio įrangos, ją pritaikė dielektrinių spektrų ir kitiems tyrimams. Svarbiausia, kad grupėje yra daug jaunųjų mokslininkų, kurie yra tarp nominantų. Bendras darbas leido pasiekti įspūdingų rezultatų, kurie matomi iš pastarųjų metų publikacijų aukšto cituojamumo žurnaluose, tokiuose kaip „Nature Communications“, „Advanced Energy Materials“, „Science Advances“ ir t. t. Tad jau būti nominuotiems premijai yra didelis įdėto darbo įvertinimas.
Iš kairės: V. Kalendra, M. Šimėnas, R. Grigalaitis, Š. Svirskas, J. Banys, S. Balčiūnas.
Mūsų pateiktus tyrimus jungia mikrobangų metodikos taikymas įvairioms inovatyvioms funkcinėms medžiagoms tirti. Mūsų tirtas medžiagas galima skirstyti į tris grupes.
Pirmoji grupė yra neorganiniai perovskitai. Tai tam tikrą struktūrą turinčios medžiagos, kurios dažnai pasižymi taikymams patraukliomis savybėmis. Mūsų tirtų medžiagų pavyzdžiai yra feroelektrikai, feroelektriniai relaksoriai ar dipoliniai stiklai.
Kita grupė, kurios tyrimuose yra didelis mano paties indėlis – hibridinės medžiagos. Tai medžiagos, kurias sudaro metalo centrai, sujungti organiniais motyvais. Tokios medžiagos pasižymi itin įvairiomis ir patraukliomis savybėmis, kurias galime tirti mikrobangų metodais.
Trečioji medžiagų grupė, prie kurios daugiausia dirba dr. Jan Macutkevič, yra polimeriniai kompozitai, gaminami į polimerą įterpiant įvairius neorganinius intarpus. Tokios medžiagos gali būti naudojamos elektromagnetinei spinduliuotei ekranuoti.
Galbūt galėtumėte plačiau papasakoti, kokiose srityse šios medžiagos pritaikomos praktiškai?
Perovskito struktūros medžiagos yra patrauklios savo fizikinėmis savybėmis. Priklausomai nuo cheminės sudėties, perovskituose galima sukurti įvairias funkcines savybes, kaip antai feroeletrinis ar feromagnetinis reiškiniai. Perovskitus legiruojant kitais jonais galima keisti jų elektrinį laidį. Feroelektriniai perovskitai yra netiesiniai kristalai, o tai reiškia, kad jie gali būti taikomi lazerinėse sistemose (pvz., antros harmonikos generavimas, akustooptinis reiškinys) ir piroelektriniuose detektoriuose. Feroelektrikai yra bene geriausiomis pjezoelektrinėmis savybėmis pasižyminčios medžiagos. Galų gale didelė dielektrinė skvarba puikiai tinka gaminant daugiasluoksnius keraminius kondensatorius, varaktorius ir kitus mikrobangų elektronikoje naudojamus elementus.
Mūsų tyrimai koncentruoti į maišytus feroelektrikus ir jiems giminingas medžiagas, čia mūsų grupė įnešė didelį indėlį. Maišyti perovskitai gaunami, kai tam tikri medžiagą sudarantys jonai yra pakeičiami kitais jonais, o tai savo ruožtu lemia įspūdingus medžiagų savybių pokyčius ir naujų reiškinių atsiradimą. Pavyzdžiui, smarkiai išaugęs pjezoelektrinis atsakas ir dielektrinė skvarba leidžia šias medžiagas naudoti jau mano minėtoje elektronikoje, jutikliuose, aktuatoriuose ir pan. Tokios maišytos medžiagos dažnai vadinamos feroelektriniais relaksoriais – didelė dalis mūsų tyrimų skirti būtent šioms medžiagoms.
Tuo tarpu hibridiniuose perovskituose dalis kristalinės struktūros yra sudaryta iš organinių struktūrinių vienetų, pavyzdžiui, organinių molekulinių darinių. Jau prieš dešimtmetį buvo pastebėta, kad tokios medžiagos turi labai didelį potencialą kaip pigūs ir našūs saulės elementai. Per tuos dešimt metų šių medžiagų efektyvumas smarkiai išaugo – nuo kelių iki daugiau nei 25 procentų. Tokios medžiagos jau pradeda konkuruoti su klasikinių puslaidininkių saulės elementais. Taip pat jos jau yra taikomos jutikliuose, šviestukuose ir pan. Tačiau vienareikšmiška tokio aukšto efektyvumo priežastis nebuvo žinoma. Pasitelkus plačiajuostę dielektrinę spektroskopiją – vieną iš mikrobangų spektroskopijos tyrimo metodų – mums pavyko nustatyti, kad hibridiniai perovskitai turi gana didelę dielektrinę skvarbą. Tai susiejome su dideliu šių medžiagų našumu, nes didelė dielektrinės skvarbos vertė sukuria sąlygas geresnei krūvio pernašai.
Be to, tiriant hibridinius perovskitus mums pavyko sudarkyti šiose medžiagose nusistovintį tvarkingą elektrinių dipolių išsidėstymą. Tai siejasi su anksčiau minėtais neorganiniais perovskitais, kuriuose pakeitus jonus gaunama relaksoriaus fazė. Hibridinių perovskitų atveju mums taip pat pavyko sukurti panašią į relaksorių fazę, pakeitus vienus struktūrinius elementus kitais. Taip mikroskopiniu lygmeniu sutrikdėme sistemos susitvarkymą ir gavome labai įdomią dipolinio stiklo fazę, kurioje elektriniai dipoliai žemoje temperatūroje užšąla, t. y. dipolių sistema sustingsta netvarkingai išsidėsčiusi. Pastebėjome, kad maišytuose hibridiniuose perovskituose keičiasi ir dielektrinės savybės, kurias bandėme sieti su realių įrenginių veikimu.
Kitos hibridinės medžiagos – metalo organiniai karkasai, pasižymintys itin dideliu porėtumu. Kitaip sakant, jų kristalinė struktūra turi dideles ertmes, į kurias galima įdėti įvairias molekules. Todėl metalo organiniai karkasai gali būti panaudoti dujoms saugoti ar gaudyti, o tai yra aktualu norint surinkti CO2 iš atmosferos, gaminti vandenilio kuro elementus ar unikalius vaistų nešiklius. Tokius ir panašius procesus, vykstančius šiose medžiagose, tyrėme pasitelkę Lietuvoje unikalų elektronų paramagnetinio rezonanso, EPR, spektrometrą.
Trečioji medžiagų grupė yra polimeriniai kompozitai, į kuriuos yra įdėti neorganiniai intarpai. Tokios medžiagos gali būti naudojamos mikrobangoms ekranuoti, o tai šiuo metu yra itin aktualu, nes tokios medžiagos gali būti panaudojamos karyboje. Dažniausiai mūsų tirti neorganiniai motyvai buvo įvairios anglies nanodalelės, kaip anglies nanovamzdeliai, nanosvogūnai ir pan.
Su kuo bendradarbiaujate atlikdami mokslinius tyrimus? Kaip pasirenkate mokslinių tyrimų partnerius?
Labai glaudžiai bendradarbiaujame su tyrėjais iš užsienio vykdydami visų trijų medžiagų grupių tyrimus. Mes, kaip fizikai, dažniausiai patys medžiagų negaminame – kristalų auginimo bei medžiagų sintetinimo malonumą paliekame chemikams. Mes savo ruožtu esame atsakingi už gana sudėtingus matavimus ir eksperimentinių rezultatų interpretaciją. Mūsų bendradarbiavimas apima daug pasaulio valstybių, visas tikrai būtų sunku net išvardyti. Aišku, daugiausia bendradarbiaujame su mokslininkais iš pažangių Europos mokslo įstaigų, taip pat iš Šiaurės Amerikos, Azijos (Japonija, Taivanas ir kt.).
Šiuolaikiniame moksle tyrimų partneriai labai svarbu, nes retai kada viena grupė geba tiek gaminti medžiagas, tiek atlikti jų matavimus ir teorinius skaičiavimus.
Ar turite jus įkvepiančių mokslinių autoritetų?
Manau, kad beveik visi mokslininkai turi profesinių autoritetų, juk dirbant tam tikroje srityje retai esi pats geriausias pasaulyje. Kalbant apie mūsų grupėje vystomos mikrobangų spektroskopijos įrankius, ypač plačiajuostę dielektrinę spektroskopiją bei elektronų paramagnetinį rezonansą, kai kuriose šių tyrimų srityse pasaulyje mes esame geriausi. Pavyzdžiui, man asmeniškai pavyko sukurti tam tikrus elektronų paramagnetinio rezonanso įrenginius, kurie smarkiai padidino šios spektroskopijos jautrumą, tad šiuo metu galime matuoti tiksliausiai pasaulyje.
Ar Lietuvoje dar kas nors užsiima panašiais tyrimais?
Yra keletas grupių, kurios tiria panašias funkcines medžiagas, ypač hibridinius perovskitus, nes tai yra itin populiarios medžiagos. Tuo užsiima grupės tiek VU Fizikos ir Chemijos fakultetuose, tiek FTMC ir KTU. Metodikos požiūriu Lietuvoje mes esame unikalūs tiek plačiajuostės dielektrinės spektroskopijos, tiek EPR tyrimuose.
Kuris iš jūsų LMA pateikto darbų ciklo straipsnių jums asmeniškai atrodo reikšmingiausias?
Asmeniškai man brangiausi du mūsų straipsniai iš hibridinių medžiagų. Vienas iš jų yra „Nature Communications“ išspausdintas darbas, kuriame pristatome mūsų surastą mano minėto elektrinių dipolinių stiklo fazę hibridiniuose parovskituose. Šis darbas pasirodė gana neseniai, tačiau jau yra gausiai cituojamas – džiaugiamės, kad pavyko padaryti ženklų proveržį šioje srityje. Kitas paminėjimo vertas straipsnis – kuriame aprašome, kaip, naudojant EPR, pavyko ištirti panašią hibridinę medžiagą ir pirmą kartą pademonstruoti metilo grupių kvantinį sukimosi tuneliavimą su impulsiniu EPR. Pastarasis straipsnis, publikuotas „Science Advances“, yra svarbus todėl, kad sukuria pagrindą naujo tipo metilo grupių spektroskopijai, kuri gali būti panaudota įvairių medžiagų, įskaitant biologinių sistemų mikroskopines struktūras, tyrimuose.