Mokslininkai ne šiaip sau taip atkakliai stengiasi pagerinti šviestukų našumą, praplėsti jų spektrą. Tokie miniatiūriniai, naujos kartos šviesos šaltiniai ne tik labai efektyviai šviečia. Tai jau pora dešimtmečių puikiai visiems žinoma. Tačiau šviestukų panaudojimo sritys nuolat auga. Pavyzdžiui, Lietuvos mokslininkai tokia šviesa valdo augalų augimą ir sugeba keisti jų formą, pagerinti skonio savybes. Štai kodėl vėl grįžtame prie šios iš pažiūros neišsemiamos temos.
„Šviestukų technologija atsirado maždaug 1995 metais, kai buvo išmokta pagaminti šviestukus iš nitridinių puslaidininkių. Gana greitai išmokta gaminti efektyvius mėlynus šviestukus. Jų pagrindu sukurti ir baltos spalvos šviesą skleidžiantys šviestuvai“, – sako VU Fizikos fakulteto Puslaidininkių fizikos katedros vedėjas prof. Gintautas Tamulaitis.
Valo vandenį
Didžiausia baltos spalvos šviestukų rinka, be abejo, yra bendrasis apšvietimas. Jie jau gana plačiai naudojami ir buityje. Vėliau buvo surastos naujos medžiagos, iš kurių gaminami mėlyną, o pastaruoju metu – ir ultravioletinę šviesą spinduliuojantys šaltiniai. Juos tobulina ir Vilniaus universiteto fizikai, puikiai suprasdami plačias šviestukų panaudojimo galimybes.
Ultravioletine šviesa valyti vandenį pradėta Niujorke dar 1916 metais. Tokia spinduliuotė efektyviai ardo kenksmingų mikroorganizmų DNR, taip juos sunaikindama.
„Pavyzdžiui, naudojant ultravioletinės spalvos šviestukus, galima aptikti kenksmingas medžiagas. Nors ir dabar galima jas aptikti, tenka vežtis laboratorijas. Šviestukas reikalauja mažai energijos ir todėl galima pagaminti portatyvinius prietaisus. UV šviestukai naudojami ir įvairių dangų, pavyzdžiui, dantų plombų kietinimui, pinigų tikrinimui ir pan. Kita sritis – dezinfekcija. Paviršių dezinfekcija medicinoje, maisto pramonėje, o didžiausia rinka yra vandens valymas“, – pasakoja G. Tamulaitis.
Tai didžiulė problema įvairiose šalyse, ypač trečiojo pasaulio. Daugiau kaip vienas milijardas žmonių Žemėje geria vandenį, kuris užterštas įvairiomis kenksmingomis medžiagomis. Apie 80 proc. ligų pasaulyje kyla dėl užteršto vandens. Šią globalią problemą dažniausiai bandoma spręsti chloruojant vandenį. Taip prieš daugiau kaip šimtą metų buvo įveiktos kai kurios sunkios ligos. Tačiau, be abejo, būtų kur kas geriau išsiversti be chloro, kuris ir dabar plačiai naudojamas. Ypač baseinuose.
Anot G. Tamulaičio, tą pačią funkciją, kaip ir chloras, atliktų ultravioletinė šviesa: „Tik ligi šiol nebuvo efektyvių tokios spinduliuotės šaltinių. Pavyzdžiui, pernai netoli Niujorko atidaryta vandenvietė, kur valoma UV spinduliuote. Tai didžiulis įrenginys, aprūpinantis Niujorką 90 proc. geriamo vandens toje vandenvietėje“.
Ultravioletine šviesa valyti vandenį pradėta Niujorke dar 1916 metais. Tokia spinduliuotė efektyviai ardo kenksmingų mikroorganizmų DNR, taip juos sunaikindama. Tačiau tam įprastai naudojamos gyvsidabrio lempos. O jos didelės, greitai dūžta ir yra nuodingos. Šviestukai pranašesni visais atžvilgiais, o ypač tuo, kad yra šimtus kartų mažesni. Jie naudoja mažai energijos ir todėl juos patogu naudoti. Kaip tai vyksta?
„Vanduo prateka pro specialią matricą su ultravioletinės spalvos šviestukais. Kariškiai irgi domisi tokia technologija. Dabar jie turi vežtis valymo įrenginius su gyvsidabrio lempomis. O naudojant šviestukus, kiekvienas kareivis savo puoduke gali turėti tokį šviesos šaltinį. Pakaktų, įjungus tokį šviestuką, pusę minutės pašviesti ir vanduo nukenksminamas. Nereikia jo kaupti specialiai“, – teigia VU Fizikos fakulteto Puslaidininkių fizikos katedros vedėjas.
Šiuo metu kariškiai ne tik Jungtinėse Valstijose vandeniui valyti naudoja specialias tabletes. Įmetus tokią tabletę į kelis litrus vandens, reikia laukti keletą valandų. Be to, tai gerokai sugadina vandens skonį. Kai kam nuo taip apdoroto vandens susuka vidurius, ima skaudėti galvą. Ultravioletinės spalvos šviestukai išspręstų šias bėdas.
Gali pagelbėti kariams
Tačiau yra dar viena – gana netikėta – tokių UV šviestukų taikymo sritis. Ultravioletinę spinduliuotę, kaip žinia, labai efektyviai sugeria Žemės atmosfera. Arti žemės paviršiaus UV spindulių fonas labai nedidelis. Todėl mes galime degintis saulėje, jeigu laikomės saiko ir tam tikrų saugumo reikalavimų. Šia savybe nusprendė pasinaudoti kariškiai.
„Įsivaizduokite grupę karių, kurie turi ryšio aparatus, spinduliuojančius UV spinduliuotę. Ji gali perduoti informaciją kaip įprastinis radijo siųstuvas. Ta spinduliuotė efektyviai sugeriama atmosferoje, toli nenusklinda. Bet pakankamai toli, kad operacijoje dalyvaujantys kiti kariai galėtų tuo ryšiu naudotis. Už kelių šimtų metrų esantį priešą pasieks silpnas signalas, kurio jis negalės priimti“, – pasakoja G. Tamulaitis.
Tokios sistemos jau yra kuriamos. Prieš maždaug penkerius metus buvo pradėta Jungtinių Valstijų kariškių mokslinių tyrimų programa, kuri sėkmingai vykdoma. Tiesa, dėl suprantamų priežasčių nėra patikimų žinių, ar tokia ryšio sistema jau sukurta ir veikia.
Nors VU fizikai ne vieną dešimtmetį tyrinėja nitridinius puslaidininkius, iš kurių gaminami šviestukai, jie dar negali išspręsti nemenkų fizikinių problemų, kurios mažina šių itin perspektyvių ir universalių šviesos šaltinių našumą.
„Tai įdomus šviesos šaltinis, nes nėra fizikinių priežasčių, dėl kurių negalima jų našumo padidinti iki 100 proc. Tačiau dar reikia išsiaiškinti, dėl kokių technologinių priežasčių jų našumas mažesnis. Tuo mes ir užsiimame, bendradarbiaudami su amerikiečiais“, – sako mokslininkas.
Fizikai įvardija, jog viena iš priežasčių – nesutapimas gardelės konstantų tarp skirtingų sluoksnių, kurie sudaro aktyviąją šviestuvų dalį. Iš tokių nanometrinio storio sluoksnių formuojami kvantiniai lakštai. Bet tai skirtingos medžiagos, todėl skiriasi atstumai tarp atomų. O tai blogai, nes atsiranda defektai.
„Mes šiame projekte bandome įterpti į tą medžiagą borą ir geriau suderinti gardelės konstantas, gauti didesnį našumą. Jis mums tinka pagal konstantą, sudaro mišrius junginius. Bandom iš to junginio užauginti homogenišką sluoksnį“, – teigia G. Tamulaitis.
Atlikdami tyrimus, mokslininkai, kaip įprasta, kuria modelius ir mėgina įsivaizduoti, kokie procesai vyksta daugiasluoksnėje medžiagoje, nuo ko priklauso puslaidininkių našumas, o po to, pasak G. Tamulaičio, bando juos pasigaminti: „Anksčiau atsiveždavome mėginius ir juos tyrinėdavome, o dabar patys galime juos užsiauginti. Pavyzdžiui, įterpti borą bando labai nedaug laboratorijų pasaulyje, mes tikimės, kad pavyks. Gerai, kad galim tą padaryti universitete, kad yra grįžtamasis ryšys. Mes pamatuojame, randame ypatumus ir galime optimizuoti sukurtą technologiją“.
Ši sritis – tai mokslų sandūra tarp elektronikos ir optoelektronikos. XX amžiuje, atsiradus tranzistoriams, gimė elektronika ir prasidėjo puslaidininkių aukso amžius. Dabar tai jau kasdienybė, gerai įsisavinta technologija. Ją keičianti optoelektronika – sritis, kuri dabar itin sparčiai vystosi. Ir ypač svarbu, kad vystosi Lietuvoje.
Elektroniką pakeis spintronika?
Tad kaip dabar atrodo XXI a. elektronika? Kokios jos kryptys pačios svarbiausios?
„Viena iš tokių krypčių – tranzistorių mažinimas. Jau dabar kompiuterių luste yra milijardai tranzistorių. Jau beveik pasiektos fizikinės miniatiūrizavimo ribos. Kol kas vis tobuliname ir padarome geresnius procesorius. Bet greit reikės naujų fizikinių sprendimų. Ar tai bus vienmolekulinis tranzistorius, ar optinis tranzistorius, ar tranzistorius, paremtas spintroninėmis sistemomis, sužinosime“, – teigia G. Tamulaitis.
Jau dabar žinoma, kad didieji „Google“ ir kitų kompanijų duomenų centrai, naudojantys puslaidininkinių tranzistorių technologijas, sunaudoja 2 proc. viso pasaulio energijos.
Vis drąsiau kalbama, kad elektroniką pakeis spintronika. Išmokus naudotis elektrono sukiniu, pavyktų gerokai pagreitinti skaičiavimo procesus. Tokie tranzistoriai būtų efektyvesni, naudotų mažiau energijos. Jau dabar žinoma, kad didieji „Google“ ir kitų kompanijų duomenų centrai, naudojantys puslaidininkinių tranzistorių technologijas, sunaudoja 2 proc. viso pasaulio energijos. Ir didžioji jos dalis prarandama šilumos pavidalu.
Kita sritis, anot G. Tamulaičio, optoelektronika: „Mes vis dažniau naudojame šviesą informacijai perdirbti ir apdoroti. Su šviesa daug dirbame, bet dabar galime tuos šviesos šaltinius padaryti kompaktiškus, patogius. Daugelį tų funkcijų, kurias anksčiau atliko elektronika, paremta elektros srovės tekėjimu, dabar atlieka optoelektroninės sistemos“.
Kvantinis kompiuteris anksčiau diagnozuotų vėžį
Pastaruoju metu netgi žurnale „Time“ rašoma apie kvantinio kompiuterio kūrimą. Pavykus tą padaryti, tai būtų iš tiesų kvantinis šuolis elektronikoje tiesiogine ir perkeltine prasme. Viena iš daugelio neišspręstų problemų – iš kokių medžiagų gaminti kvantinius procesorius. Iš jonų, įkalintų elektros laukuose, atomų optinėse gardelėse ar iš deimantų, papildytų azoto atomais.
Kvantiniai kompiuteriai sugebėtų išanalizuoti milžiniškus teleskopais gautų duomenų kiekius, ieškant Žemės tipo planetų, padidinti šalių bendrąjį vidaus produktą, naudojant itin tiksliai kiekvienam asmeniui parinktą reklamą, anksčiau diagnozuoti vėžį, naudojant sudėtingus kompiuterinius modelius, ar netgi išmokyti automobilius judėti autonomiškai.
„Jeigu kalbame apie naujo tipo elementus, atliekančius tranzistoriaus funkcijas, kvantinis kompiuteris ir būtų tas pakaitalas tradiciniam kompiuteriui, kur naudojami kiti skaičiavimų principai. Bet reikalingi elementai, atliekantys pagrindines funkcijas. Su kvantiniu kompiuteriu siejasi ir informacijos užkodavimas, dėl ko nematome tų tyrimų rezultatų, aprašytų atviroje spaudoje. Tai yra strateginiai klausimai“, – sako G. Tamulaitis.
Na, o kol kas G. Tamulaičio vadovaujami fizikai vykdo Europos Sąjungos struktūrinių fondų finansuojamą projektą, pavadintą „Šviesos emisijos nitridiniuose puslaidininkiuose stiprinimas, įterpiant borą, gerinantį gardelių suderinamumą“.
„Mūsų pirmasis tikslas – padidinti UV šviestukų našumą. Ne tiek šviestuko, kiek to puslaidininkinio darinio, iš kurio jie gaminami. Mes tą našumą tyrinėjame, žadindami sukurtą darinį optiniais metodais. Sužadiname lazeriu ir įvertiname jo našumą. Galutinis tikslas – pasigaminti tikrą šviestuką“, – teigia mokslininkas.
Lietuvos fizikai jau mano turintys visumą technologijų, kurios leistų pagaminti efektyviai veikiančius ultravioletinės spalvos šviestukus.
