Są już pierwsze efekty współpracy dr. Marcina Runowskiego z Zakładu Ziem Rzadkich Wydziału Chemii UAM z grupą badawczą Spektroskopii Optycznej Wydziału Fizyki Uniwersytetu La Laguna w Hiszpanii.
Jej wynik zaprezentowano w ubiegłorocznym wydaniu czasopisma Advanced Materials Technologies. To tam ukazała się praca, dokumentująca odkrycie nowej, nieznanej metody monitorowania ultra niskiego ciśnienia (próżni) w makro i mikro-skali, przy pomocy spektroskopii luminescencyjnej. Naukowcy dowodzą, że obniżając wartość ciśnienia zwiększa się lokalnie temperaturę próbki, nie w całym układzie, tylko małym obszarze, do którego dochodzi wiązka lasera.
Do okrycia doszło przypadkiem, w trakcie sesji pomiarowej na Uniwersytecie La Laguna w Hiszpanii. Dr Runowski gościł wtedy w grupie prof. Inocencio R. Martína i Victora Lavina w ramach stażu po doktoracie i prowadził badania nad pewną szczególną grupą funkcjonalnych nanomateriałów domieszkowanych jonami lantanowców. Materiały te nazywane są przez badaczy termometrami luminescencyjnymi, ponieważ ich widmo emisji zmienia się pod wpływem temperatury. - Badaliśmy właściwości luminescencyjne nanomateriałów w temperaturze ciekłego helu – opowiada dr Runowski. - Badane materiały z odpowiednio dobraną domieszką jonów lantanowców normalnie mogą wykazywać efekt „konwersji energii w górę”, czyli po wzbudzeniu promieniowaniem podczerwonym z zakresu bliskiej podczerwieni (NIR) pojawia się np. emisja zielonego światła. Okazało się jednak, że kiedy je wzbudzaliśmy, to emisja zielona znikała i pojawiała się nagle czerwona. Na początku nie wiedzieliśmy, co się dzieje. Zastanawialiśmy się, czy jest to promieniowanie ciała doskonale czarnego generowane przy małej mocy wzbudzenia? W końcu zrozumieliśmy, że kiedy w układzie była wytwarzana próżnia, to materiał zaczynał świecić na czerwono, ponieważ się grzał. W otoczeniu ultra niskich temperatur jego lokalna temperatura przekraczała tysiąc stopni emitując promieniowanie termiczne.
Te wyniki początkowo wydały się naukowcom nieprawdopodobne, dlatego postanowili powtórzyć eksperyment. Zbadali podobne czujniki zmieniając poziom próżni w układzie. - Obniżając próżnię aż do 10-5 bar wzbudzaliśmy próbkę wiązką laserową o relatywnie niskiej mocy. Odkryliśmy, że próbka grzała się. Nauce znany jest efekt lokalnego grzania pod wpływem wzbudzenia wiązką laserową, jednak tylko przy bardzo dużej mocy lasera. W przypadku naszego eksperymentu próbka grzała się pod wpływem wiązki o bardzo małej mocy. W próżni nie ma powietrza, nie ma cząsteczek gazu, które odprowadzają ciepło – my, modelując tę próżnię, to jest zmniejszając lub zwiększając ją - odczytywaliśmy na mierniku (chodzi tu o optyczny termometr luminescencyjny, którym jest w rzeczy samej badany materiał) wartość temperatury, która odpowiednio rosła lub malała. Następnie po skorelowaniu otrzymanych zależności temperaturowych z wartościami próżni w układzie, opracowaliśmy innowacyjny, optyczny czujnik niskiego ciśnienia – tłumaczy Runowski.
Odkrycie to dało impuls do kolejnych badań, które dr Runowski prowadził w różnych ośrodkach naukowych w Europie, w tym również na UAM. Wyniki tych badań ukazały się w kilku prestiżowych czasopismach naukowych na świecie (m. in. Advanced Optical Materials). Naukowcom udało się skorelować grzanie próbki (mikro-rezonatorów optycznych) z wartością mocy lasera i wartością próżni w układzie. Dzięki temu uzyskali nowy, pośredni czujnik optyczny, przekształcając luminescencyjny termometr w manometr. Innowacyjność odkrycia polega dodatkowo na możliwości wykonania bezkontaktowego pomiaru niskiego ciśnienia, w bardzo małych, mikrometrycznych obszarach.
Jak działa taki czujnik? Wiązka laserowa wysyłana jest do miejsca pomiarowego, gdzie wzbudzane są cząsteczki próbki nanomateriału. Ich aktywność odczytywana jest na odległość przez detektor (spektrometr) Na podstawie zmian, jakie odczytują te urządzenia, a więc pewnych parametrów luminescencyjnych, takich jak czas życia luminescencji czy przesunięcie linii emisyjnej, określić można ciśnienie i temperaturę.
Dr Runowski współpracuje również z grupą prof. Andrzeja Katrusiaka z Zakładu Chemii Materiałów, gdzie prowadzone są badania w wysokim ciśnieniu rzędu dziesiątek, a nawet setek tysięcy atmosfer. Do eksperymentu wykorzystywana jest komora diamentowa. Diament jest przeźroczysty, a do tego należy do najtwardszych materiałów spotykanych na Ziemi, dlatego tak chętnie używany jest w eksperymentach z użyciem wysokich ciśnień. Między dwoma kryształami naukowcy umieszczają nanomateriał wielkości 100 - 200 mikronów. Tak przygotowana próbka jest „ściskana” czyli poddawana działaniu bardzo wysokiego ciśnienia. Reakcja nanomateriału sprawdzana jest przy użyciu wiązki laserowej.
Kolejne wyniki badań, w których uczestniczył dr Runowski, spotkały się z dużym zainteresowaniem. W tym roku został opublikowany artykuł opisujący najnowsze trendy w badaniach nad termometrami fluorescencyjnymi (luminescencyjnymi). Znalazła się w nim wzmianka o badaniach naukowca z Poznania. - Cieszy mnie, że w tak ważnym opracowaniu znalazły się tezy z naszej pracy. Ta metoda, którą opisujemy, otwiera nowe horyzonty w spektroskopii luminescencyjnej. Pozwala na optyczne i bezkontaktowe monitorowanie ciśnienia nie tylko przez kompresję materiału, ale również poprzez efekty lokalnego grzania, które są związane ze stężeniem cząsteczek gazów w atmosferze – tłumaczy dr Runowski.
Odkrycie to, jak podkreśla naukowiec, otwiera pole do kolejnych badań. Już dziś zapowiada on przygotowanie projektów kolejnych grantów naukowych. – Chcemy sprawdzić zależność grzania się materiałów od rodzaju cząsteczek gazu w układzie. Gdyby ciepło było różnie odbierane przez tlen, azot czy metan, wówczas można by znaleźć zastosowanie tego odkrycia np. w górnictwie do konstrukcji czujnika metanu – mówi.
Potencjalnych zastosowań jest zresztą więcej. Z dr. Runowskim kontaktował się np. Instytut Lotnictwa z propozycją wspólnych badań w ramach projektu na rakiety Bursztyn. Jak mówi, to byłaby okazja na zbadanie czujnika w warunkach rzeczywistych, poza laboratorium. Jest też pomysł na wspólny projekt z Instytutem Fotonowym na przygotowanie prototypu czujnika w formie chipa. W warunkach promieniowania kosmicznego elektronika narażona jest na wiele czynników innych niż te na Ziemi – tłumaczy dr Runowski. Niezależnie od tych projektów naukowiec z UAM konsekwentnie prowadzi badania nad poszerzeniem zakresu działania czujników tak, aby były bardziej czułe i pracowały w szerszym zakresie próżni.
Za tym, że w końcu uda mu się opracować idealnie skalibrowany manometr luminescencyjny, przemawia jego zaangażowanie i pasja. Mimo młodego wieku dr Marcin Runowski może pochwalić się sporym dorobkiem naukowym. Jest autorem ponad 60 publikacji naukowych. Uczestniczył w kilkunastu projektach badawczych, sam również był kierownikiem kilku z nich. Jest stypendystą wielu prestiżowych programów dla młodych naukowców m.in. Stypendium Bekkera (NAWA), stypendium ministra nauki i szkolnictwa wyższego dla wyróżniających się młodych naukowców, stypendium FNP START dla wybitnych młodych uczonych itd. Jest laureatem Diamentowego Grantu i został też nagrodzony Złotym Medalem Chemii.
zob. też
