Από τον μακρόκοσμο στον μικρόκοσμο: Όταν η επιστήμη των υλικών μιμείται την Αστροφυσική.



 Από τον μακρόκοσμο στον μικρόκοσμο:
 Όταν η επιστήμη των υλικών μιμείται την Αστροφυσική. 

Η μελέτη του φυσικού κόσμου εκτείνεται από τις μικρότερες δυνατές στις μεγαλύτερες παρατηρούμενες χωρικές κλίμακες. Από τη μία μελετάμε τα μικροσκοπικά σωματίδια που απαρτίζουν την ύλη και στη συνέχεια τα σωματίδια που, με τη σειρά τους, απαρτίζουν τα συστατικά της ύλης. Από την άλλη παρατηρούμε τους πλανήτες, τους αστέρες και τους γαλαξίες ως τις εσχατιές του Σύμπαντος. Δεδομένου ότι είμαστε εξοικειωμένοι με το μέγεθος του 1 μέτρου, οι αστέρες και οι γαλαξίες βρίσκονται σε αποστάσεις τετράκις εκατομμύρια (δηλαδή δισεκατομμύρια δισεκατομμυρίων) μεγαλύτερες, ενώ ο κόσμος των ατόμων περιορίζεται σε χώρους δισεκατομμύρια φορές μικρότερους από 1 μέτρο. Το 1 δισεκατομμυριοστό του μέτρου ονομάζεται νανόμετρο και η νανοτεχνολογία περιλαμβάνει τις τεχνικές που βασίζονται στη μελέτη και εκμετάλλευση των ιδιοτήτων των υλικών σε ατομικό και μοριακό επίπεδο. Δεν θα ήταν, επομένως, υπερβολή αν λέγαμε ότι η νανοτεχνολογία βρίσκεται στους αντίποδες του κόσμου που μελετά η Αστροφυσική.

Υλικά και νανοτεχνολογία

Η επεξεργασία των υλικών και η «χειραγώγηση» των ιδιοτήτων τους από τον άνθρωπο δεν είναι χαρακτηριστικό γνώρισμα μόνο της εποχής μας. Από την αρχαιότητα γνωρίζουμε εμπειρικά πώς να κατασκευάζουμε γυαλί και να επεξεργαζόμαστε τα μέταλλα δίνοντάς τους διαφορετικές ιδιότητες με γνώμονα την προοριζόμενη χρήση τους. Ομοίως, χρησιμοποιώντας ως πρώτες ύλες μεταλλεύματα και ουσίες ή μέρη παραγόμενα από φυτά και ζώα, κατασκευάζουμε βαφές, καλλυντικά και γιατροσόφια.

Με την επιστημονική και βιομηχανική επανάσταση και την εντατικοποίηση που απαιτούσε η τελευταία, ξεκίνησε και η πιο συστηματική μελέτη των ιδιοτήτων των πρώτων υλών. Οι προσπάθειες αυτές είχαν ως σκοπό όχι μόνο τη βαθύτερη κατανόηση του κόσμου αλλά και την ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών υλικών και πιο αποδοτικών/οικονομικών διαδικασιών. Με τις εξελίξεις στην επιστήμη κατά τον 19ο αιώνα και κυρίως κατά τον 20ό αποκτήσαμε μια πληρέστερη εικόνα για τη σύσταση της ύλης, των δυνάμεων που εμφανίζονται ανάμεσα στα δομικά της στοιχεία και τον τρόπο που αυτές διαμορφώνουν τις ιδιότητες των υλικών. Σε ένα τέτοιο πλαίσιο, οι τεχνικές που είναι γνωστές στον άνθρωπο εδώ και αιώνες άρχισαν να γίνονται περισσότερο κατανοητές και η βελτίωση/συστηματικοποίησή τους απολύτως εφικτή. Τις τελευταίες δεκαετίες η πρόοδος στον τομέα είναι αλματώδης και μεγάλο μέρος της έρευνας είναι εστιασμένο στη μελέτη των ιδιοτήτων σε επίπεδο ατόμων και μορίων. Ενώ όμως οι εδώ και αιώνες γνωστές τεχνικές βρίσκονται κοντά στα όρια της ανθρώπινης εμπειρίας, σε πολύ μικρότερες κλίμακες αυτό παύει να ισχύει και η αλληλεπίδραση της ύλης με το φως, τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό καθορίζονται από την κβαντομηχανική.

Επηρεασμένος από τις πρόσφατες επιστημονικές εξελίξεις, το 1959 ο Ρίτσαρντ Φάινμαν διατύπωσε για πρώτη φορά την πεποίθηση ότι θα μπορέσουμε να κατασκευάσουμε υλικά και συσκευές χρησιμοποιώντας τα ίδια τα άτομά τους. Στη δεκαετία του 1960 κατασκευάστηκαν οι πρώτες ημιαγώγιμες διατάξεις που περιείχαν στρώσεις υλικών με πάχος μικρότερο από 100 νανόμετρα. Ωστόσο, ο όρος «νανοτεχνολογία» χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1974 από τον Ιάπωνα καθηγητή Νόριο Τανιγκούτσι και έγινε ευρύτερα γνωστός τη δεκαετία του 1980 από τον Αμερικανό μηχανικό Έρικ Ντρέξλερ. Στις δεκαετίες που ακολούθησαν, η νανοτεχνολογία εδραιώθηκε και οι τεχνικές της αναπτύχθηκαν ραγδαία. Δεκάδες εφαρμογές είναι ήδη διαθέσιμες και χρησιμοποιούνται καθημερινά και πιστεύεται ότι το πεδίο έρευνας θα επηρεάσει σημαντικά στο μέλλον τομείς όπως η Χημεία, η Ιατρική, η Ηλεκτρονική, η Πληροφορική, το περιβάλλον κ.ά.

Μια πολυμηνυματική μελέτη του «νανό-κοσμου»

Η Αστροφυσική είναι η κατεξοχήν επιστήμη που στηρίζεται στην ανίχνευση και ανάλυση του φωτός που μας έρχεται από τα ουράνια αντικείμενα. Ο όρος «φως» σε αυτή την περίπτωση χρησιμοποιείται για να υποδηλώσει όλα τα είδη της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, η οποία, εκτός τους ορατού φωτός, περιλαμβάνει τις ακτίνες Χ και γ, την υπεριώδη, την υπέρυθρη, τα μικροκύματα και τα ραδιοκύματα. Τηλεσκόπια και διατάξεις ανίχνευσης, όπως π.χ. δορυφορικά πιάτα, είναι τοποθετημένα στη Γη και στο Διάστημα και συλλέγουν αυτές τις ακτινοβολίες μετρώντας τη ροή τους ή/και αποτυπώνοντας την εικόνα των αστρικών πεδίων από τα οποία προέρχονται. Ταυτόχρονα, όμως, η Γη μας «λούζεται» συνεχώς από υποατομικά σωματίδια, τις κοσμικές ακτίνες, οι οποίες προέρχονται από τις διάφορες αστροφυσικές διεργασίες. Το 1987 παρατηρήσαμε για πρώτη φορά νετρίνα από την έκρηξη ενός υπερκαινοφανούς, ενώ μέχρι σήμερα έχουν ανιχνευθεί νετρίνα προερχόμενα και από άλλα κοσμικά αντικείμενα, όπως ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες. Το 2015 προστέθηκε άλλο ένα εργαλείο μελέτης του Σύμπαντος, αυτό των βαρυτικών κυμάτων, τα οποία αποτελούν ταλαντώσεις του ίδιου του χωρόχρονου και είναι ανιχνεύσιμα όταν συγχωνεύονται αντικείμενα τεράστιας μάζας, όπως μαύρες τρύπες και αστέρες νετρονίων. Η πολυμηνυματική Αστρονομία συνίσταται στην ταυτόχρονη μελέτη των ηλεκτρομαγνητικών ταλαντώσεων (φως), των σωματιδίων και των ταλαντώσεων του χωροχρόνου που προκύπτουν από αστροφυσικά φαινόμενα και, πλέον, μας δίνει τη δυνατότητα να έχουμε μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα γι’ αυτά.

Από αυτή την προσέγγιση εμπνεύστηκε μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τους ερευνητές Μακλάουντ και Ζανγκ των Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια, του Σαν Ντιέγκο και του Κολούμπια για τη μελέτη των ιδιοτήτων της ύλης σε μοριακό επίπεδο. Πώς όμως μπορεί μια μεθοδολογία που χρησιμοποιούμε στον μακρόκοσμο να εφαρμοστεί στον μικρόκοσμο;

Ενώ τα αποτελέσματα που μέχρι στιγμής έχουν παρουσιαστεί σχετικά με τις ιδιότητες των υλικών σε ατομικό επίπεδο έχουν βασιστεί κυρίως στη χρήση μεμονωμένων μεθόδων, η καινοτομία της συγκεκριμένης μελέτης είναι ότι συνδύασε πολλές μεθόδους ταυτόχρονα, μιμούμενη την προσέγγιση της πολυμηνυματικής Αστρονομίας. Πιο συγκεκριμένα, στο πείραμα χρησιμοποιήθηκαν ταυτόχρονα η μικροσκοπία ατομικής και μαγνητικής δύναμης, η οπτική μικροσκοπία σάρωσης κοντινού πεδίου και η υπερταχεία διέγερση μέσω λέιζερ.

Η μικροσκοπία ατομικής δύναμης είναι μια τεχνική που μας επιτρέπει τη μελέτη της μορφολογίας μιας επιφάνειας σε μοριακό επίπεδο. Αποτελείται από μια πολύ λεπτή ακίδα διαστάσεων της τάξης των 20 νανομέτρων, η οποία ταλαντώνεται καθώς σαρώνει την επιφάνεια του υλικού που εξετάζουμε, ενώ μια δέσμη λέιζερ μας επιτρέπει να καταγράφουμε αυτές τις ταλαντώσεις. Σε μια παρόμοια λογική στηρίζεται και η μικροσκοπία μαγνητικής δύναμης, η οποία μας δίνει τη δυνατότητα να «απεικονίσουμε» τις μαγνητικές ιδιότητες της επιφάνειας. Η οπτική μικροσκοπία σάρωσης κοντινού πεδίου είναι μια τεχνική μικροσκοπίας που ξεπερνάει τα όρια της οπτικής μικροσκοπίας και δίνει τη δυνατότητα της παρατήρησης σε πολύ μικρές κλίμακες. Χρησιμοποιώντας το ορατό φως με τα συμβατικά μικροσκόπια δεν μπορούμε να δούμε σε κλίμακες μικρότερες από μερικές εκατοντάδες νανόμετρα με αποτέλεσμα δύο αντικείμενα που βρίσκονται σε μικρότερες αποστάσεις να φαίνονται ως ένα. Αν όμως το αντικείμενο που μελετάμε τοποθετηθεί πολύ κοντά στην οπτική διάταξη, ο περιορισμός αυτός παύει να ισχύει δίνοντάς μας τη δυνατότητα να εντοπίσουμε μεταβολές σε μικρότερες κλίμακες. Τέλος, με την υπερταχεία διέγερση μέσω λέιζερ μελετούμε τη δυναμική συμπεριφορά της επιφάνειας «βομβαρδίζοντάς» τη με εξαιρετικά σύντομους παλμούς λέιζερ.

Στο πείραμα του Μακλάουντ και των συνεργατών του μια ακτίνα λέιζερ διοχετεύθηκε στην άκρη μιας μικροσκοπικής βελόνας-ανιχνευτή η οποία ήταν καλυμμένη με ένα μαγνητικό υλικό. Το αποτέλεσμα ήταν η βελόνα αυτή να στέλνει έναν ισχυρό φωτεινό παλμό στο υπό μελέτη υλικό. Ο παλμός αυτός άλλαζε την κατάσταση σε μια περιοχή με έκταση της τάξης των μερικών δεκάδων νανομέτρων, η οποία στη συνέχεια εμφάνιζε μια σειρά από νέες ιδιότητες. Τις ιδιότητες αυτές μπορούσαν να μελετήσουν καταγράφοντας ταυτόχρονα τις οπτικές, ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες της περιοχής.

Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο περιοδικό «Nature» τον περασμένο Δεκέμβριο και, σύμφωνα με τους ερευνητές, το πείραμα αυτό είναι ενδεικτικό των τεράστιων δυνατοτήτων που έχει μια «πολυμηνυματική» προσέγγιση της μελέτης του νανόκοσμου. Τα αποτελέσματα αυτών των πειραμάτων μπορούν να ανοίξουν τον δρόμο σε νέους τρόπους ελέγχου των ιδιοτήτων των υλικών σε μοριακό επίπεδο. Στη συνέχεια αυτά μπορούν να αξιοποιηθούν σε υπολογιστικά συστήματα νέας γενιάς, πολύ μεγαλύτερης ταχύτητας και αποτελεσματικότητας.

Αξίζει να σημειωθεί πώς η προσέγγιση αυτή βασίζεται σε μια ευρύτερη φιλοσοφία που ακολουθούν οι ερευνητές του Κολούμπια, καθώς πρόσφατα έλαβαν χρηματοδότηση που ξεπερνά τα 10 εκατομμύρια δολάρια για να δημιουργήσουν το Programmable Quantum Materials (Pro-QM). Αυτό θα έχει ως σκοπό τη διερεύνηση των ιδιοτήτων κβαντικών υλικών υπό την επίδραση φωτός, πίεσης, ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων κ.λπ., συγκεντρώνοντας ερευνητές από διαφορετικές ειδικότητες και ινστιτούτα και στοχεύοντας σε μια συνθετική και συνεργατική προσέγγιση των ζητημάτων αιχμής στο συγκεκριμένο πεδίο. Σύμφωνα με τον Dimitri Basov, καθηγητή και μέλος της ερευνητικής ομάδας, το Pro-QM αντικατοπτρίζει πλήρως τη φιλοσοφία του Κολούμπια, στο οποίο συνεργάζονται ερευνητές από διάφορους κλάδους και επιστήμες.

Γιάννης Κοντογιάννης


Πηγές:


3/2/2020