Warszawa, 27 kwietnia 2020

Czy fizycy mogą pomóc w zwalczaniu patogenu?

Nie tylko współczesna medycyna, której intensywny rozwój zapoczątkowały w ubiegłym stuleciu między innymi odkrycia Wilhelma Roentgena i Marii Skłodowskiej-Curie, ale także szereg innych dziedzin naszego życia wykorzystuje promieniowanie elektromagnetyczne o długościach fal światła krótszych niż fale światła widzialnego. Ten odkryty w dziewiętnastym wieku rodzaj "niewidzialnego" światła, którego energia jest większa od energii światła widzialnego, ale znacznie mniejsza niż energia promieni gamma czy Roentgena, został nazwany promieniowaniem ultrafioletowym, w skrócie UV.

O promieniowaniu UV, obecnym w świetle słonecznym, słyszymy najczęściej w kontekście negatywnym - w związku z ostrzeżeniami przed nadmiernym opalaniem się, czy też w związku z "dziurą ozonową" w atmosferze, która zagraża naszemu systemowi ekologicznemu. Nie wszyscy jednak wiedzą, że promieniowanie UV i jego wydajne źródła są nam niezmiernie potrzebne. Korzysta z nich przemysł, infrastruktura komunalna, służba zdrowia i nauka. Bez nowoczesnych źródeł UV nie byłoby możliwe konstruowanie współczesnych procesorów i pamięci komputerowych, synteza nowoczesnych tworzyw sztucznych, bezpieczne i tanie uzdatnianie wody pitnej, bezpieczna i nieniszcząca dezynfekcja pomieszczeń i wyposażenia placówek służby zdrowia, czy też łatwa weryfikacja banknotów.

Tradycyjnie zakres energii promieniowania UV, określany jest kolejnymi literami alfabetu, zależnie od tego, na ile energia tego promieniowania jest większa od energii promieniowania widzialnego. UVA, to promieniowanie "zbliżone" do światła dziennego, obecne w świetle słonecznym, a także w świetle lamp kwarcowych. Bardziej energetyczne UVB, które już może stanowić zagrożenie dla zdrowia, występuje również w świetle słonecznym czego konsekwencje odczuwa się głównie w górach, a także na plażach w okresach "dziury ozonowej". Na szczęście dla przyrody, najwyżej energetyczne promienie UVC, niszczące wszelkie formy życia biologicznego, są pochłaniane przez atmosferę. Jednak ten właśnie rodzaj promieniowania znajduje wiele zastosowań, zarówno w przemyśle jak i w służbie zdrowia.

W konkretnych zastosowaniach wykorzystywane są obecnie różnego rodzaju sztuczne źródła światła UV - swoiste "żarówki". Są to półprzewodnikowe diody elektroluminescencyjne (LED), różnego rodzaju lampy kwarcowe, rtęciowe itp. oraz lasery i synchrotrony. Diody LED UV są już powszechnie stosowane, między innymi do odkażania pomieszczeń, a na portalach internetowych można nawet znaleźć "ultrafioletowe odkażacze smartfonów". Jednak problemem, którego nie udało się do tej pory rozwiązać w sposób zadowalający jest stworzenie tanich i wydajnych źródeł światła UVC, które jest najdogodniejsze do skutecznej i szybkiej dezynfekcji. Do tej pory nie uzyskano diod LED na ten najbardziej energetyczny zakres promieniowania UV, a tradycyjne lampy UV są drogie, nietrwałe, duże i niewygodne w eksploatacji. Przyczyną tego stanu rzeczy są własności fizyczne półprzewodników, z których aktualnie konstruuje się diody LED UV, a które ograniczają możliwości ich zastosowań jedynie do wytwarzania źródeł UVA, a co najwyżej UVB.

Od dawna trwają poszukiwania nowych materiałów, które umożliwiłyby zbudowanie półprzewodnikowych źródeł UVC, ale dopiero ostatnio pojawiła się nadzieja, że poszukiwania te mogą zostać zwieńczone powodzeniem.

Zespół naukowców z Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk i Instytutu Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk, prowadzący badania nad nową klasą materiałów półprzewodnikowych wykazał, że emitery światła bazujące na tlenkach magnezowo-cynkowych o strukturze soli kamiennej mogą emitowaćświatło w zakresie dalekiego ultrafioletu.

Omawiane materiały są przedmiotem zainteresowania naukowców już od szeregu lat, jednak wysiłek grup badawczych skoncentrowany był do tej pory na tlenkach krystalizujących w strukturze heksagonalnej. Nowością są badania wymienionych tlenków w postaci kryształów o innej symetrii, czyli o innym rodzaju ułożenia atomów w krysztale, znanym jako struktura soli kamiennej.

Jak podkreśla współautor prac, profesor Henryk Teisseyre, badania są jeszcze na początkowym etapie, ale już dziś można stwierdzić, że prowadzą do ciekawych zastosowań, a nowa klasa materiałów półprzewodnikowych może się okazać czarnym koniem w międzynarodowym wyścigu do uzyskania źródeł światła pracujących w zakresie światła ultrafioletowego o wysokich energiach emisji. Emitujące UVC diody elektroluminescencyjne i lasery półprzewodnikowe mogą znacznie skutecznej i taniej niż obecnie używane źródła, zwalczać wirusy i bakterie, co w sytuacji obecnej pandemii skłania do intensywnych badań wiele grup badawczych jak również koncentruje zainteresowania przemysłu.

Badania polskich naukowców przebiegają dwutorowo: w Instytucie Fizyki we współpracy z francuskim Institut Néel w Grenoble wykonywane są materiały, przeprowadzana jest ich charakteryzacja i badane widma emisji, a w Instytucie Wysokich Ciśnień prowadzone są zaawansowane obliczenia teoretyczne weryfikujące wyniki eksperymentalne. Materiały nad którym pracują polscy naukowcy posiadają dodatkową ważną zaletę są znacznie tańsze od półprzewodników azotkowych, które do tej pory były brane pod uwagę jako materiały do budowy emiterów na zakres dalekiego UV. Wyniki prac polskiej grupy zostały przyjęte do publikacji, która wkrótce ukaże się w czasopiśmie Physical Review B, a w ubiegłym roku były prezentowane na konferencji Photonic West w Stanach Zjednoczonych jako wykład zaproszony.

PRACE NAUKOWE:

[1] "Rocksalt ZnMgO alloys for ultraviolet applications: Origin of band-gap fluctuations and direct-indirect transitions",
      I. Gorczyca, M. Wierzbowska, D. Jarosz, J. Z. Domagała, A. Reszka, D. Le Si Dang, F. Donatini, N. E. Christensen, and H. Teisseyre,
      Phys. Rev. B 101, 245202 (2020).
      (Wersja elektroniczna pracy jest dostepna na życzenie.)

KONTAKTY DO NAUKOWCÓW:

     dr hab. dr hab. Izabela Gorczyca, prof. IWC PAN

       Instytut Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk

       tel. +48 8760354

       email: iza@unipress.waw.pl

     dr hab. dr hab. Henryk Teisseyre, prof. IF PAN

       Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk

       tel. +48 22 1163495, + 48 22 1163544

       email: teiss@ifpan.edu.pl