Kryształy – często kojarzone z pięknem minerałów czy klejnotów – wykorzystuje się w wielu aspektach życia codziennego oraz zaawansowanych technologiach. Można je spotkać np. w narzędziach tnących, panelach słonecznych czy diodach LED. Tydzień Kryształów jest dwudziestym trzecim spośród 50 Tygodni w Mieście Nauki.

– Nie każdy zdaje sobie sprawę, że na co dzień otacza nas mnóstwo substancji, materiałów, przedmiotów, które mają strukturę kryształu. Znane wszystkim diamenty to kryształy czystego węgla, ale kryształami są również np. sól czy cukier. Krystalografia, elektronika, optoelektronika, jubilerstwo, chemia, biologia, farmacja czy medycyna to kilka dziedzin, w których kryształy odgrywają istotną rolę – podkreślają kuratorzy Tygodnia Kryształów: dr Magdalena Szubka i dr Jerzy Jarosz, prof. UŚ z Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.

Zajrzeć w głąb kryształu

Nauka o kryształach nierozłącznie związana jest z dziedziną zwaną krystalografią, która zajmuje się atomową budową kryształów, czyli ich strukturą krystaliczną.

– Najdobitniejszym przykładem wpływu struktury na własności kryształu jest każdemu dobrze znany diament oraz grafit, które – chociaż zbudowane są jedynie z atomów węgla – drastycznie różnią się własnościami fizycznymi. Jest to związane z tym, że w obydwu przypadkach atomy węgla mają różne rozłożenie przestrzenne – opowiada dr Maria Książek z Instytutu Fizyki im. Augusta Chełkowskiego na Wydziale Nauk Ścisłych i Technicznych Uniwersytetu Śląskiego.

Jak tłumaczy naukowczyni, do wyznaczenia położenia atomów nie można zastosować mikroskopów optycznych (światła widzialnego), z powodu zbyt małej odległości między sąsiednimi atomami. Dlatego konieczne jest wykorzystanie fali o długości zbliżonej do tych odległości, czyli promieniowania rentgenowskiego. Taka aparatura badawcza (czterokołowy dyfraktometr rentgenowski – jeden z najlepszych tego typu) znajduje się w Instytucie Fizyki w chorzowskim kampusie UŚ i służy badaczom – również z innych uczelni polskich i zagranicznych. Jedną z opiekunek tego laboratorium jest dr Maria Książek.

– Dzięki wykorzystaniu tej aparatury nasz zespół, kierowany przez prof. dr. hab. inż. Joachima Kusza, od lat realizuje badania związków kompleksowych wykazujących przejścia spinowe. Zjawisko to prowadzi do zmiany koloru kryształów, ale także do zmiany własności magnetycznych i strukturalnych. Dlatego związki te często określa się jako „materiały sprytne”, które mogą mieć bardzo ciekawe zastosowania praktyczne – tłumaczy dr Maria Książek. Dzięki tej aparaturze prowadzone są badania m.in. nad nowymi minerałami, nowymi materiałami o potencjalnym działaniu antynowotworowym, nowymi związkami chemicznymi aktywnymi biologicznie oraz strukturami modulowanymi oraz kwasikryształami.

Więcej niż estetyczne piękno

– Chociaż kryształy często kojarzone są z pięknem minerałów czy klejnotów, w praktycznych zastosowaniach ich atrakcyjność jest ograniczona, bowiem najczęściej są one niewidoczne dla użytkowników, ukryte wewnątrz rozmaitych urządzeń. Wśród tych powszechnie stosowanych znajdziemy m.in. płytki krzemowe w mikrochipach, syntetyczne diamenty w narzędziach tnących czy cienkie warstwy w panelach słonecznych i diodach LED – opowiada dr Katarzyna Balin, prof. UŚ.

Jednak aby móc wykorzystać dany kryształ w jakimś urządzeniu, trzeba w pełni poznać jego właściwości fizyczne, wynikające z jego uporządkowanej struktury atomowej, a także umiejętność manipulacji tymi własnościami. I właśnie tym w swojej pracy badawczej zajmuje się naukowczyni.

Obecnie badaczka realizuje projekt, w którym analizuje zmiany struktury elektronowej cienkich warstw tellurków Bi₂Te₃ oraz PdTe₂ domieszkowanych manganem. O co chodzi? – Bi₂Te₃ to znany materiał termoelektryczny i izolator topologiczny, który posiada unikalne zdolności przewodzenia elektrycznego na powierzchni, z kolei PdTe₂ jest niskotemperaturowym nadprzewodnikiem. Dodanie domieszki magnetycznej do sieci krystalicznej tych związków powoduje zmiany w ich strukturze elektronowej, modyfikując ich właściwości fizyczne i poszerzając potencjalne zastosowania tych materiałów – tłumaczy dr Katarzyna Balin, prof. UŚ.

Celem tych badań jest opracowanie nowych materiałów o stabilności chemicznej i unikatowych właściwościach sprzyjających ich wykorzystaniu w spintronice, optoelektronice oraz w dziedzinach związanych z energią. Projekt pt. „Badanie struktury elektronowej i reaktywności powierzchniowej w materiałach hybrydowych na bazie wybranych tellurków” jest finansowany z NCN.

Ultrasilne kryształy

Wśród materiałów powszechnie wykorzystywanych we współczesnych technologiach można wymienić ceramiki piezoelektryczne PZT. Są to polikryształy, które stosuje się m.in. w mikroelektronice (transformatory), medycynie (ultrasonografia), sporcie (ubiory sportowe), a nawet w samochodach, gdzie zapewniają oszczędniejsze zużycie paliwa.

Jeszcze ciekawsze właściwości fizyczne wykazują kryształy tych związków. Ich otrzymywanie nie jest łatwym zadaniem – potrafią to tylko nieliczne ośrodki na świecie (w tym Wojskowa Akademia Techniczna w Warszawie, z którą UŚ współpracuje w tym zakresie).

Zgłębianiem wiedzy na temat kryształów PZT zajmuje się zespół prof. dr. hab. Krystiana Roledera. – W trakcie naszych badań, w jednym z takich kryształów (Pb(Zr_0.95,Ti_0.5)O₃) zaobserwowaliśmy ogromne odkształcenie względne – rzędu 0.3%. Te 0.3% to bardzo mało w kontekście opisywania zmian przy użyciu procentów, ale bardzo dużo w kategoriach zmian właściwości fizycznych tychże kryształów – opowiada badacz.

Dodaje, że do tej pory podobnego rzędu deformację wykazywały tylko kryształy z innej grupy – tzw. relaksory. – Istotną różnicą jest to, że takie same odkształcenie względne w przypadku naszego kryształu osiągane są w polach elektrycznych dziesięciokrotnie słabszych. Oznacza to, że różnica potencjałów równa zaledwie kilkunastu woltom, działająca na kryształ wielkości dziesięciu mikrometrów (mikrometr to jedna tysięczna milimetra!), spowoduje jego odkształcenie o mniej niż 10 pikometrów (pikometr to jedna milionowa mikrometra). Tak małe odkształcenie prowadzi jednakże do niezwykle silnych właściwości piezoelektrycznych, kilka tysięcy silniejszych od popularnego kryształu kwarcu SiO₂ – wskazuje prof. Krystian Roleder.

Ponadto okazało się, że kryształ ten jest także niezwykle odporny na liczbę cykli odkształceń – nie ulega zniszczeniu nawet po dwóch miesiącach badań pod napięciem kilkudziesięciu woltów. Dalsze badania przyczynią się do polepszania jakości kryształów, których właściwości są jeszcze lepsze niż powszechnie stosowane w wielu technologiach ceramiki PZT.

Autorka: Agnieszka Kliks-Pudlik

Sprawdź program Tygodnia Kryształów na stronie wydarzenia.