Vedci zo Slovenska experimentálne potvrdili teóriu s Nobelovou cenou. A vybojovali si mimoriadne prestížny zápis

Prispeli k bádaniu, ktoré môže pomôcť dostať sa zo „slepej uličky“ pri mikročipoch.  

V roku 2016 získali Nobelovu cenu za fyziku David Thouless, Duncan Haldane a Michael Kosterlitz.

Vo svojej teórii objavili mechanizmus „topologického fázového prechodu v dvoch dimenziách“. Pri veľkom zjednodušení ide o to, že takzvané 2D materiály sa menia z pevného materiálu na kvapalinu úplne inak, než napríklad ľad na vodu.

V roku 2025 sa medzinárodnému tímu s účasťou vedcov pôsobiacich na Slovensku podarilo dokázať, že rovnakým spôsobom sa tavia aj dvojrozmerné materiály s takzvanou silnou kovalentnou väzbou.

Išlo o úspech, ktorý zaznamenal aj jeden z najprestížnejších svetových vedeckých časopisov – Science.

2D svet

Dlho sa zdalo, že materiály tvorené jednou vrstvou atómov (dvojrozmerné materiály alebo 2D) nemôžu existovať pri bežných teplotách, pretože by boli nestabilné.

V roku 2004 však profesor Andre Geim a jeho spolupracovník Konstantin Novoselov na Manchesterskej univerzite 2D vrstvu izolovali. A to nečakaným spôsobom. Bežnú lepiacu pásku prilepili na kus grafitu. Vzápätí pásku poobtierali o kremíkový substrát a pod mikroskopom zistili, že sa na povrchu kremíkového substrátu objavila jednoatomárna vrstva uhlíka – grafén.

Geim a Novoselov za objav grafénu získali Nobelovu cenu v roku 2010 – šesť rokov pred Thoulessom, Haldanem a Kosterlitzom.

2D materiály by mohli pomôcť pri vývoji elektronických súčiastok, pretože v súčasnosti dominantná technológia postavená na využití kremíka sa dostáva na hranice fyzikálnych možností.

„Idea je skombinovať 2D materiály do vrstvičiek. Každá vrstvička bude iný materiál, každá má iné elektronické vlastnosti a dajú sa skombinovať do elektronických súčiastok,“ vysvetlila pre Aktuality.sk Viera Skákalová, ktorá sa podieľala na výskume zachytenom časopisom Science.

2fotky v galérii
Viera Skákalová
Zdroj: Aktuality.sk

Akým výzvam čelí veda v tejto oblasti, naznačuje posun, ktorý ľudstvo dosiahlo. Jackovi Kilbymu a Robertovi Noyceovi, ktorí sa považujú za vynálezcov integrovaných obvodov, sa v roku 1958 podarilo spojiť niekoľko tranzistorov na plátku germánia. Súčasné mikročipy obsahujú už desiatky až stovky miliárd tranzistorov.

„Nedá sa očakávať, že 2D materiály by kompletne nahradili kremíkovú technológiu. No je možné očakávať, že vzniknú iné princípy, iné architektúry elektroniky a budú sa využívať tam, kde nie je možné využiť kremík. 2D materiály sú napríklad elastické a môžu byť veľmi odolné,” dodala Skákalová.

Slovenský 2D unikát

Docentka Skákalová pôsobila 20 rokov na Fakulte chemickej a potravinárskej technológie Slovenskej technickej univerzity, 12 rokov v Stuttgarte na Inštitúte Maxa Plancka, osem rokov na Viedenskej univerzite, pracovala aj vo Weizmannovom inštitúte v Izraeli a v súčasnosti sa venuje vedeckému výskumu na Elektrotechnickom ústave Slovenskej akadémie vied (SAV).

Je taktiež konateľkou spoločnosti Danubia NanoTech, ktorá vyvinula metódu na produkciu špecifického 2D materiálu – jodidu striebra. „Ten predtým neexistoval, nebol stabilný. Spolu s Petrom Kotruszom sa nám ho podarilo stabilizovať tak, že sme materiál vytvorili priamo medzi dvomi vrstvami grafénu,“ priblížila vedkyňa.

Nasledovali dlhé hodiny skúmania pod špičkovým elektrónovým mikroskopom Viedenskej univerzity.

„Začali sme nahrievať. Tavenie dvojdimenzionálnej látky nie je vôbec triviálna záležitosť. Atóm akoby sa nemal kam pohnúť,“ vysvetlila Skákalová.

„Nebolo jasné, ako vzniká kvapalina. Nám sa podarilo odhaliť jednu z možností, ako sa proces spúšťa. Pri menej ako 1000 stupňoch Celzia sa zachovala pravidelná šesťuholníková štruktúra materiálu. Potom sa začali vytvárať predpokladané „topologické defekty“, a to bez výrazného posunu atómov, len otočením väzby. No stačilo o 15 stupňov viac a materiál sa roztavil,“ priblížila závery výskumu podporeného z Plánu obnovy a odolnosti (The EU NextGenerationEU through the Recovery and Resilience Plan for Slovakia).

Článok v Science

Slovákom sa spolu s kolegami z Viedne podarilo experimentálne potvrdiť teóriu, ktorá bola v roku 2016 ocenená Nobelovou cenou. Pribudli ďalšie detaily v mechanizme procesu tavenia 2D materiálu.

„Boli sme prví, ktorým sa teóriu podarilo preukázať v prípade materiálu takzvane kovalentne viazaného. Preukázali sme, že aj veľmi silné kovalentné väzby sa správajú tak, ako predpokladá teória. A navyše sme ukázali, že fáza, ktorá vzniká z defektov, pretrváva iba nejakých 25 stupňov a za ňou vzniká bežný fázový prechod,“ poznamenala Skákalová.

Odmenou úspešného bádania bolo uverejnenie výsledkov v časopise Science. „To bolo veľmi zaujímavé. Mali sme štyroch recenzentov. Zvyčajne bývajú dvaja,“ spomína docentka. Po pripomienkach recenzentov nasledovali ďalšie desiatky pokusov, pričom na ich vyhodnotenie použili neurónovú sieť. Navyše bolo nutné dokázať, že metóda vyhodnotenia experimentov pomocou neurónovej siete je hodnoverná.

To sa taktiež považuje za prelomovú inováciu. „Analyzovali sme stovky snímok, kým sme naše uzávery obhájili. Trvalo mesiace, kým bol článok zverejnený, no na pomery časopisu Science vyšiel relatívne rýchlo,“ uzavrela vedkyňa z Elektrotechnického ústavu SAV.

Klasická veda

Práca expertov z Elektrotechnického ústavu SAV zatiaľ nemá žiadne priame praktické využitie, prispieva hlavne k porozumeniu základných javov v nových materiáloch. Ale taká už býva veda.

„Neraz sú nevyhnutné desaťtisíce pokusov, kým sa dopracujete ku kombinácii, ktorá je využiteľná,“ uzatvára vedkyňa Elektrotechnického ústavu SAV Michaela Sojková, ktorá sa výskumu 2D materiálov venuje už niekoľko rokov.

V prípade dvojdimenzionálneho jodidu striebra je mimoriadne cenné napríklad zistenie, že po schladení roztaveného materiálu sa vráti do pôvodnej formy. Materiál je stabilný a to je podľa vedcov jednoznačne dôležitý výsledok metódy vyvinutej na Slovensku.

Takáto stabilita môže byť v budúcnosti využiteľná.