Dumni z bycia Polakami - przeczytaj nowe wydanie Kwartalnika Coopernicus!
Artykuł - zdjęcie główne
Niezwykłe właściwości materiałów dwuwymiarowych

Podczas swojego doktoratu Doktor Bartosz Szczefanowicz zgłębiał tajemnice materiałów dwuwymiarowych, badając m.in. specyficzne połączenie grafenu na węgliku krzemu. Jego odkrycia dotyczące tymczasowej transformacji grafenu w diament pod dużym naciskiem rzucają nowe światło na mechanizmy tarcia na poziomie nano. 

Nanonauka zajmuje się badaniem zjawisk fizycznych, chemicznych i biologicznych na poziomie nanoskali, czyli w skali jednej miliardowej metra. Na tym poziomie możliwe jest obserwowanie pojedynczych cząsteczek. W ramach swojego doktoratu, Doktor Szczefanowicz podjął się badań nad materiałami dwuwymiarowymi, które składają się z od jednej do kilku warstw molekularnych lub atomowych. Jego prace koncentrowały się na pomiarach tarcia, co w nanoskali nazywane jest nanotrybologią. Jest to dziedzina zajmująca się badaniem tarcia na poziomie cząsteczek i atomów, co pozwala na zrozumienie najbardziej podstawowych mechanizmów tarcia i identyfikację jego przyczyn.

Doktor Szczefanowicz od dawna był zainteresowany nanotechnologią, jak również tworzeniem urządzeń w nanoskali. Obecnie, w FAU Erlangen-Nürnberg, jako pracownik naukowy, zajmuje się cząsteczkami, które można grupować w celu magazynowania energii. Ta praca, oprócz badań podstawowych, koncentruje się również na praktycznych zastosowaniach. Będąc częścią nanotechnologii, zajmuje się metodami wdrażania osiągnięć nanonauki w praktyce.

Obiecujące wyniki badań

W przypadku materiałów dwuwymiarowych, badania nad tarciem koncentrują się na poszukiwaniu i projektowaniu powierzchni, które charakteryzują się minimalnym tarciem. Kluczowym aspektem jest kontrola utraty energii i zużycia materiału w nanoskali. Chociaż takie badania nie zawsze mają bezpośrednie przełożenie na większą skalę, to na poziomie nano i mikro mogą znacząco poprawić efektywność poruszania się elementów różnych struktur mikroskopowych. Te badania umożliwiają lepsze poznanie właściwości materiałów, które mogą być wykorzystane w nanotechnologii jako powłoki ścierne w nano- i mikroelementach mechanicznych w nowoczesnej elektronice.

Materiał, który staje się diamentem

Podczas swojego doktoratu, Doktor Szczefanowicz pracował nad specyficznym materiałem łączącym grafen z węglikiem krzemu. To właśnie na podstawie tych badań powstała jedna z publikacji Doktora Szczefanowicza: „Tworzenie przerywanych wiązań kowalencyjnych przy wysokim ciśnieniu kontaktowym ogranicza bardzo niskie tarcie na epitaksjalnym grafenie.” [1]

Unikalny materiał, który był przedmiotem badań Doktora Szczefanowicza, składający się z pojedynczej warstwy grafenu, ma niezwykłą właściwość – pod dużym naciskiem tymczasowo przekształca się w diament. Dzięki temu staje się twardszy i odporniejszy na uszkodzenia. Doktor Szczefanowicz, we współpracy pomiędzy grupami badawczymi w Saarbrücken i Freiburgu, badał jakie efekty to zjawisko wywiera na tarcie, analizując przyczyny i dokładny przebieg tego procesu. Badania ujawniły pewne ograniczenia tego systemu – choć materiał ten jest odporny na uszkodzenia, to przy zbyt dużym nacisku pojawia się dodatkowe tarcie, które prowadzi do uszkodzeń kontr powierzchni, w tym przypadku, tlenku krzemu.

Wyzwania w pracy naukowca

Mówiąc o największych wyzwaniach w swojej pracy, Doktor Szczefanowicz  wymienia  potrzebę organizacji czasu, tak aby znaleźć czas na wszystkie aspekty pracy badawczej: przegląd literatury, pisanie artykułów naukowych i przeprowadzanie eksperymentów.

Kolejnym trudem jest kwestia psychologiczna:

„Naszym najtrudniejszym przeciwnikiem jesteśmy my sami” – mówi Doktor Szczefanowicz. 

Wiele eksperymentów trzeba powtarzać, wyników nie osiąga się od razu, a więc ważna jest wytrwałość w prowadzonych badaniach. Są też rzeczy, których trzeba nauczyć się po raz pierwszy, ponieważ nawet dobre studia inżynierskie czy magisterskie, nie dają wszystkich umiejętności potrzebnych podczas doktoratu i późniejszej pracy naukowej.

Specjalistyczny sprzęt i międzynarodowe środowisko 

Na studia doktorskie oraz obecne badania postdoktorskie, Doktor Szczefanowicz wyjechał do Niemiec. Chciał wyjechać za granicę, aby zdobyć nowe doświadczenie i dalej rozwijać się naukowo. Mówi, że ważną motywacją do wyjazdu była też możliwość sprawnego wykonywania eksperymentów. W trakcie pisania swojej pracy magisterskiej i inżynierskiej, zauważył, że nie zawsze ilość czasu dana na wykonanie eksperymentu jest wystarczająca. Zdarzało się też, że do jednego urządzenia, potrzebnego do wykonania badań, przypisanych było wiele osób, przez co nieraz okres czekania na dostęp do specjalistycznego sprzętu się wydłużał. Do tego dochodzi też fakt, że niektóre eksperymenty są bardzo złożone, a czas potrzebny na ich przeprowadzenie to zazwyczaj wiele tygodni. W wypadku, gdy maszyna odmawia posłuszeństwa lub kończy się czas na przeprowadzanie badania, presja jest jeszcze większa. Doktor Szczefanowicz miał nadzieję na lepszy dostęp do zaawansowanego sprzętu za granicą, co okazało się prawdą podczas jego doktoratu.

Dzięki przeprowadzce za granicę, Doktor Szczefanowicz ma też okazję bezpośrednio współpracować z międzynarodowym środowiskiem akademickim. Oprócz dostępu do nowoczesnego sprzętu, rozwija też swoją sieć kontaktów. Szefowa zespołu badawczego, w FAU Erlangen-Nürnberg, pochodzi ze Szwajcarii, a wielu naukowców w zespole pochodzi z Indii, Chin i Australii. Również w INM-Leibniz Institute for New Materials, gdzie doktor Szczefanowicz robił swój doktorat, naukowcy pochodzą z przeróżnych krajów, a głównym językiem rozmów był angielski. 

Dziedzina, która może przynieść wiele odkryć

„Nanotechnologia rozwija się coraz szybciej, powstają nowe metody, nowe materiały. Jest jeszcze bardzo dużo do odkrycia, co może przynieść dużo dobrego” – ocenia Doktor Szczefanowicz.

Dodaje, że nanonauka i nanotechnologia to dziedziny interdyscyplinarne mieszające ze sobą fizykę, chemię i biologię. Nanonauka prowadzi do zrozumienia praw natury u podstaw, a nanotechnologia wykorzystuje tą wiedzę do rozwoju wielu dziedzin życia, m.in. medycyny, elektroniki, bądź energetyki.

[1] Szczefanowicz, B., Kuwahara, T., Filleter, T., Klemenz, A., Mayrhofer, L., Bennewitz, R., & Moseler, M. (2023). Formation of intermittent covalent bonds at high contact pressure limits superlow friction on epitaxial graphene. Physical Review Research, 5(1). https://doi.org/10.1103/physrevresearch.5.l012049

Barbara Niemczyk
Bio:
I graduated from a bachelor's degree in applied linguistics and a master's degree in journalism. I have done numerous internships and fellowships in the past years, including a translation traineeship at one of the EU Institutions and a journalistic fellowship at Deutsche Welle. I have a big passion for telling stories, talking with people and exchanging ideas. I am proactive and have excellent writing skills and ease at making new connections. I like to spend my free time sailing, hiking and practicing Ashtanga Yoga.
Dodaj komentarz