Ένας “επιταχυντής σωματιδίων” στο γραφείο μας

Συνέντευξη: Γιάννης Μουρατίδης

H συζήτηση για την επιστημονική έρευνα στην Ελλάδα είχε ανάψει για τα καλά στην παρέα των επιστημόνων που είχαν μαζευτεί μετά από μια παρουσίαση σε μια ταβέρνα στο Μοναστηράκι.

Τα παράπονα πολλά. Όχι μόνο για το δεδομένο πρόβλημα των περιορισμένων κονδυλίων από το Ελληνικό κράτος, αλλά και για την απουσία μηχανισμών που θα είχαν την ευθύνη να προβάλουν τα αποτελέσματα των ερευνών στο ευρύτερο κοινό. Πριν μερικούς μήνες, είχα ακούσει το ίδιο παράπονο από ερευνητές που παρουσίασαν τις εργασίες τους στο Athens Science Festival.

Μήπως ο λόγος είναι ότι τα ερευνητικά κέντρα δεν εργάζονται πάνω σε σύγχρονα project και για αυτό μένουν στην αφάνεια, αναρωτήθηκα; Δηλαδή κάνουμε έρευνα για το γραφένιο στην Ελλάδα; Ρώτησα έναν εκ των επιστημόνων της παρέας. Και βέβαια μου απάντησε, προς έκπληξη μου. Και μάλιστα ερευνούμε και άλλα εξίσου ενδιαφέροντα υλικά που δεν έχουν γίνει ακόμα τόσο διάσημα όσο το γραφένιο, συμπλήρωσε.

Με αρχή αυτή τη συζήτηση, ξεκίνησε μια διαδρομή που κατέληξε στο εργαστήριο του Θανάση Δημουλά, Διευθυντή Ερευνών, στο Ινστιτούτο Νανοεπιστήμης και Νανοτεχνολογίας του ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος. 

Κύριε Δημουλά, ποιοι είναι οι παράγοντες που ωθούν την έρευνα νέων υλικών σε παγκόσμιο επίπεδο;

Οι ανάγκες του καταναλωτή είναι μια από τις βασικές κινητήριες δυνάμεις της έρευνας εδώ και αρκετές δεκαετίες. Στον τομέα των ηλεκτρονικών, για τον οποίο μπορώ να μιλήσω με μεγαλύτερη βεβαιότητα, οι αγοραστές ζητούν ελαφρές συσκευές που θα μεταφέρονται εύκολα ή στο κοντινό μέλλον θα ενσωματώνονται. Η ενεργειακή αυτονομία είναι επίσης μια σημαντική απαίτηση. Από τη δική μας οπτική αυτό σημαίνει ότι θα πρέπει να σχεδιάσουμε ηλεκτρονικά που καταναλώνουν μικρότερες ποσότητες ενέργειας. Και τέλος θα πρέπει οι συσκευές να είναι λειτουργικές, δηλαδή αξιόπιστες και με άφθονη ισχύ επεξεργασίας. Ο “αόρατος” κόσμος που είναι αδιάφορος για το μεγαλύτερο ποσοστό των αγοραστών, είναι η σκηνή που εξελίσσεται το έργο των ερευνητών στον τομέα της μικροηλεκτρονικής.

Τα υλικά που είχαμε και συνεχίζουμε σε μεγάλο ποσοστό να έχουμε στη διάθεσή μας για να καλύψουμε τις ανάγκες του αγοραστή, έχουν φτάσει σχεδόν στα όρια τους, τόσο σε σχέση με την κατανάλωση ενέργειας, όσο και με τις επιδόσεις. Όσο μεγαλύτερες οι επιδόσεις, τόσο περισσότερη η απαιτούμενη ενέργεια και η θερμότητα που διαφεύγει με αποτέλεσμα οι συσκευές να ζεσταίνονται. Επίσης, η αύξηση της πυκνότητας των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων έχει φτάσει σε τέτοιο επίπεδο συρρίκνωσης ώστε οι διαρροές ηλεκτρονίων να επηρεάζουν γειτονικά τρανζίστορ και έτσι δημιουργούνται σφάλματα.

Άρα χρειαζόμαστε νέα υλικά που θα ξεπερνούν τα όρια των προηγούμενων. Σε αυτό το πλαίσιο το εργαστήριο Επιταξίας και Επιστήμης Επιφανειών του Ινστιτούτου Νανοεπιστήμης και Νανοτεχνολογίας του ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος (έχει αναλάβει το ευρωπαϊκό έργο SMARTGATE διάρκειας 4 ετών με χρηματοδότηση 1,25 εκατομμύρια ευρώ από το υψηλού κύρους  Ευρωπαικό Συμβούλιο Έρευνας , το οποίο έχει στόχο να τροποποιήσει το διοξείδιο του πυριτίου που χρησιμοποιείται στην ηλεκτρονική πύλη των τρανζίστορ εισάγοντας γραφένιο ή ομοειδή υλικά. Τα υλικά αυτά ονομάζονται τοπολογικοί μονωτές και η κβαντική τους χωρητικότητα υπόσχεται ηλεκτρονικά κυκλώματα με μικρότερη κατανάλωση ισχύος. Τα πρώτα αποτελέσματα δείχνουν ότι είμαστε στο σωστό δρόμο, αλλά έχουμε ακόμα αρκετό έργο γιατί στο εργαστήριο μας δεν μπορούμε να φτάσουμε μέχρι το επίπεδο του ολοκληρωμένου κυκλώματος, όπου το τμήμα που κατασκευάζουμε θα πρέπει να αποδείξει ότι συνεργάζεται με το σύνολο.

Θεωρείτε ότι το καταναλωτικό κοινό και η στρατιωτική και διαστημική βιομηχανία είναι πλέον εξίσου σημαντικές κινητήριες δυνάμεις στην τεχνολογική έρευνα;

Για ορισμένα υλικά, η στρατιωτική και διαστημική βιομηχανία συνεχίζει να είναι η κύρια κινητήρια δύναμη. Ωστόσο, αν αναφερθούμε στο σύνολο της έρευνας υλικών, πιστεύω ότι πλέον ένα μεγάλο ποσοστό των ερευνητικών έργων ωθείται από τις ανάγκες του καταναλωτικού κοινού. Σε αρκετές δε περιπτώσεις, οι πορείες είναι παράλληλες.

Έχει μειωθεί ο χρόνος από τη στιγμή της ανακάλυψης ενός νέου υλικού μέχρι την εμφάνισή του στην αγορά;

Αν κρίνουμε με βάση τη μέχρι τώρα πορεία της έρευνας υλικών, μπορούμε να πούμε ότι ο χρόνος μέχρι το υλικό να θεωρηθεί πιστοποιημένο για την αγορά ήταν γύρω στα 5 με 7 χρόνια  Έχω την αίσθηση για υλικά που μελετάμε τώρα, μάλλον θα χρειαστεί περισσότερος χρόνος.

Ένας βασικός λόγος είναι η συμβατότητα των νέων υλικών με τα προηγούμενα. Όπως σας είπα, εμείς εξετάζουμε τη χρήση γραφενίου στις πύλες των τρανζίστορ. Θα πρέπει όμως αυτό το τμήμα του κυκλώματος να συνεργάζεται με όλο το υπόλοιπο κύκλωμα, μεγάλο ποσοστό του οποίου θα συνεχίσει να βασίζεται σε παλαιότερα υλικά, όπως είναι το πυρίτιο.

Αυτή η ανομοιογενής ολοκλήρωση, όπως την ονομάζουμε δεν είναι κάτι εύκολο. Ας δούμε σαν παράδειγμα το γραφένιο, το οποίο πρακτικά έχει ξεκινήσει την πορεία του το 2007, έχουν περάσει ήδη 8 χρόνια και ακόμα δεν έχουμε δει το υλικό αυτό στην αγορά. Επομένως, θεωρώ ότι ο χρόνος εμπορευματοποίησης νέων υλικών ίσως να ξεπερνάει και τα 10 χρόνια.

Με αυτά που μας είπατε, φέρατε στη συζήτησή στο γραφένιο. Ποιοι είναι οι λόγοι που το συγκεκριμένο υλικό έχει αποκτήσει τόση δημοσιότητα τα τελευταία χρόνια και η ΕΕ θα επενδύσει 1 δις ευρώ για την έρευνα στο συγκεκριμένο υλικό;

Πράγματι το γραφένιο έχει βρεθεί στα φώτα της δημοσιότητας τα τελευταία χρόνια και ο βασικός λόγος είναι πως πρόκειται για ένα πολλά υποσχόμενο υλικό. Η ΕΕ το κατέταξε στο πλαίσιο των Future Emerging Technologies και μάλιστα ως flagship έργο, επενδύοντας 1 δισεκατομμύριο ευρώ. Στόχος είναι να υπάρχει ένας κεντρικός άξονας για την έρευνα στο γραφένιο και μια συνισταμένη πορεία των επιμέρους ερευνητικών έργων, ώστε να επιτευχθεί η μέγιστη αποτελεσματικότητα.

Η σκέψη για τη δημιουργία του γραφενίου ξεκινά αρκετές δεκαετίες πριν, τότε όμως κανένας δεν πίστευε ότι το υλικό αυτό θα μπορούσε να αποκτήσει σταθερή υλική υπόσταση.

Ένα από τα εντυπωσιακά χαρακτηριστικά του γραφένιου αλλά και των τοπολογικών μονωτών είναι ότι τα φορτία κινούνται στη δομή τους, ακολουθώντας φυσικούς νόμους που ισχύουν για το φως ή για σωματίδια που έχουν πολύ μικρή μάζα. Οπότε, οι φυσικοί φαντάζονται ότι μπορούν να κάνουν φυσική υψηλών ενεργειών ή φυσική στοιχειωδών σωματιδίων σε ένα κομμάτι κρυστάλλου που θα είναι στον πάγκο του εργαστηρίου τους. Αυτό στην πράξη σημαίνει ότι αντί να χρησιμοποιούν τους επιταχυντές σωματιδίων, όπως αυτός που είναι εγκατεστημένος στο CERN, θα μπορούν να κάνουν ανάλογες δοκιμές στο εργαστήριο τους. Όμως αυτό είναι ένα όνειρο των επιστημόνων και παραμένει σαν τέτοιο μέχρι να επαληθευθεί στην πράξη.

Γραφενιο όπως φαίνεται στο μικροσκόπιο σάρωσης ακίδας στο εργαστήριό μας. Ένα και μόνο στρώμα ατόμων άνθρακα σε κυψελική μορφή σχηματίζουν μια υπέρλεπτη σταθερή μεμβράνη

Απεικόνιση της ηλετρονικής δομής του γραφενίου υπό τη μορφή κώνου Dirac, όπως φαίνεται από φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων στο εργαστηριό μας. Η γραμική συμπεριφορά προσομοιάζει την κίνηση στοιχειωδών σωματιδίων αμελητέας μαζας

 Εκτός αυτού, το γραφένιο είναι εξαιρετικά ανθεκτικό υλικό, παρά το γεγονός ότι είναι μια μεμβράνη ατομικού επιπέδου και θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ενίσχυση άλλων υλικών. Επίσης είναι μια μεμβράνη διαπερατή στο φως και αγώγιμη. Επομένως, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν ένα μεταλλικό ηλεκτρόδιο, το οποίο ωστόσο θα είναι διαφανές, ιδιότητα που είναι πολύ χρήσιμη στην κατηγορία των οπτοηλεκτρονικών. 

Εσείς που εστιάζετε την έρευνα σας αυτήν την περίοδο;

Αυτήν την περίοδο ασχολούμαστε για κάποια έργα, όπως αυτό που προαναφέρθηκα, με το γραφένιο, αλλά παράλληλα μας έχουν κεντρίσει το ενδιαφέρον οι δισδιάστατοι ημιαγωγοί που βασίζονται σε διχαλκογενίδια των μετάλλων. Πρόκειται για υλικά που έχουν παρόμοιες ιδιότητες με το γραφένιο και διαφέρουν σε κάποια σημεία που ουσιαστικά συμπληρώνουν κενά που αφήνει το γραφένιο. Συγκεκριμένα, συμπληρώνουν την αδυναμία του γραφενίου να λειτουργήσει αποτελεσματικά ως ημιαγωγός.

Για αυτό και θεωρούμε ότι τα υλικά αυτά θα απορροφήσουν νέα επενδυτικά κονδύλια και δεν θα κανιβαλίσουν αυτά που έχουν εγκριθεί για το γραφένιο.

Γίνεται έρευνα πάνω σε υλικά που θα μπορούν να συλλέξουν ενέργεια από το περιβάλλον;

Γίνεται αρκετή έρευνα πάνω σε αυτά τα υλικά, τα οποία ανήκουν στον τομέα του energy harvesting (https://en.wikipedia.org/wiki/Energy_harvesting).  Ωστόσο, θα πρέπει να διευκρινίσουμε ότι στα πρώτα στάδια εξέλιξης, η ενέργεια που θα παράγεται από αυτά τα υλικά θα είναι συμπληρωματική για τη λειτουργία των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Θα βοηθήσει κάποιες εφαρμογές που δε χρειάζονται μεγάλη κατανάλωση ενέργειας, αλλά δε νομίζω ότι θα μπορέσουν τα υλικά αυτά να είναι χρήσιμα για απαιτητικές συσκευές, όπως για παράδειγμα ένα smart phone ή tablet.

Η ανακάλυψη νέων υλικών είναι μια τυχαία ή μια μεθοδική διαδικασία;

Ο παράγοντας τύχη παίζει κάποιο ρόλο. Ωστόσο, με βάση τη δική μου εμπειρία, η οποία αφορά υλικά με ιστορία περίπου 15 ετών, συνήθως οι επιστήμονες έχουν στο μυαλό τους ένα πρόβλημα, το οποίο χρειάζεται λύση. Για παράδειγμα, η φθίνουσα αποτελεσματικότητα ενός υλικού, είναι κίνητρο για την έρευνα που θα οδηγήσει στην αντικατάστασή του. ‘Αρα έχω την αίσθηση ότι η έρευνα ωθείται πλέον κατά κύριο λόγο από την κάλυψη κάποιων αναγκών και λιγότερο από επιστημονική περιέργεια. Πιστεύω ότι η τάση αυτή έχει ξεκινήσει από τις αρχές του προηγούμενου αιώνα, καθώς ακόμα και μεγάλες επιστημονικές ανακαλύψεις, όπως για παράδειγμα η θεωρία της σχετικότητας, ξεκίνησαν από κάποια προβλήματα που είχαν να αντιμετωπίσουν εκείνη την περίοδο οι φυσικοί, όπως για παράδειγμα πειραματικά δεδομένα που δεν μπορούσαν να εξηγήσουν.

Ωστόσο, το γραφένιο είναι μια ξεχωριστή περίπτωση, καθώς η επιστημονική περιέργεια έπαιξε μεγαλύτερο ρόλο. Είπαν δηλαδή οι επιστήμονες, για να δούμε ένα μονοατομικό φύλλο άνθρακα μπορεί να είναι σταθερό; Οπότε έχω την αίσθηση ότι συνήθως η επιστημονική έρευνα ωθείται κυρίως από την ανάγκη, αλλά πάντα υπάρχει χώρος και για τη φαντασία.

Αν κάποιος θέλει αυτήν την περίοδο να παρακολουθήσει την εξέλιξη της επιστήμης των υλικών, ποια είναι αυτά που θα του προτείνατε να στρέψει την προσοχή του;

Η απάντηση δεν μπορεί να είναι αντικειμενική (γελάει). Νομίζω ότι τα υλικά της κατηγορίας των τοπολογικών μονωτών έχουν αρκετό ενδιαφέρον, γιατί όπως ήδη ανάφερα συνδυάζουν τη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης με τη φυσική υψηλών ενεργειών. Οπότε είναι πιθανό η έρευνα να έχει προεκτάσεις σε ευρύτατο φάσμα της φυσικής και είναι πιθανό να οδηγήσει  σε ένα άλμα εξέλιξης.

Επίσης, ενδιαφέρον παρουσιάζουν υλικά (περαν της ειδικότητάς μου), τα οποία θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν για εφαρμογές τρισδιάστατων εφαρμογών ( 3D printers). Προσωρινά, τα υλικά που χρησιμοποιούνται στην τρισδιάστατη εκτύπωση είναι κυρίως πολυμερή, δομικά υλικά. Μπορούμε όμως να φανταστούμε με την ίδια μέθοδο να δημιουργούνται λειτουργικά ηλεκτρονικά κυκλώματα. Μια τέτοια εξέλιξη θα οδηγούσε σε τεράστια μείωση του κόστους παραγωγής και θα έδινε τη δυνατότητα να μπουν στο συγκεκριμένο τομέα έρευνας και παραγωγής πολύ περισσότεροι παίκτες.

Μπορούν να προκύψουν πατέντες στον τομέα της έρευνας υλικών;

Τα ίδια τα υλικά δε θεωρώ ότι μπορούν να πατενταριστούν, μπορούν όμως οι διεργασίες παραγωγής τους. Στο αντικείμενο που εργαζόμαστε εμείς, υπάρχει μια δυσκολία με τις πατέντες. Η γνώμη μου είναι ότι ένα μεμονωμένο εργαστήριο δεν μπορεί να είναι αποτελεσματικό στην αξιοποίηση μιας πατέντας, γιατί οποιοδήποτε υλικό η διεργασία έχει ανακαλύψει αν είναι πραγματικά σπουδαία, οι μεγάλες εταιρείες παραγωγής ηλεκτρονικών θα βρουν τρόπο να παρακάμψουν την πατέντα ή στην καλύτερη περίπτωση να αγοράσουν το προϊόν της έρευνας σε μια τιμή που θα ορίσουν.

Σε αυτή τη φάση, η καλύτερη λύση που βλέπω είναι συνεργασίες με ισχυρούς παίκτες. Το επόμενο βήμα θα ήταν οι υπεύθυνοι φορείς της χώρας να δημιουργήσουν ένα πλαίσιο που θα μπορεί να στηρίξει μια πατέντα και να την προστατέψει ώστε να αποφέρει τα μέγιστα οφέλη.

Εσείς εργάζεστε σε κάποιο έργο που θα μπορούσε να εμπορευματοποιηθεί;

Τα υλικά των δισδιάστατων ημιαγωγών έχουν ένα καλό δυναμικό για εμπορευματοποίηση. Σε αυτή τη φάση η μελέτη αυτών των υλικών γίνεται με διεργασίες που μπορούν να εξυπηρετήσουν μόνο ανάγκες βασικής έρευνας εντός εργαστηρίου. Η βιομηχανία των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων χρειάζεται επιφάνειες πολύ μεγαλύτερες από αυτές που χρησιμοποιούμε στο εργαστήριο, ώστε από μια επιφάνεια να παράγονται δεκάδες όμοια ηλεκτρονικά κυκλώματα. Συνήθως μια τέτοια επιφάνεια υπό μορφή δισκιδίου (wafer) έχει διάμετρο μέχρι 12 ίντσες, ενώ αυτήν περίοδο γίνονται δοκιμές και για διάμετρο 18 ιντσών.

Αντιδραστήρας παραγωγής γραφενίου με τη μέθοδο της εναπόθεσης χημικών ατμών (CVD) σε δισκίδια 4 ιντζών στο εργαστήριό μας

Σύστημα παρασκευής λεπτών υμενίων διδιάστατων ημιαγωγών και τοπολογικών μονωτών με τη μέθοδο επιταξίας με μοριακές δέσμες (ΜΒΕ) στο εργαστήριό μας

Για την ώρα στα εργαστήρια παράγουμε επιφάνειες που είναι πολύ μικρότερου μεγέθους και άρα δεν εξυπηρετούν τη βιομηχανική παραγωγή. Για αυτό και εξελίξαμε μια διεργασία βασισμένη στη μέθοδο επιταξίας με μοριακές δέσμες (ΜΒΕ), ώστε να μπορούμε να τοποθετήσουμε το υλικό πάνω σε μια μεγαλύτερη επιφάνεια. Υπάρχουν πολλά χαρακτηριστικά του υλικού που θα μπορούσαν να αλλοιωθούν σε αυτήν την προσπάθεια, η οποία θεωρείται ιδιαίτερα δύσκολη και απαιτητική. Εμείς έχουμε δημιουργήσει ήδη τέτοιες επιφάνειες με ένα πολύ καλό κατά την άποψη μας υλικό και αυτήν την περίοδο συνεργαζόμαστε με μια εταιρεία στο Βέλγιο, όπου εξετάζουν το υλικό μας ώστε να πιστοποιηθεί σε πιλοτική γραμμή παραγωγής. Πιστεύω ότι η διεργασία που χρησιμοποιούμε για να παράγουμε αυτό το υλικό θα μπορούσε να εμπορευματοποιηθεί. 

Ποιο είναι το δέντρο και ποιο το δάσος;

Το κείμενο αυτό γράφονταν τις ημέρες που οι πολίτες της Ελλάδας αναρωτιόντουσαν και ανησυχούσαν για το μέλλον της οικονομίας της. Πιστεύω ότι στο εργαστήριο του στο Δημόκριτο, ο Θανάσης Δημουλάς και οι συνεργάτες του συνέχιζαν να πειραματίζονται και να εξελίσσουν το αντικείμενο το επιστημονικού τους πεδίου. Η έρευνα τους, καθώς και αυτή εκατομμυρίων άλλων επιστημόνων σε όλον τον κόσμο, δεν εμφανίστηκε  ούτε στα ψιλά γράμματα της ελληνικής ειδησεογραφίας. Και όμως, τα προϊόντα αυτής της έρευνας θα διαμορφώσουν τη ζωή μας και αυτή των απογόνων μας μέσα στην ερχόμενη δεκαετία.