ŠTOKHOLM, BRATISLAVA. Sú to rozmery, pre ktoré je aj ľudský vlas neuveriteľne hrubý. Presnejšie, sú to rozmery niekoľkotisícnásobne menšie. A práve ich výskum by mohol viesť k lepším technológiám, ktoré budeme používať nielen v tabletoch či počítačoch, ale napríklad aj v zdravotníctve.
Medzinárodný tím vedcov totiž ukázal metódu, pomocou ktorej dokážu odborníci precíznejšie merať magnetické vlastnosti na takejto nanoškále.
Spoluautorom tejto štúdie v prestížnom online magazíne Nature Communications je aj Slovák Ján Rusz, ktorý pôsobí na švédskej univerzite v Uppsale. Pracoval s teoretickým modelom experimentu a následne analyzoval získané údaje.
Ďalej zmenšovať
„Ja ako teoretik som pri?spel simuláciami experimentu, ktoré pomohli spresniť určité detaily v experimente,“ hovorí vedec z uppsalského oddelenia fyziky a astronómie pre SME. „A v poslednej fáze, v spolupráci s Japoncami, sme analyzovali namerané dáta.“
Prvé myšlienky výskumu vznikli v minulom desaťročí. Vedci z Viedne prišli s nápadom, ako by sa dali magnetické vlastnosti merať elektrónovým mikroskopom. Rusz sa už vtedy stal členom tímu, merania však boli príliš zložité. V tom čase pracoval v Prahe na Českej akadémii vied. Výskum však pokračoval, keď sa vedec presunul do Švédska.
„Kľúčové bolo nadviazanie spolupráce s experimentátormi,“ vysvetľuje Rusz. „Jednak priamo v Uppsale, ale najmä so skupinou v japonskej Nagoyi.“
Práve vďaka spolupráci s Japoncami tím napokon vytvoril a otestoval novú metódu merania. No aj keď ide o základný výskum, jej využitie by mohlo priniesť posun v bežnej elektronike. Napríklad pri ukladaní údajov na pevné disky.
Tu sa totiž pohybujeme na úrovni nanorozmerov, v rozmeroch zhruba štyritisícnásobne menších ako ľudský vlas. Prístroje pritom ukladajú dáta na akési drobné magnetické ostrovčeky a musia to zvládnuť veľmi presne. Aby sme na disky vedeli ukladať ešte viac dát, musíme byť ešte presnejší a musíme tieto nanoostrovčeky ešte ďalej zmenšovať. Práve v tomto by mohol pomôcť nový výskum.
„Ak chceme dosiahnuť vyššie hustoty dát, musíme ďalej zmenšovať, “ zdôrazňuje vedec. „Ale predtým, než sa z hromady nanočastíc stane pevný disk, prebieha v laboratóriách mnoho testov a meraní o tom, ako sa takýto objekt správa. A práve v tom by naša metóda mohla nájsť uplatnenie.“
Lepšie ako konkurencia
Vedci najskôr vytvorili simuláciu postupu a podľa nej následnevhodný experiment. Využili elektrónový mikroskop a jeho elektrónový lúč, ktorým merali. Tento lúč mal pritom iba päť nanometrov v priemere. „Je to veľmi tenučký lúč, no vo svete atómov až taký malý nie je. Tie sú ešte asi stokrát menšie,“ hovorí Ján Rusz.
Elektróny však výskumníci urýchlili takmer na rýchlosť svetla, tie preleteli vzorkou a jemne pozmenili jej jednotlivé atómy. Vedci zmeny následne merali a štatisticky vyhodnocovali novým spôsobom. Vďaka takémuto postupu získali presnejšie údaje než predchádzajúcimi metódami.
Dokázali takto skúmať aj rôzne vzorky bez ohľadu na ich atómovú štruktúru. Podobné meranie umožňuje aj konkurenčná röntgenová metóda, avšak röntgenové lúče sa zatiaľ nepodarilo zaostriť do takého malého bodu ako elektróny.
Ján Rusz: Náš lúč mal 5 nanometrov
Ak chceme dosiahnuť vyššie hustoty dát, musíme nanočastice ďalej zmenšovať, hovorí Ján Rusz z univerzity v Uppsale.
Čo bolo vašou úlohou na výskume?
Predtým, než tento projekt vôbec začal, strávili sme s kolegami z univerzity v Nagoyi veľa času diskutovaním o tom, ako k problému čo najlepšie pristúpiť. Teraz už je skoro nemožné povedať, kto vlastne čo navrhol, dôležité bolo, že výsledkom našich debát bol návod či návrh, ako postupovať. Zvyšok už bol potom viac-menej priamočiary, proste „to urobiť".
A urobili ste čo?
Ako teoretik som prispel simuláciami experimentu, ktoré pomohli spresniť určité detaily v experimente. A v poslednej fáze, v spolupráci s Japoncami sme analyzovali namerané dáta.
Ako ste sa k takémuto výskumu vôbec dostali?
To je dlhší príbeh. Všetko to začalo niekedy v roku 2004, keď kolegovia z Viedne prišli s myšlienkou, ako merať magnetické vlastnosti elektrónovým mikroskopom. Podarilo sa im získať financie formou EU projektu, ktorý dostal meno ChiralTEM. Vtedy ešte ako doktorand na Univerzite Karlovej som sa stal členom výskumného tímu, ktorý na tejto téme pracoval. Myšlienka sa ukázala ako správna, ale merania, žiaľ, veľmi komplikované. No výskum naďalej pokračoval. Medzičasom som sa premiestnil do Švédska na Uppsalskú Univerzitu, kde som sa po pár rokoch stal asistentom, ale cieľu vyvinúť prístupnú metódu merania magnetických vlastností som sa nevzdal.
Čo sa stalo potom?
Kľúčové bolo nadviazanie spolupráce s experimentátormi jednak priamo v Uppsale, ale pre tento projekt najmä so skupinou v Nagoyi, v Japonsku. Prof. Muto and Dr. Tacumi sa časom ukázali ako veľmi zapálenými pre vec a po zhruba troch rokoch spolupráce sa začali tie kľúčové diskusie, o ktorých som hovoril pred chvíľkou.
Môže byť váš výskum prvým krokom k novým zariadeniam, povedzme takým, ktorý dokážu uchovávať ešte viac dát?
V to dúfame. Aj keď to môže nejakú dobu trvať. Totiž ukladanie dát v magnetických diskoch - ako napríklad pevné disky v našich počítačoch - je založené na možnosti merať a meniť magnetizáciu v malých čiastočkách, ktoré majú dnes len pár desiatok nanometrov. Ak chceme dosiahnuť vyššie hustoty dát, musíme tie nanočastice ďalej zmenšovať. Ale predtým, než sa z hromady nanočastíc stane pevný disk, v laboratóriách prebieha mnoho testov a meraní, ako sa takýto objekt správa. A práve v tom by naša metóda mohla nájsť uplatnenie.
Kde všade sa dá využiť vaša nová, precíznejšia technika merania?
Pri vývoji zariadení, ktoré využívajú magnetické nanočastice. Dnes sú to pevné disky, ktoré sa používajú v niektorých tabletoch, kamerách, fotoaparátoch, atď. Ale magnetické nanočastice sa dostávajú aj do iných oblastí, napríklad sa využívajú pri diagnostike a liečení niektorých chorôb alebo ako katalyzátory rôznych chemických reakcií. Alebo dokonca na čistenie vody - odstraňovanie ťažkých kovov. Len pre spresnenie dodám, že nemám na mysli čistenie vody elektrónovým mikroskopom. Ale vývoj a optimalizáciu magnetických nanočastíc - aby boli pre tento účel čo najefektívnejšie.
Prečo ste sa spojili práve s Japoncami a Nemcami?
Spolupráca s Japoncami ma dlhšie korene, ako som už spomínal. Pre tento projekt bola kľúčová okrem iného tým, že na Univerzite v Nagoyi majú unikátny elektrónový mikroskop, ktorý urýchľuje elektróny na 94% rýchlosti svetla. To prináša radu výhod pri meraní, napríklad takéto elektróny oveľa ľahšie prenikajú cez vzorku. Najprv sa naša spolupráca týkala trochu iných záležitostí v elektrónovej mikroskopii, ale časom sme si uvedomili, že naše skúsenosti sa výborne dopĺňajú práve v otázke meraní magnetických vlastností.
A Nemci?
Kolegovia z Nemecka nám pripravili vzorky pre merania. Bola to tenká vrstva železných nanočastíc, ktorých priemer bolo okolo 20-30 nanometrov, t.j. asi 4000-krát menej ako hrúbka ľudského vlasu. Presne to sme potrebovali, aby sme našu myšlienku prakticky vyskúšali.
Čo by mohlo byť pokračovaním výskumu?
Naše merania boli realizované pomocou elektrónového lúča, ktorý má len 5 nanometrov v priemere. Je to veľmi tenučký lúč, no vo svete atómov až taký malý nie je. Atómy sú ešte asi 100-krát menšie. Radi by sme výskum zavŕšili metódou, ktorá by umožnila merať magnetické vlastnosti jednotlivých stĺpcov atómov v kryštáloch. Žiaľ, nestačí len stenčiť lúč atómov - čo je samo o sebe nemalou výzvou. Na ceste je viacero prekážok, ktoré bude treba prekonať.
Megavoltový elektrónový mikroskop, na ktorom sa meralo. ⋌ Na svete je ich iba niekoľko. FOTO – Ecotopia Science Institute/Nagoya Univ.
