Tegoroczni laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki to Isamu Akasaki i Hiroshi Amano z Uniwersytetu Nagoya w Japonii oraz Shuji Nakamura z Uniwersytetu Santa Barbara w Kalifornii. Szwedzka Akademia Nauk w uzasadnieniu napisała, że Nagrodę przyznano im za wynalezienie diod emitujących niebieskie światło o wysokiej wydajności, co utorowało drogę do jasnych i oszczędnych źródeł światła białego, czyli - mówiąc prościej - żarówek (ale nie tylko).

CZYTAJ WIĘCEJ O NOBLU DLA JAPOŃCZYKÓW >>>

Badania, za które Japończycy otrzymali Nagrodę Nobla, miały miejsce pod koniec lat 80. ubiegłego wieku (Nakamura pracował wtedy dla niewielkiej, japońskiej firmy Nichia, dzisiaj wielkiego koncernu). Starali się oni wtedy zmusić do emisji niebieskiego światła cienkie warstwy azotku galu - związku, którego naukowcy nie potrafili wtedy jeszcze otrzymywać na masową skalę. I faktycznie im się to udało. W tym miejscu jednak w tle japońskiego sukcesu pojawia się wątek polski, ponieważ tak się składa, że obecnie w otrzymywaniu kryształów w jakości, o której Japończycy mogą wciąż pomarzyć, najlepsi są Polacy. Innymi słowy: coś, co Japończycy zmusili do świecenia na niebiesko, w najlepszej jakości produkuje się w Polsce.

Koledzy od azotku galu

Polacy są dziś światową potęgą, jeśli idzie o półprzewodniki azotkowe. Nasze prace w tym zakresie są jednymi z najbardziej cytowanych prac polskich naukowców. Polscy badacze są w stanie otrzymywać największe i najlepsze kryształy azotku galu na świecie. Miałoby to kolosalne znaczenie, jeśli miałoby dojść do komercjalizacji urządzeń opartych o te kryształy. Każdy defekt w strukturze kryształu powoduje bowiem osłabienie własności budowanego na nim przyrządu. Biorąc pod uwagę, że polska nauka nie jest uważana za najbardziej zaawansowaną na świecie, jak to się stało, że akurat w przypadku dość egzotycznych i szerzej nieznanych kryształów udało nam się osiągnąć poziom, w którym to my wyznaczamy standard absolutnej, światowej czołówki? I czy w związku z tym mogliśmy marzyć o tym, by ten Nobel przypadł polskim naukowcom?

Wszystko zaczęło się tuż po wojnie, kiedy do Polski wrócił prof. Leonard Sosnowski. Ten młody fizyk doktorat napisał w warunkach okupacji i obronił go w 1944 r. Później walczył w Powstaniu Warszawskim, po czym trafił do obozu jenieckiego, a stamtąd do Wielkiej Brytanii. Przez jakiś czas pracował tam dla wydziału naukowego marynarki wojennej. To tam zainteresował się fizyką półprzewodników (czyli materiałów niemetalicznych, które jednak mogą przewodzić prąd, tj. najpopularniejszy obecnie krzem) i rozwijał tę dziedzinę po powrocie do Polski w 1947 r. Prof. Sosnowski wychował całą grupę światowej klasy profesorów zajmujących się półprzewodnikami. Wśród nich był prof. Sylwester Porowski.

Prof. Porowski miał to szczęście, że w latach 60. wyjechał na staż podoktorancki na Uniwersytet Harvardzkim. Tam zetknął się z badaniami w zakresie fizyki wysokich ciśnień, które prowadził William Paul, uczeń laureata Nagrody Nobla Percy’ego Williama Bridgmana (Amerykanin otrzymał z rąk Szwedzkiej Akademii Nauk nagrodę właśnie za badania w obszarze fizyki wysokich ciśnień). I tak jak Sosnowski kilkanaście lat przed nim, tak i Porowski wrócił do kraju z silnym postanowieniem, że zajmie się podpatrzoną na Zachodzie dziedziną na krajowym gruncie.

Okazja nadarzyła się wyborna w 1972 r., kiedy prof. Porowski odszedł z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, aby współtworzyć Instytut Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk. Młody uczony nie zapomniał jednak o tym, że wywodził się ze szkoły prof. Sosnowskiego, pasjonata półprzewodników i zaczął badać własności różnych związków pod wpływem ekstremalnego ciśnienia. Na marginesie warto dodać, że prof. Porowski nie był kimś, kogo środowisko uznawało za „czystego” fizyka; inni przedstawiciele tej dziedziny byli podówczas przekonani, że fizyka nie ima się problemów praktycznych. Natomiast prof. Porowski uparcie starał się aplikować fizyczne teorie do takich problemów. W ten sposób na przykład - i jest to kolejny mało znany fakt - istniejąca do dzisiaj firma Cynel wytwarza drut do lutowania zgodnie z patentem prof. Porowskiego i jego współpracowników z tamtych lat.

Azotek krystalizuje się polsku

Polscy naukowcy wiedzieli już podówczas o takim związku jak azotek galu. W latach 70. była to jednak jeszcze pełna egzotyka, chociaż uczeni na całym świecie podejrzewali, że może być to kandydat na otrzymanie diody emitującej niebieskie światło. A był brakujący element w układance - do czerwonego i zielonego światła należało dodać właśnie niebieskie, by otrzymać światło białe.

Pierwsze niebieskie diody zademonstrowali pod koniec lat 70. Amerykanie, ale były to wynalazki mocno niedoskonałe. - Panowała podówczas zgoda wśród naukowców co do tego, że azotki są związkami zbyt mało zbadanymi, aby móc sensownie o nich myśleć jako o podstawie do tworzenia w przyszłości diod na komercyjną skalę - mówi dr Boćkowski. - Najlepszym dowodem niech będzie fakt, przypomniany niedawno przez Nakamurę podczas tegorocznej wizyty w Polsce na poświęconej azotkom konferencji IWN 2014: że jeszcze na początku lat 90. na podobnej konferencji w Japonii okazało się, że pomimo japońskiego sukcesu z diodami - tego, za którego naukowcy z Kraju Kwitnącej Wiśni otrzymali teraz Nobla - na 500 uczestników azotkami zajmowało się może 10. Wszyscy stawiali wówczas na selenek cynku - tłumaczy naukowiec.

Pomimo tego sceptycyzmu, polska przygoda z azotkami zaczęła się na początku lat 80., poniekąd przypadkiem. Doktoryzował się wtedy w Unipressie Janusz Karpiński (dzisiaj znany specjalista od nadprzewodników wysokotemperaturowych i pracownik renomowanej politechniki w Zurychu). Otrzymał od swojego promotora zadanie: wyznaczenia tzw. krzywej równowagi azotku galu (wyznaczenie temperatury i ciśnienia azotu, w których azotek galu się krystalizuje). Instytut był już wtedy wyposażony w komory wysokociśnieniowe, wewnątrz których osiągano ciśnienia o wartości 20 tys. razy większej niż atmosferyczne. Karpiński krzywą równowagi wyznaczył i praca ta, datowana na 1984 r., należy do grona najbardziej cytowanych polskich prac o azotku galu.

Następnie w grupie naukowców skupionych wokół prof. Porowskiego pojawiła się młoda doktorantka Izabella Grzegory. Znając wyniki dr. Karpińskiego, zaczęła się zastanawiać nad wprowadzeniem ich w życie. Pomimo daleko idącego sceptycyzmu kolegów (nikomu jeszcze nie udało się tego zrobić na duża skalę) młodej doktorantce udało się w 1988 r. uzyskać malutkie, zaledwie milimetrowe kryształy. Japończycy swoje cienkie warstwy azotku galu uzyskali na podłożu z szafiru (szafir zadziałał tu trochę jak żyzna gleba). Polakom udało uzyskać monokryształy bez pomocy żadnych obcych podłoży.

Polacy hodują, ale Japończycy świecą

Czy to oznacza, że tegorocznego Nobla z fizyki mogli dostać Polacy? - Polskie i japońskie badania pod koniec lat 80. poświęcone były różnym zagadnieniom - wyjaśnia dr Michał Boćkowski z Instytutu Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk (Unipress), współzałożyciel firmy TopGaN zajmującej się produkcją kryształów azotku galu i produkcji opartych na nim laserów, a prywatnie kolega tegorocznych noblistów (znają się z konferencji poświęconych azotkowi galu). W Unipressie ustalano, jakie cechy fizyczne ma ten związek. Japończycy skoncentrowani natomiast byli na badaniach praktycznych - ich już wtedy interesowało, co należy zrobić, aby azotek galu zaczął świecić niebieskim światłem, czyli jak zrobić z niego diodę.

Kiedy po wprowadzeniu do azotku galu odpowiednich domieszek udało się im zmusić związek do świecenia na niebiesko, rzucili mnóstwo sił na front rozwoju badań i technologii związanych z azotkami, z którym świat naukowy nie wiązał dotychczas wielkich nadziei (wspomniany już selenek cynku ostatecznie został porzucony, gdyż okazał się być termodynamicznie niestabilny). Swoją szansę dostrzegli także Polacy - szansę na udział w rodzącej się gospodarce opartej na azotkach.

Podstawowe dwa elementy takiej gospodarki to umiejętność wytworzenia związku chemicznego, w tym monokryształu azotku galu i umiejętność jego dalszej obróbki. W połowie lat 90. prof. Porowski podjął więc decyzję o tym, by wyposażyć Unipress w urządzenia do epitaksji, tzn. w urządzenia do nakładania cieniutkich warstw azotków na kryształy. Półprzewodniki bowiem, zanim zaczną pełnić przydatne dla nas funkcje, muszą zostać poddane obróbce, polegającej często na nałożeniu na cieniutkich (o grubości tysięcznej części włosa) warstw innych związków (tak robione są procesory, które - choć oparte na krzemie - wymagają wieloetapowej obróbki, zanim zaczną służyć w komputerze). Było to możliwe dzięki zniesieniu amerykańskiego embarga, które po stanie wojennym obejmowało m.in. Polskę, a które zakazywało eksportu wysokich technologii do krajów bloku wschodniego.

W związku z czym Polacy zaczęli uczyć się tego, co było potrzebne do wytworzenia diod - czyli między innymi metod epitaksji - dopiero pod koniec lat 90., czyli długo po tym, jak Japończykom udało się osiągnąć przełom, za który ostatecznie zostali wynagrodzeni Noblem.

Efektem polskich starań było zademonstrowanie w 2001 r. przez polskich naukowców rodzimego, niebieskiego lasera. - Co nie zmienia faktu, że technologicznie plasujemy się sześć lat za Japończykami - mówi dr Boćkowski. Naukowcy z kraju Kwitnącej Wiśni są w stanie np. zbudować laser świecący na zielono, czyli coś, czego na razie polskim naukowcom nie jest dane. Jesteśmy więc w tyle "w obróbce".

Sny o potędze za 100 milionów

Wyprzedziliśmy za to Japończyków, jeśli idzie o technologię produkcji dużej ilości doskonałych jakościowo kryształów azotku galu. Stało się tak w wyniku połączenia dwóch metod produkcji. Za jedną z nich stoi dr. Robert Dwiliński, który po krótkim okresie pracy w Unipressie, doktoryzował się na Wydziale Fizyki Uniwersytetu warszawskiego w połowie lat 90., a następnie odszedł, aby założyć prywatną firmę, która miała komercjalizować efekty jego badań (sporo zainwestowała w niego japońska Nichia, w której kiedyś pracował Nakamura). Kryształy firmy Ammono są świetne, ale przedsiębiorstwo napotkało poważne problemy z szybkim rozwojem produkcji. Z pomocą przyszły metody rozwijane w Unipressie, gdzie pracuje dr Boćkowski - jeśli traktuje się kryształy z Ammono jako substraty, to Instytut jest w stanie je szybko multiplikować, nadal utrzymując ich doskonałą jakość.

Jak mówi dr Boćkowski, szkoda byłoby tego olbrzymiego potencjału (w Polsce azotkami zajmuje się ok. 200 osób) zmarnować. - Powinniśmy śmiało zainwestować w linie technologiczne, które pozwoliłyby na wytwarzanie produktów (lasery, tranzystory) opartych o kryształy azotku galu. Niestety, potrzebnych na to jest 100-150 mln zł - wzdycha naukowiec. Stać nas w końcu na to, żeby wydać 600 mln zł na polski gaz łupkowy, który wydaje się być bardziej palcem po wodzie pisany niż polskie azotki. Stać nas także na grafen. A nie stać nas na azotki?

P.S. Za swoje badania nad azotkami prof. Porowski nie został co prawda uhonorowany szwedzkim Noblem, ale za to otrzymał „polskiego Nobla” – czyli nagrodę Fundacji Nauki Polskiej.

ZOBACZ TAKŻE: Lek na raka czeka w lodówce? ROZMOWA dziennik.pl >>>