Warstwa ujarzmiająca energię

Od błyszczących sztućców ...

Każdy z nas już to gdzieś widział: złote sztućce, które wcale nie są ze złota, ale ładnie się błyszczą, czy metalowe ostrza pokryte dodatkową warstwą, dzięki której się nie tępią. Naniesienie na metal dodatkowej powłoki sprawia, że zyskuje on pożądane właściwości. Pod mikroskopem elektronowym widać, że jej ziarenka są ułożone ściśle obok siebie: nie da się więc warstwy zarysować, bo jest sztywna i twarda.

Takie powłoki wytwarza się, utrzymując określone parametry, co jednak stanie się, kiedy zaczniemy zmieniać je na skrajne? Na przykład potężnie zmniejszymy ciśnienie? Eksperymenty polskiego naukowca wykazały, że miast ciasno ułożonych nanoziaren czy nanokryształów powstają z nich przestrzenne struktury. – 10 lat temu z czystej ciekawości zastosowałem skrajne parametry w procesie osadzania tlenku cynku, który w standardowych warunkach tworzy przezroczystą warstwę. Po eksperymencie okazało się, że tym razem powłoka jest matowo szara. W mikroskopie elektronowym zobaczyliśmy nanokwiatki, koralowce z nanokryształków cynku – opowiada dr hab. Michał Borysiewicz z Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki (Sieć Badawcza Łukasiewicz).

Ponieważ w literaturze naukowej nie było informacji na temat nanoszenia powłok w takich warunkach, pojawił się pomysł zgłębienia zagadnienia. – Dostałem grant Lider z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju na wykorzystanie porowatego cynku w magazynach energii. Dzięki temu wyjechałem na postdoca (okres przejściowy między studiami doktoranckimi a zatrudnieniem na uczelni lub w sektorze przemysłowym – red.) na Massachusetts Institute of Technology. Po powrocie realizowałem projekt Sonata Narodowego Centrum Nauki, sprawdzałem, czy także z innych metali da się zrobić podobne powłoki. Bo cynk jest bardzo niestabilny: szybko odparowuje i jest reaktywny chemicznie. Są z nim pewne problemy – opowiada naukowiec.

... do superkondensatorów energii

Okazało się, że miedź w skrajnych parametrach też tworzy nanokwiatki. – Wybrałem ją, bo bliskie są mi magazyny energii, w szczególności superkondensatory. W nich dwoma podstawowymi metalami wykorzystywanymi w doprowadzeniach prądu są miedź i aluminium – mówi Borysiewicz. Wspólnie z Jakubem Zawadzkim i Patrycją Barańczyk z tego samego Instytutu przeprowadzili serie eksperymentów z tworzeniem powłok z tych metali. Ujawniły one, że w przypadku miedzi kryształy są dłuższe i większe. – Powierzchnia powłoki jest bardziej rozwinięta, dzięki czemu zwiększa się obszar przesyłu energii i szybciej ten proces zachodzi. To ma znaczenie przy urządzeniach wysokiej mocy – opowiada badacz. Mowa o superkondensatorach, które mogą być wykorzystywane m.in. w wózkach widłowych czy lokomotywach pracujących na stacjach przeładunkowych. Te urządzenia są jak polujące gepardy – działają krótko, ale dają z siebie wszystko.

Baterie nowej generacji

W przeciwieństwie do baterii litowo-jonowych, które mają określoną żywotność – mogą być ładowane tylko do ok. 2 tys. razy, superkondensatory przechodzą miliony cykli ładowania i rozładowania bez utraty właściwości. – To wyjątkowe magazyny energii. Superkondensatory są np. wykorzystywane we Francji w tramwajach. Pojazdy mają zmagazynowane tyle energii, by przejechać do kolejnego przystanku. Tu następuje szybki pobór mocy i jadą dalej – wyjaśnia Borysiewicz.

Oprócz magazynów energii powłoki z miedzi mogą zostać również zastosowane w mikroradiatorach. Konwencjonalne radiatory to metalowe przedmioty, które przykręca się do chłodzonego obiektu. Dzięki porowatej powierzchni zwiększa się obszar oddawania ciepła. W przypadku opracowanych powłok chłodzenie zachodzi w mikroskali, co może czynić je wydajniejszym. Kolejnym możliwym zastosowaniem jest kataliza – procesy chemiczne, które wymagają, by chemikalia w fazie gazowej lub ciekłej zareagowały z jakąś powierzchnią, bo dopiero wtedy proces staje się wydajny. I znowu – lepiej, żeby ta powierzchnia była bardziej rozwinięta, pofałdowana.

– Zależy nam na tym, by ludzie się dowiedzieli, że coś takiego robimy. Chcielibyśmy skontaktować się z przedsiębiorcami, którym nasze odkrycie może się przydać. Chcielibyśmy nasze powłoki jak najszybciej wprowadzić na wyższy poziom użyteczności – mówi naukowiec. Zwłaszcza, że jak dowodzą kolejne eksperymenty, także i inne metale przy zastosowaniu nietypowych parametrów dają bardzo ciekawe powłoki.

Doktor hab. Michał Borysiewicz został wyróżniony w rankingu World’s Top 2% Scientists 2023 jako jeden z najbardziej wpływowych naukowców na świecie. Zestawienie jest przygotowywane na podstawie dwóch list opracowywanych przez Uniwersytet Stanforda we współpracy z wydawnictwem Elsevier: jedna obejmuje dorobek naukowy, druga – zlicza cytowania publikacji z poprzedniego roku kalendarzowego. To ranking oceniający dorobek naukowców pochodzących ze wszystkich krajów i reprezentujących wszystkie dziedziny nauki. ©Ⓟ