Według World Development Report (WDR) 2021 Banku Światowego na temat przepływu danych w Internecie: „Oczekuje się, że do 2022 roku ruch w sieci osiągnie 150 000 GB ruchu na sekundę, co stanowi 1000-krotny wzrost w porównaniu z 156 GB w 2002 roku, 20 lat wcześniej. Dziesięć lat wcześniej, w 1992 roku, globalny ruch internetowy wynosił 100 GB dziennie, co w przybliżeniu odpowiada zaledwie 10 gospodarstwom domowym, oglądając serial Netflix przez 10 godzin”. [1] Wartości te z roku na rok szybko rosną. Znaczna część tego transferu generowana jest przez urządzenia mobilne, co nie dziwi w świetle zmian związanych ze stylem pracy (praca zdalna) i rozrywki (streaming filmów i gier online). Również rozwój rozszerzonej i wirtualnej rzeczywistości oraz Internetu Rzeczy (IoT) stawiają nowe wyzwania przed dostawcami usług telekomunikacyjnych. Już teraz sieci telekomunikacyjne 4G (kanały 0,6-2,5 GHz) w dużych aglomeracjach zbliżają się do górnej granicy przepustowości w godzinach szczytu, co wymusza przejście na wyższy standard sieci 5G (kanały 30-300 GHz). Ponieważ planujemy przeskok do kolejnej generacji 6G (300-3000 GHz lub 0,3-3 THz), oferującej nawet 125 GB/s na użytkownika, musimy poczynić duże postępy w opracowaniu odpowiednich materiałów o absorpcji lub emisji w zakresie sub-THz (300-1000 GHz). Ponadto wymagane jest nie tylko ich praktyczne opracowanie, ale także zrozumienie, jak je modyfikować i jak czynniki zewnętrzne (np. temperatura, ciśnienie, wilgotność) wpływają na ich parametry pracy.

W poszukiwaniu materiałów dla komunikacji 6G

W odpowiedzi na to zapotrzebowanie zespół kierowany przez profesora Shin-ichi Ohkoshi z Uniwersytetu Tokijskiego w Japonii rozpoczął badania, które mogą nas przybliżyć do praktycznej realizacji tych ambitnych celów. W ostatniej dekadzie prof. Ohkoshi i członkowie Laboratorium Chemii Fizycznej Ciała Stałego przedstawili serię materiałów absorpcyjnych opartych na nanocząstkach epsilon-Fe₂O₃ z podstawionymi metalami, o absorpcji w zakresie 20-230 GHz, odpowiednich dla technologii 5G. [2-4] Jednak dalszy rozwój tych materiałów w celu uzyskania absorpcji w wyższym zakresie częstotliwości był niemożliwy ze względu na ograniczenia fizyczne tych tlenków.

Obecnie prowadzimy systematyczne badania nad wykrywaniem i wyznaczaniem charakterystyk absorpcyjnych w zakresie sub-THz dla alternatywnych materiałów. Pierwotny pomysł opierał się na wynikach wcześniejszych badaniach nad bezkontaktową detekcją radioaktywnych jonów cezu z wykorzystaniem spektroskopii w domenie czasu w zakresie terahercowym (THz-TDS), która wykazała absorpcję w zakresie około 1,4 THz. [5] Jak wcześniej ustalono, jony metali ciężkich uwięzione wewnątrz sieci krystalicznej polimeru koordynacyjnego, przy odpowiednio dobranych parametrach strukturalnych, mogą stanowić doskonałą platformę do budowy absorberów sub-THz. Pomimo uzyskania materiałów o charakterystyce w zakresie 0,7-1,4 THz, [6, 7] badania wykazały, że rozwój takich układów jest skomplikowany ze względu na trudności w projektowaniu i syntezie próbek o bardzo specyficznych parametrach strukturalnych. Wykorzystując obliczenia teoretyczne i inżynierię krystaliczną związków koordynacyjnych, wybrano i wdrożono nowe kierunki badań. Szczególną uwagę zwrócono na wyizolowane kompleksy ciężkich jonów lantanowców z tiocyjankami i selenocyjankami. Ta zmiana jakościowa pozwoliła na przesunięcie absorpcji do zakresu 0,59-0,68 THz, choć wymagała zastosowania kosztowny odczynników chemicznych. [8] 

Rezultaty badań

W najnowszym artykule opublikowanym w czasopiśmie Angewandte Chemie International Edition przedstawiliśmy serię nowych materiałów opartych na prostych w syntezie i tanich polimerach koordynacyjnych zawierających kompleksy żelaza(II), tetra(tiocyjanianów)rtęci(II) i tetra(selenocyjanianów)rtęci(II) wykazujących absorpcję w zakresie 0,63-0,96 THz. [9] Ponadto zaproponowaliśmy prototypowy schemat absorbera opartego na tych związkach chemicznych. Obecnie pracujemy nad wyeliminowaniem toksycznego składnika rtęci z naszego materiału.

Dalszy rozwój tych materiałów jawi się w jasnych barwach, ale ich praktyczna komercjalizacja jest jeszcze daleka. Po pierwsze, musimy przezwyciężyć wiele wyzwań związanych z zagadnieniami inżynieryjnymi, ekonomicznymi i ekologicznymi. Niemniej jednak można przewidywać, że tego typu system będzie używany w naszych urządzeniach mobilnych w najbliższych latach.

Bibliografia

1. World Bank „Crossing borders” World Development Report 2021: Data for Better Lives, The World Bank Group, 2021, https://wdr2021.worldbank.org/stories/crossing-borders/.
2. S. Ohkoshi, S. Kuroki, S. Sakurai, K. Matsumoto, K. Sato, S. Sasaki „A Millimeter-Wave Absorber Based on Gallium-Substituted ε-Iron Oxide Nanomagnets” Angewandte Chemie International Edition, 2007, 46, 8392–8395. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.200703010
3. A. Namai, S. Sakurai, M. Nakajima, T. Suemoto, K. Matsumoto, M. Goto, S. Sasaki, S. Ohkoshi „Synthesis of an Electromagnetic Wave Absorber for High-Speed Wireless Communication” Journal of the American Chemical Society, 2009, 131, 1170–1173. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja807943v
4. A. Namai, M. Yoshikiyo, K. Yamada, S. Sakurai, T. Goto, T. Yoshida, T. Miyazaki, M. Nakajima, T. Suemoto, H. Tokoro, S. Ohkoshi „Hard magnetic ferrite with a gigantic coercivity and high frequency millimetre wave rotation” Nature Communications, 2012, 3, 1035. https://www.nature.com/articles/ncomms2038
5. S. Ohkoshi, M. Yoshikiyo, A. Namai, K. Nakagawa, K. Chiba, R. Fujiwara, H. Tokoro „Cesium ion detection by terahertz light” Scientific Reports, 2017, 7, 8088. https://www.nature.com/articles/s41598-017-08551-4
6. T. Yoshida, K. Nakabayashi, H. Tokoro, M. Yoshikiyo, A. Namai, K. Imoto, K. Chiba, S. Ohkoshi „Extremely low-frequency phonon material and its temperature- and photo-induced switching effects” Chemical Science, 2020, 11, 8989–8998. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/sc/d0sc02605k
7. S. Ohkoshi, K. Shiraishi, K. Nakagawa, Y. Ikeda, O. Stefanczyk, H. Tokoro, A. Namai „Reversible photoswitchable ferromagnetic thin film based on a cyanido-bridged RbCuMo complex” Journal of Materials Chemistry C, 2021, 9, 3081–3087. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/tc/d1tc00583a
8. K. Kumar, O. Stefanczyk, K. Nakabayashi, Y. Mineo, S. Ohkoshi „Development of Nd (III)-Based Terahertz Absorbers Revealing Temperature Dependent Near-Infrared Luminescence” International Journal of Molecular Sciences, 2022, 23, 6051. https://www.mdpi.com/1422-0067/23/11/6051
9. G. Li, O. Stefanczyk, K. Kumar, Y. Mineo, K. Nakabayashi, S. Ohkoshi „Low-Frequency Sub-Terahertz Absorption in Hg^II−XCN−Fe^II (X=S, Se) Coordination Polymers” Angewandte Chemie International Edition, 2023, 62, e202214673. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202214673

Olaf Stefańczyk

Profil

Bio:

I was born in 1986 in Krakow, Poland. In 2014, I obtained a PhD degree in chemistry at the Jagiellonian University in Krakow under the supervision of prof. Barbara Sieklucka and co-supervisor prof. Corine Mathonière (University of Bordeaux I, France), and the European Doctorate in Molecular Magnetism (European Institute of Molecular Magnetism, Florence, Italy). For research conducted as part of my doctoral dissertation, I was awarded the Polish Prime Minister's Award for outstanding doctoral theses. After a postdoctoral stage in the group of Dr. Guillaume Chastanet at the Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux (ICMCB, France, Bordeaux), I obtained the position of project assistant professor at the University of Tokyo in Japan, in the Solid State Physical Chemistry laboratory headed by Prof. Shin-ichi Ohkoshi. In life, I strive for a deeper understanding of everything that surrounds us and answers to unasked questions. My interests are mainly related to work and popular science activities.