W Instytucie Technologii Elektronowej dowodzą, że nie tylko potrzeba jest matką wynalazków.

Wielkie małe rzeczy

Mariusz Karwowski

Według Einsteina źródłem wszelkich innowacji miała być… ignorancja. Gdy wszyscy wiedzą, że coś jest niemożliwe, wystarczy, by do tego grona dołączył ignorant, który tego nie wie i… wynalazek gotowy – twierdził autor teorii względności. W miejscu, w którym pracuje się nad sztucznym okiem, miniaturowymi implantami słuchowymi czy najmniejszym termometrem świata, podchodzą do sprawy nieco inaczej. Motorem postępu jest tu wiedza, dająca impuls ciekawości świata, a nade wszystko – chęci jego zmiany. Nie jest bowiem sztuką kupowanie gotowego produktu czy nawet technologii jego produkcji za granicą. Prawdziwe wyzwanie to wymyślenie i opracowanie, a może nawet sprzedanie tutaj, w Polsce, takiego rozwiązania, z którego będzie się korzystać. W ITE dowodzą, że jest to możliwe. To nie przypadek, że w programach europejskich wywalczyli aż 35 projektów. Pod tym względem należą do ścisłej krajowej czołówki. Zastępca dyrektora instytutu ds. naukowych, prof. Jerzy Kątcki, podkreśla, że to w głównej mierze wynik nowoczesnego sposobu zarządzania. Aby zwiększyć efektywność poszczególnych zakładów badawczych, wprowadzono ich samofinansowanie.

– Nie dość, że zarabiamy na swoją pensję, to jeszcze robimy coś ciekawego. W gruncie rzeczy nie lubimy pracować tylko dla siebie, szukamy więc tematów, które komuś kiedyś się przydadzą. Taka naukowa odmiana altruizmu – wyjawia „instytutową” filozofię pracy prof. Kątcki.

TERMOMETR W WERSJI NANO

I chociaż ta praca odbywa się na niemal muzealnej już linii technologicznej, potrafią tu stworzyć miniaturowe cudeńka. Tak małe, że trudno wziąć je w palce, a co dopiero – dojrzeć wszystkie w nich szczegóły. Aby zobaczyć końcówkę termometru mierzącego temperaturę wewnątrz układów scalonych, nawet sokole oko nie wystarczy.

– Całość ma około 10 milimetrów, z czego sama sonda, czyli mózg tego urządzenia, stanowi ułamek mikrometra, najważniejszy zaś element, a więc koniuszek, ma rozmiar kilkunastu nanometrów – mówi dr inż. Piotr Grabiec, pokazując najmniejszy termometr na świecie.

Rozmiary tego przyrządu to efekt postępującej w zawrotnym tempie miniaturyzacji. Przekroczenie bariery „makro” i wkroczenie do „nano” zwiększyło znaczenie zjawisk termicznych w układach. Pojawiła się konieczność mierzenia tego, co się tam dzieje przy ciągłym zmniejszaniu wymiarów. Specjalizujący się w mikrosystemach zespół dr. Grabca opracowuje właśnie taki termometr.

– Okazało się, że za pomocą technik litograficznych, osadzania metali czy dielektryków, można wytwarzać nie tylko układy scalone, ale szereg najprzeróżniejszych przyrządów o niewielkich rozmiarach, a przy tym łączących w sobie wiele funkcji. Ich wykorzystanie wykracza daleko poza sferę mikro− i nanoelektroniki.

Trudno znaleźć pomysł, którego w Instytucie Technologii Elektronowej nie dałoby się zrealizować. Choćby przyrząd do badania zarodków bydlęcych w celu określenia ich klasy. Wiadomo, że jeśli w drodze sztucznej inseminacji jałówka zostanie zapłodniona zarodkiem o złej klasie, wyda na świat słabe cielę. Stały monitoring zarodków będzie więc miał znaczenie ekonomiczne. Innym urządzeniem będzie można stwierdzić obecność w organizmie bakterii i ich toksyn. Jego działanie oparto na technice sprężystej mikrobelki, która – pod wpływem adsorpcji materiału biologicznego – wygina się bądź zmienia swoje właściwości fizyczne. Taki aparat stwarza możliwości wczesnego wykrywania, np. groźnej w ostatnim czasie sepsy.

Praca w clean roomie musi się odbywać w sterylnych warunkach CO ZA 10 LAT?

Koncepcje tych przyrządów powstały w trakcie ścisłej kooperacji ze środowiskiem uniwersyteckim. To swoisty ping−pong, w myśl zasady: rzućcie pomysł, a my stworzymy technologię. Młode, otwarte umysły cechuje niespotykana kreatywność.

– Studenci często mają ciekawe pomysły, ale już niekoniecznie możliwość ich realizacji. W tym celu powołuje się właśnie takie ośrodki, jak choćby nasz instytut, które stanowią punkt styku między przemysłem a uczelniami – wyjaśnia dr Grabiec.

Dlatego duże nadzieje wiążą w instytucie z finansowanym z Programu Operacyjnego Innowacyjna gospodarka projektem MNS−DIAG. Zaangażowanych weń jest 16 zespołów z całej Polski, z czego większość uczelnianych. Ich prace dostarczą chemii i diagnostyce biomedycznej przyrządów, o których do niedawna nikomu się nie śniło. Oprócz tych już wspomnianych powstanie też aparat badający rozkład ciśnienia w… bucie.

– W tym przypadku chodzi o to, że chory człowiek w specyficzny sposób stawia stopę. Nasz czujnik będzie mógł to kontrolować. Będziemy też pracować nad systemami typu Lab on Chip, czyli takimi laboratoriami na czipie. Wytwarza się tam odpowiednie kanaliki, a w nich – przeprowadza kontrolowaną reakcję. Potem, w odpowiednich warunkach, detektuje się elektrosygnały. Te mikrolaboratoria służyć będą wykrywaniu procesów chorobotwórczych – tłumaczy dr Piotr Grabiec.

– Trzeba pamiętać, że to nie będą gotowe produkty – włącza się do rozmowy prof. Jerzy Kątcki. – Trochę potrwa, zanim zobaczymy je w gabinetach lekarskich. Do nas należy jedynie opracowanie technologii, którą później ktoś będzie mógł wykorzystać do produkcji – dodaje.

Proste rozwiązania w erze społeczeństwa informacyjnego przestały już wystarczać. Urządzenia i ich komponenty muszą być coraz mniej energożerne, ale z drugiej strony – coraz bardziej wydajne. Co więcej, przyzwyczailiśmy się już, żeby ciągle używać czegoś lepszego. Wskutek tego żywot jakiegokolwiek produktu elektronicznego nie jest zbyt długi. Ludzie bowiem do końca nie wiedzą, czego tak naprawdę oczekują od elektroniki. Generalnie chcą mieć lepiej, ale jak to osiągnąć? Dlatego naukowcy wypracowują wizje nowych rzeczy, dzieląc się nimi ze społeczeństwem.

– Sfera powstawania innowacji leży po stronie nauki – potwierdza prof. Kątcki. – Dobrze obrazuje to platforma technologiczna ENIAC [European Nanoelectronics Initiative Advisory Council – MK], która gromadzi europejskie instytuty badawcze oraz przedstawicieli przemysłu elektronicznego. W jej radzie naukowej Polskę reprezentuje dr Grabiec. I ta rada opracowuje co dwa lata tzw. Strategiczny Program Badań [SRA, z ang. Strategic Research Agenda – MK]. Pokazuje on, jakie są podstawowe kierunki badań, nowości, trendy z punktu widzenia potrzeb społecznych.

– W zeszłym roku Komisja Europejska wypracowała np. pakiet ratowniczy przeciwko kryzysowi, w ramach którego przewiduje się m.in. realizację programu „zielony samochód”, czyli auta elektrycznego, zużywającego bardzo mało energii – przypomina dr Grabiec.

Takie analizy, plany tego, co będzie w przyszłości, powstają bardzo długo. W praktyce wygląda to tak, że co jakiś czas na rynek wchodzi nowy produkt, ale nie można zapominać, że jest to poprzedzone wieloletnimi badaniami. Średnia perspektywa wynosi około 10 lat.

– Jesteśmy więc w stanie z grubsza ocenić, co może być w ciągu tej dekady potrzebne w Europie – twierdzi dr Grabiec. – Nasz instytut uczestniczy w takich badaniach, ale są one jedynie pewnym fragmentem całego projektu i finalny produkt będzie wytworzony dopiero za jakiś czas. Jaki będzie w tym faktyczny udział instytutu, zależy w dużym stopniu od naszego potencjału – tłumaczy, zapraszając przy okazji do podwarszawskiego Piaseczna, gdzie mieści się prowadzony przez niego Zakład Technologii Mikrosystemów i Nanostruktur Krzemowych. Szesnaście z 35 zdobytych przez ITE projektów europejskich trafiło właśnie tutaj.

MUZEUM XXI WIEKU

Jak przekonują pracownicy, to jedyne takie miejsce w Polsce. Na 1200 metrach kwadratowych znajduje się linia technologiczna, pozwalająca na prowadzenie badań z zakresu mikroelektroniki i mikroinżynierii krzemowej aż do etapu prototypu i produkcji pilotowej. Zaraz po wejściu uderza sterylność tak dużej powierzchni. Tak zwane clean roomy, o klasie czystości od 10 do 100, są podobno najczystszymi pomieszczeniami w całym kraju. Przechodząc, mijamy część przeznaczoną do fotolitografii, następnie – do trawienia plazmowego, implantacji, utleniania i dyfuzji, na końcu korytarza – miejsce do osadzania metali. Sami pracownicy laboratorium przyszłości żartują sobie czasem, że z powodzeniem mogliby równocześnie pełnić rolę kustoszy tego… muzeum.

– Czy uwierzy pan, że ten sprzęt ma prawie trzydzieści lat? – pyta retorycznie dr Grabiec. – To paradoks, że z tymi wynalazkami wkraczamy głęboko w XXI wiek dzięki aparaturze, która była kupiona na początku lat 80. – pokazuje, jakby na przekór, detektor, który trzy lata temu wpisał się na stałe do annałów chemii. Przyrząd polskich naukowców przyczynił się bowiem do wykrycia nowego pierwiastka.

– Zamówiono u nas systemy detektorowe, służące do badań chromatograficznych w radiochemii. Były one później wykorzystane przez szwajcarskich i niemieckich naukowców w eksperymencie w Dubnej. Tam właśnie, dzięki nim, stwierdzono po raz pierwszy w historii istnienie pierwiastka o liczbie atomowej 112. Nadano mu łacińską nazwę ununbium.

Takich światowych sukcesów z Polakami w tle można wymienić wiele. No właśnie, w tle… W Instytucie Technologii Elektronowej po wielekroć muszą przełykać gorzką pigułkę, nie mogąc w pełni skonsumować wyników swoich prac na miejscu, w kraju. Kluczowym problemem wydaje się być właśnie przestarzała infrastruktura badawcza, która nie pozwala w dostatecznym stopniu na realizację opracowanych innowacji z niezawodnością i taką szybkością, jakiej oczekuje przemysł. A przecież nanoelektronika jest w tej chwili największą gałęzią gospodarki światowej. Jest przy tym megainterdyscyplinarna. W ITE pracują specjaliści z różnych dziedzin, niemniej pełne wykorzystanie potencjału tkwiącego w nanoelektronice wymaga współpracy z partnerami z innych instytucji. Każdy wnosi coś od siebie tworząc wspólny produkt, który w końcowej fazie trudno jednoznacznie określić jako chemiczny, fizyczny, biologiczny bądź inżynieryjny.

– Trzeba powiedzieć, że najwięcej ciekawych rzeczy tworzy się właśnie na styku różnych dziedzin – podkreśla dr Grabiec, dodając słów parę o swoim hobby. – Może trochę nietypowe, bo jest nim… integracja. Od integracji elementów poprzez integrację procesów, a na integracji ludzi i zespołów badawczych skończywszy – żartuje.

Owoce takiej integracji przynoszą dużo satysfakcji, a użytkownikom w znacznym stopniu poprawiają komfort życia. Tak jest choćby z biokompatybilnymi mikroelektrodami do implantów słuchu i wzroku. Wiązka miniaturowych elektrod, umieszczanych w ślimaku, stymuluje grupy włókien nerwu słuchowego. Z kolei w implantach siatkówkowych wszczepianych do gałki ocznej matryca elektrod stymulujących znajduje się bezpośrednio na siatkówce.

– W ramach projektu Healthy Aims, finansowanego przez Komisję Europejską, opracowaliśmy piezorezystywne czujniki krzemowe do pomiaru ciśnienia śródgałkowego oka, mikroelektrody do implantów siatkówkowych oraz dwa typy elektrod do implantów słuchu: pasywne – do implantów ślimakowych i krzemowe – do implantu nerwu słuchowego.

A i to nie wszystko. W ramach uruchomionego niedawno projektu TRIADE powstaną specjalne czujniki do helikopterów. Będą montowane na ich łopatach, dzięki czemu pilot otrzyma pełny obraz stanu naprężeń, drgań, temperatury, wilgotności powietrza. Dla poprawy bezpieczeństwa uczeni opracują też inteligentny czujnik samochodowy, który na bieżąco poinformuje kierowcę o niepokojących wibracjach i ich źródle – czy pochodzą z silnika, czy może są związane z nieprawidłowymi obrotami kół.

– Ten sam czujnik, oczywiście po modyfikacji, będziemy chcieli wykorzystać do mierzenia drgań w konstrukcji mostów. Zobaczymy dzięki temu, czy nie ma jakichś niepokojących naprężeń – zapowiada dr Grabiec.

Prof. Jerzy Kątcki dodaje, że nie samymi mikrosystemami Instytut Technologii Elektronowej stoi. Inne, równie istotne, obszary działalności to nanotechnologie fotoniczne czy nanotechnologie półprzewodników szerokoprzerwowych. Tu też osiągnięć jest niemało. A kto wie, może niebawem to właśnie w tworzonym obecnie w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna gospodarka Centrum Nanofotoniki stworzony zostanie pierwszy komputer optyczny? W końcu, jak podkreśla dr Grabiec, ograniczenia w możliwościach „nano” są tylko trzy: wiedza, pieniądze i wyobraźnia. A najtrudniej, zdaje się, okiełznać to ostatnie.