TURANY. Dokážu vytvoriť materiál tvrdý takmer ako diamant a mnohonásobne tenší než ľudský vlas. V približne štvortisícovom turčianskom mestečku sa nachádza pozoruhodná výskumná hala, v ktorej pracujú vedci zo Slovenska aj zahraničia.
Centrum nanotechnológií a pokročilých materiálov patrí pod pod Fakultu matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave a vďaka spolupráci s tunajšou priemyselnou firmou sa ich poznatky prenášajú aj do praxe.
A hoci takzvané tenké vrstvy nemusia širšej verejnosti veľa hovoriť, stretáva sa s nimi denne.
V rozhovore ich približuje experimentálny fyzik a materiálový vedec MARIÁN MIKULA. Vraví tiež o ich projekte s Európskou vesmírnou agentúrou, ale aj o tom, ako sa mu ako vedcovi robí na Slovensku a ako sa ich pracovisko snaží robiť vedu medzinárodne.
Kde všade sa môžeme stretnúť s tenkými vrstvami?
Vo všeobecnosti sa s tenkými vrstvami stretávame úplne všade, ani si to neuvedomujeme. Nachádzajú sa v mobilných telefónoch, slnečných okuliaroch s UV filtrom, solárnych paneloch.
Dominantou sú v elektronike – od polovodičov po kvantové počítače, strojárstve, automobilovom priemysle. Veľké využitie majú aj v armádnom, či vesmírnom priemysle.
Kedysi zdroj obživy, dnes hanba centra. Ruina starej Neografie straší ľudí už desať rokov Čítajte Zjednodušene ich vieme opísať ako materiály s extrémne malou hrúbkou, tisíc a viackrát tenšou než ľudský vlas, ktoré sú nanášané na povrch iného materiálu - substrátu, kde plnia určitú funkciu.
Je pravda, že dnes sa tenké vrstvy zhostili aj úlohy, ktorú v minulosti plnili kanáriky v baniach?
Áno, využívajú sa aj v senzorike. Veľmi zjednodušene povedané, vrstva často mení svoje fyzikálne vlastnosti, ak je ovplyvnená okolitým prostredím. V prípade nežiaducej koncentrácie nejakého plynu vrstva zareaguje zmenou svojej fyzikálnej vlastnosti, ktorá sa potom prejaví v tom, že sa zapne alarm.
Takúto úlohu plnili v baniach spomínané kanáriky, ktoré vďaka rýchlemu metabolizmu reagovali na nebezpečné plyny a otrávili sa. Tým varovali ľudí v podzemí, že je potrebné ujsť.
Vy osobne sa zameriavate na špeciálnu skupinu tenkých vrstiev, takzvané tvrdé vrstvy. Čím sú špecifické?
Tvrdé vrstvy patria do skupiny tenkých vrstiev, ktoré z pohľadu mechanických vlastností vynikajú svojou extrémnou tvrdosťou, často sa blížiacou k tvrdosti diamantu. Využívajú sa vo veľkom v obrábacom priemysle, kde sa nanášajú na funkčné časti nástrojov.
Vrstva tento nástroj, napríklad frézu, chráni, umožňuje jej odolávať vysokým teplotám, niekedy 800°C a viac, aby sa tak rýchlo neotupila, a tak predlžuje jej životnosť. Nástroj teda vydrží podstatne agresívnejšie podmienky, ako keby nebol povlakovaný.
Vrstva je teda v praxi akoby ochranný povlak, ktorý sa správa ako pancier nástroja alebo nejakej súčiastky.
Áno, no okrem mechanickej odolnosti nás zaujíma napríklad aj odolnosť voči viacerým nežiaducim procesom. Opodstatnenie to má napríklad v leteckom a raketovom priemysle, kde povlakovaný komponent, napríklad lopatku turbíny, majú vrstvy ochrániť nielen pred mechanickým poškodením, ale aj pred oxidáciou či koróziou v dôsledku horúceho prostredia.
Obvykle plní vrstva viacero funkcií, už pri jej dizajnovaní sa musí brať do úvahy, čo všetko musí vydržať.
Pri našom prvom projekte s Európskou vesmírnou agentúrou bola napríklad požiadavka vyvinúť materiál – tenkú vrstvu, ktorá by dokázala ochrániť súčiastky pri prechode cez atmosféru pred extrémne vysokou teplotou a trením.
V rozhovore sa dočítate aj:
- Prečo je pre neho len prianím, aby ako docent robil aj v laboratóriu,
- v čom ma štát rezervy,
- ako sa budú snažiť popasovať s odlivom mozgov,
- ako oslovili aj študentov z Indie a Pakistanu
Čomu konkrétne sa venujete na vašom pracovisku?
Naša práca má dve hlavné časti, ktoré sú navzájom prepojené. Prvou je teoretická predikcia – pripravujeme modely materiálov a odhadujeme formovanie ich štruktúry a ich fyzikálne vlastnosti.
Druhou je experimentálna časť, kde sa tieto navrhované modely snažíme preniesť do reálnej vrstvy. Pomocou špeciálnych technológií a metód nanášame tenké vrstvy na jednoduché substráty (súčiastky, predmety, pozn. redakcie). Následne ich vieme zmerať a analyzovať, aby sme zistili, či majú také vlastnosti, ako sme predpokladali.
S čím sa musíte pri vytváraní tvrdých vrstiev popasovať?
Dôležité je povedať, že extrémnu tvrdosť týchto materiálov sprevádzajú aj negatívne vlastnosti, napríklad krehkosť a vznik trhlín, keďže často ide o keramické materiály.
Jednou z výziev pri ich dizajnovaní je teda zachovať ich vysokú tvrdosť a zároveň potlačiť krehkosť, aby boli odolnejšie voči nárazovej záťaži.
Z pohľadu bežného človeka, dostane sa vaša práca z laboratória do reálneho sveta, má aj konkrétne uplatnenie v praxi?
Naša práca sa realizuje na dvoch miestach – vo vede ako základný výskum, pričom sa výsledky snažíme prezentovať v relevantných publikáciách aj na vedeckých konferenciách.
Pod Tatrami legendárna, v Turci novinka. V Martine odštartuje rely, ulice sa zmenia na pretekársku trať Čítajte Máme tiež snahu preniesť poznatky z výskumu do komerčnej praxe, intenzívne spolupracujeme s lokálnou firmou, ktorá sa zameriava na povlakovanie súčiastok a vyváža ich aj do zahraničia. V jej areáli máme vytvorené vedecko-realizačné pracovisko, kde sa uskutočňujú experimenty a potrebné merania.
Aké konkrétne výrobky povlakujú?
Firma komerčne vyrába viaceré typy produktov, povlakujú rôzne rezné nástroje, frézy, vrtáky, strojárske nástroje, súčiastky do motorov. Zaujímavosťou je, že nanášajú povlaky aj na raznice mincí – platidiel, ale aj numizmatických, pre mincovne v Kremnici či Prahe.
Akú výzvu ste museli riešiť pri nanášaní týchto tvrdých vrstiev?
Jednou z veľkých výziev je nanášať tvrdé vrstvy bez potreby zohrievať súčiastky a nezmeniť pritom jej skvelé mechanické vlastnosti. Veľkú priemyselnú komoru so súčiastkami vážiacimi dvesto kilogramov je potrebné vyhriať často na 500 °C. Trvá niekoľko hodín, kým sa zohreje, a odoberá veľké množstvo elektrickej energie.
Podarilo sa vám teplotu ohrevu znížiť?
Naši dvaja doktorandi vlani absolvovali niekoľkomesačnú stáž na univerzite v Linköpingu, s ktorými spolupracujeme, a spoločne pripravili inovatívny technologický postup, ako naniesť vrstvu bez potreby ohrevu a ako zároveň zachovať jej funkčné vlastnosti.
Pre ľudí pracujúcich v priemysle to znamená skrátenie osemhodinového procesu na tri hodiny. Za smenu tak môžu pripraviť niekoľko várok a pri nižšej energetickej záťaži.
Pristavme sa bližšie pri vašom pracovisku, ktoré patrí pod Centrum nanotechnológií a pokročilých materiálov (CENAM). Vzniklo v malom turčianskom mestečku Turany, kde vedu a výskum prepája s praxou práve vďaka spolupráci so spomínanou lokálnou firmou. Ako ste k tejto spolupráci dospeli?
Od pamätníkov viem, že spolupráca fakulty s firmou začala v 90. rokoch, počiatočné konzultácie prerástli do bližšej a intenzívnejšej spolupráce. Míľnikom sú roky 2012 až 2014, kedy firma Staton zastrešila výstavbu výskumnej haly, v ktorej vzniklo naše detašované pracovisko, fakulta zas z eurofondov zabezpečila potrebnú infraštruktúru.
Postupne sem začali prichádzať kmeňoví zamestnanci, pôsobia tu ľudia na úrovni vedeckých pracovníkov s tretím stupňom vzdelania. Študenti nášho centra tu realizujú diplomové aj doktorandské práce, aj študenti zo zahraničia u nás majú možnosť realizovať svoje výskumy.
Viacerí vedci pôsobiaci na Slovensku, resp. tí, ktorí odišli, hovoria o náročných podmienkach na vedu a výskum, vrátane finančnej a personálnej podvýživenosti. Ako sa ako vedcovi pracuje na Slovensku vám?
Mne sa ako vedcovi na Slovensku pracuje relatívne dobre, ale uvedomujem si, že vždy to môže byť lepšie. Otázka sa dá rozdeliť do dvoch smerov. Čo viem pre to urobiť štát a čo ja.
Kde má rezervy štát?
To, čo nám najviac chýba, sú výzvy na doplnenie infraštruktúry, aby sme dokázali nahrádzať zastarané zariadenia, ktorým končí technická podpora a servis. Sú to často zariadenia v rádovo stovkách tisíc eur, niektoré v jednotkách miliónov.
Tu cítime veľký deficit zo strany štátu, ktorý sa v tomto v minulosti spoliehal na eurofondy. Momentálne neviem, žeby sa takéto výzvy pripravovali, čo môže čoskoro spôsobiť vážne problémy v realizácii výskumných projektov.
Štát by mal tiež pravidelne cez svoje agentúry vypisovať výzvy, čo sa posledné roky celkom darí realizovať prostredníctvom nosnej agentúry APVV. V našom prípade potrebujeme mať niekoľko bežiacich projektov súbežne, ktoré dokážu pokryť náš pomerne drahý výskum, nákup, materiálov, cesty, konferencie a ľudí. Ale skôr by som sa chcel venovať tomu, čo vieme spraviť my vedci v rámci svojich pracovísk.
Obávanú cestu pod Strečnom obsadia cestári, dopravné obmedzenia čakajte aj cez víkendy Čítajte A to je?
Za seba a naše centrum môžem povedať, že sa snažíme pracovať na aktuálnych témach, ktoré sú v prieniku s národnými stratégiami alebo stratégiami Európskej únie.
Čo by malo byť tiež našou snahou, a počúvame to aj od ľudí pracujúcich v zahraničí alebo od tých, čo majú snahu vrátiť sa, je byť otvorení ľuďom naokolo a medzinárodne sa realizovať.
Snažíme sa byť v tomto proaktívni, čo znamená, že sa uchádzame o granty z európskych schém, napríklad z programu Horizont Europe (HE), kde aktuálne realizujeme projekt Colosse v konzorciu s českými a ďalšími zahraničnými partnermi zo západných univerzít.
Je reálne aj pre vedcov zo Slovenska uspieť v týchto európskych schémach?
V týchto programoch je, samozrejme, veľký konkurenčný boj, čo odrádza, ale inak, ako sa o to pokúšať, to nejde. My sme v priebehu posledného roka podali dva HE projekty, ktoré nám tesne nevyšli.
Na druhej strane treba povedať, že k tomu všetkému potrebujete mať vytvorené zázemie, a to je na západ od nás na vyššej úrovni.
Ako by to malo vyzerať?
V našich podmienkach by pomohli kvalitní projektoví manažéri, jazykovo vybavení, ktorí by boli schopní projekty nielen implementovať, ale aj písať. Pokrývali by niektoré rutinné činnosti a pomohli pri hľadaní relevantných, najmä európskych výziev.
Takúto podporu mnohí slovenskí výskumníci v zahraničí majú a vyžadujú ju mať aj pri návrate späť na Slovensko.
Ja tomu rozumiem, len to musí niekto urobiť. Je len zbožné želanie, aby som bol ako docent v laboratóriu, som často zahltený práve administrovaním projektu, často na úkor čítania článkov a vlastného vzdelávania sa.
Hybnou silou každého výskumu sú doktorandi, doktorandky, post-doktorandi a mladí vedeckí pracovníci, ktorí robia analýzy, píšu odborné články. Ľudia s vyššími kvalifikačnými stupňami ako profesori a docenti sa realizujú práve v príprave a riadení vedeckých projektov.
V súčasnosti sa často hovorí aj o odlive mozgov do zahraničia. Asi sa zhodneme, že je dobré, keď vo svete naberú skúsenosti, ktoré môžu potom zužitkovať doma. Aké podmienky potrebujú, aby sa vrátili späť?
Podporujem ľudí s ambíciou zostať vo vede na Slovensku, aby po ukončení doktorandského štúdia vycestovali do zahraničia na nejakú postdoktorandskú pozíciu, povedzme na dva - tri roky. V téme, v ktorej sú niekoľko rokov doma, môžu nasať nové myšlienky, prísť naspäť s inovatívnymi nápadmi, posúvať sa vo vede ďalej a rozšíriť aj medzinárodnú spoluprácu. Touto cestou sa uberáme aj my v našom Centre, aj vďaka veľmi dobrým kontaktom na západných univerzitách.
Skončil zranený vo dvore. Ľudia sa spojili a pomohli vzácnemu dravcovi Čítajte Nás čaká neľahká úloha namotivovať tých ľudí vrátiť sa a vytvoriť im vhodné podmienky. Najmä platové, ale nie je to len o plate, ale aj o kreatívnom, inšpiratívnom a funkčnom prostredí, ako som už spomínal. Vieme, kde máme rezervy, aj čo sa týka infraštruktúry. Ale bude to náročné.
Prečo?
Našich študentov končiacich na experimentálnej fyzike je pomerne málo, čo je dané jednak historicky, ale ide aj o dôsledok konkurenčného boja o študentov so zahraničnými univerzitami, predovšetkým českými. Uvidíme, čo ukáže budúcnosť a či absolventov dotiahneme späť.
V našom centre sme zas vypísali doktorandské pozície na medzinárodnom portáli, kde sa prihlásil obrovský počet záujemcov, najmä z tretích krajín ako Pakistan, či India. Viacerých sme prijali, uvidíme, aká bude úroveň týchto študentov a študentiek, ale je to realita, a pre vytvorenie medzinárodného prostredia u nás je to potrebné.
