Chińscy naukowcy współpracują z fizykami z WAT w Warszawie. Gra o tani detektor energii
Detektor, który w temperaturze pokojowej rejestruje energię od bliskiej podczerwieni – aż po promieniowanie cieplne, powstał w chińskich laboratoriach naukowych. W odkryciu brali udział fizycy z WAT w Warszawie. Kluczowy jest nietypowy materiał Nb3I8, kryształ grubości kilku atomów o wyjątkowych własnościach kwantowych.
Badacze próbowali odtworzyć podwójny zmysł w jednym, płaskim detektorze
.Kamery termowizyjne kojarzą się z wojskiem, ratownictwem, budownictwem i instalacjami przemysłowymi. Większość czułych detektorów podczerwieni trzeba chłodzić do bardzo niskich temperatur, a w dodatku są delikatne i kosztowne, co utrudnia montowanie ich w urządzeniach codziennego użytku. Tymczasem dzięki rozwojowi techniki specjaliści widzą coraz więcej teoretycznych możliwości zastosowań, w różnych sferach życia – od dronów szukających ludzi po katastrofie, przez czujniki wycieków gazu, po inteligentne systemy oszczędzania energii w domu.
To właśnie ten problem postawili przed sobą autorzy pracy opublikowanej w Nature Communications. Zadali dobie pytanie, czy da się zbudować niewielki, tani detektor, który działa w temperaturze pokojowej i obejmuje bardzo szeroki zakres podczerwieni, od krótszych fal używanych w łączności i światłowodach, aż po długie fale, w których „świeci” rozgrzane ciało człowieka czy wyciekający gaz.
Dzisiejsze rozwiązania mają wiele ograniczeń. Klasyczne materiały półprzewodnikowe, jak HgCdTe czy InSb, są skuteczne w wykrywaniu podczerwieni, ale wymagają skomplikowanego wzrostu kryształów i mocnego chłodzenia. Z kolei typowe kamery termiczne oparte na bolometrach, czyli elementach mierzących zmianę temperatury, są stosunkowo powolne i potrzebują skomplikowanych mostków termicznych, które izolują piksel od otoczenia. Gdy próbujemy miniaturyzować takie układy, każdy defekt staje się problemem.
Naukowcy z Chin, we współpracy z zespołem fizyków technicznych z Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie, zaproponowali wykorzystanie tzw. materiału kwantowego o płaskich pasmach energetycznych. Wybrali kryształ jodku niobu Nb3I8. To substancja warstwowa. Można ją uformować w płytkę grubości zaledwie kilku atomów. W jej wnętrzu elektrony poruszają się w specyficznej, bardzo złożonej sieci (tzw. kratka kagome). To prowadzi do szczególnych efektów kwantowych, m.in. płaskich pasm energetycznych, które sprawiają, że dla pewnych energii elektrony mają do dyspozycji mnóstwo stanów, ale poruszają się bardzo powoli. Mówimy, że pasmo jest płaskie. Z punktu widzenia detektora to idealna sytuacja, gdyż materiał bardzo chętnie pochłania światło, a energia nie ucieka zbyt szybko.
Inspiracją do badań była… ćma. Te nocne owady mają oczy czułe na światło i czułki wrażliwe na ciepło. Za dnia widzą zwykły obraz, a w nocy wyczuwają promieniowanie cieplne otoczenia.
Badacze próbowali odtworzyć ten podwójny zmysł w jednym, płaskim detektorze. Przeprowadzili szczegółowe obliczenia kwantowe (DFT), które pokazały, że istotnie badany materiał ma płaskie pasma dla elektronów, ale podobny efekt tworzy także dla drgań sieci krystalicznej, czyli tzw. fononów. Mówiąc prościej, materiał dobrze łapie cząstki promieniowania podczerwonego, czyli fotony, a jednocześnie słabo przewodzi ciepło, więc energia cieplna zostaje tam, gdzie została pochłonięta. W zakresie krótkiej podczerwieni urządzenie działa jak zwykły fotodetektor – wykorzystuje elektrony w płaskich pasmach. Przy dłuższych falach przechodzi w tryb bolometryczny – wyczuwa drobne zmiany temperatury i oporu elektrycznego materiału.
Naukowcy z WAT zbudowali też demonstratory
.Eksperyment pokazał, że taki jednoelementowy detektor potrafi reagować na promieniowanie cieplne od około 2,5 do 20 mikrometrów długości fali. Jest to zakres obejmujący zarówno techniczne zastosowania (np. komunikacja w światłowodach), jak i typowy zakres kamer termowizyjnych. Co ważne, działa w temperaturze pokojowej, bez kriostatu i ciekłego azotu. Dla inżynierów oznacza to szansę na mniejsze, tańsze i mniej energochłonne moduły.
Naukowcy zbudowali też proste demonstratory. Ten sam detektor posłużył do aktywnego obrazowania przedmiotu oświetlonego lampą, podobnie do zwykłej kamery, oraz do pasywnego obrazowania rozgrzanej spirali czy grotu lutownicy „świecących” jedynie swoim ciepłem. Udało się też zarejestrować słabe promieniowanie cieplne ludzkiej dłoni oraz zbudować wersję elastyczną, którą można przykleić do skóry i używać jako naklejany termometr lub czujnik alarmowy zbliżającego się gorącego obiektu. W osobnych testach urządzenie sprawdziło się także w detekcji gazów metodą podczerwieni.
Na razie jest mowa jedynie o badaniach na poziomie pojedynczego detektora, a nie gotowej matrycy milionów pikseli. Trzeba jeszcze opracować produkcję, integrację z elektroniką i optyką oraz sprawdzić trwałość materiału w realnych warunkach. Jeśli jednak tę technologię uda się przenieść z laboratorium do fabryki – można się będzie spodziewać tańszych i bardziej dostępnych kamer termowizyjnych w samochodach, smartfonach, systemach smart home. Miniaturowe, energooszczędne detektory podczerwieni są kluczowe m.in. dla autonomicznych aut (widzenie w nocy i we mgle), dronów inspekcyjnych, kontroli wycieków metanu czy monitoringu zużycia energii w budynkach.
Bezpieczeństwo technologiczne. Wyzwania dla Polski w trzeciej dekadzie XXI wieku
.W styczniu 2020 roku prof. Michał Kleiber napisał, że „bez wysokich kompetencji naukowo-technologicznych państwo nigdy nie będzie bezpieczne”. Po pięciu trudnych latach, po pandemii, kolejnych wojnach i kryzysach, państwo polskie nadal potrzebuje wzmocnienia bezpieczeństwa technologicznego – pisze Tomasz PAWŁUSZKO.
Tradycyjnie temat bezpieczeństwa państwa związany był z przetrwaniem i kojarzony z kwestiami militarnymi. Kryzysy naftowe, bieda, głód i dekolonizacja lat 70. XX wieku wpłynęły na zmianę tego podejścia. Dał im wyraz Barry Buzan, publikując w 1983 roku słynną książkę People, States, and Fear. Zaproponował w niej popularną dziś koncepcję „sektorów bezpieczeństwa”, czyli uzupełnienie badań nad bezpieczeństwem politycznym i militarnym o zagadnienia ekonomii, socjologii i ekologii. Podział ten pozostał aktualny aż do dziś. Większość analityki bezpieczeństwa funkcjonowała dotąd wedle dość jednolitego wzoru: (1) wskazanie zagrożeń, (2) opisanie kryzysu, (3) omówienie regulacji i (4) propozycje nowych rozwiązań. W badaniach bezpieczeństwa dominowała perspektywa potrzeb państwa. Nie było w tym niczego dziwnego, to wszakże państwo miało zapewniać wspomniane wyżej „przetrwanie”. Coś się jednak zmieniło.
Pięć lat temu prof. Michał Kleiber pisał o potrzebie „uwzględnienia rozwoju nauki na wszystkich poziomach polityki bezpieczeństwa” [LINK]. Wynikają z tego przynajmniej dwa wnioski. Po pierwsze, po kwestiach militarnych i gospodarczych to technologia staje się kluczową zmienną w analizie. Po drugie, państwo musi być aktywne na wszystkich poziomach refleksji. Technologia jest bowiem globalna, ale jej popularyzacja ma często charakter transnarodowy i oddolny. Czasy monopoli i wyłącznych licencji przeminęły. Nowe technologie pojawiają się w firmach, promują się w globalnej cyberprzestrzeni, interesują się nimi prywatne oraz państwowe agencje wywiadowcze i wojskowe, a o ich popularności decydują nawyki konsumenckie klientów na całym świecie. Żadne z państw nie jest w stanie kontrolować w pojedynkę rynków technologii.
Problem bezpieczeństwa w uproszczeniu polega na tym, co/kto, gdzie, komu, kiedy i jak zapewnia przetrwanie i zaspokajanie innych współczesnych potrzeb (dobrobyt, rozwój etc.). Bezpieczeństwo jest stanem, w którym określone instytucje to umożliwiają. Dokonują tego w ramach procesu, który potocznie moglibyśmy nazwać „zabezpieczaniem”. Chodzi o zestaw działań, które pozwalają nam odpowiedzieć na powyższe pytania (kto, gdzie, kiedy, jak…). Drugim elementem równania są zagrożenia. Aby im zapobiegać, państwa muszą je najpierw (1) dostrzec, (2) zrozumieć, a następnie (3) zaprojektować procesy prowadzące do stanu bezpieczeństwa.
Współczesne zagrożenia wynikają głównie z postępującej utraty kontroli państw nad procesami zapewniania bezpieczeństwa. Spójrzmy na kilka przykładów, wykorzystując wspomniane sektory bezpieczeństwa Buzana. W sektorze bezpieczeństwa militarnego: państwa UE zbroją się, ale nadal potrzebują amerykańskich technologii militarnych. W sektorze bezpieczeństwa politycznego: populiści różnego typu podminowują ustroje wielu państw. W sektorze bezpieczeństwa ekonomicznego: nie kontrolujemy łańcuchów dostaw, rynku półprzewodników, chipów ani źródeł energii. W sektorze bezpieczeństwa społecznego: nie wiemy, jak sztuczna inteligencja wpłynie na bezrobocie i rynek pracy. W sektorze ekologicznym: nie kontrolujemy zmian klimatu. Wszystkie wskazane problemy mają wymiar technologiczny. Potrzebujemy instytucji, które zapewnią nam rozpoznanie, pozyskanie i zastosowanie nowych technologii do zażegnania obecnych i przyszłych kryzysów bezpieczeństwa.
Tekst dostępny na łamach Wszystko co Najważniejsze: https://wszystkoconajwazniejsze.pl/tomasz-pawluszko-bezpieczenstwo-technologiczne-wyzwania-dla-polski-w-trzeciej-dekadzie-xxi-wieku/
