Fotony, ciecze jonowe i przesyłanie informacji, czyli jak powstają nowe technologie
2021-02-03 Adrian Zając
Jako osobie, która na co dzień zajmuje się szeroko pojętą nauką i technologią, w rozmowach zarówno z innymi naukowacami, jak i osobami niezwiązanymi z tą dziedziną życia nie udaje mi się unikąć tematów zawodowych. Jednym z zagadnień, które znajduje się w zakresie moich zainteresowań jest fotonika i od czasu do czasu temat ten pojawia się w moich konwersacjach, dość często prowokując pytanie: „A co to jest?”
Alternatywa dla elektroniki
Traktując temat możliwie najbardziej zwięźle, fotonika jest alternatywą dla elektroniki, gdzie elektron, będący nośnikiem informacji w elektronice, jest zastąpiony fotonem. Innymi słowy fotonika jest dziedziną nauki i techniki, wykorzystującą promieniowanie elektromagnetyczne zamiast prądu elektrycznego do przesyłania i przetwarzania różnego rodzaju informacji w urządzeniach technicznych. I tu rodzi się pytanie: po co inwestować czas i środki w rozwój nowej technologii przetwarzania informacji, skoro elektronika, którą znamy i używamy na co dzień, działa w tym zakresie bardzo dobrze? Można się domyślać, że fotonika pod pewnymi względami góruje nad elektroniką. I tak w istocie jest. Jedną z najistotniejszych zalet tej technologii jest możliwość przesyłania informacji z częstotliwością powyżej 300 GHz, która to częstotliwość uważana jest za górną granicę działania układów elektronicznych. Umożliwia to przesyłanie znacznie większych ilość danych w jednostce czasu. Dodatkowo ta szybkość przesyłu jest jeszcze powiększana przez możliwość zarówno czasowej, jak i przestrzennej modulacji sygnału (w układach elektronicznych mamy do czynienia tylko z modulacją czasową). Oznacza to, że różne dane mogą być przesyłane równocześnie poprzez wykorzystanie jednocześnie różnych częstotliwości oraz różnego przestrzennego ułożenia fali elektromagentycznej. Pozwala to na stworzenie swego rodzaju dodatkowych kanałów przesyłu. Ponadto układy fotoniczne są znaczniej mniej narażone na negatywny wpływ zakłóceń w postaci szumów elektromagentycznych.
Badania, patenty i publikacje
Zespół Syntez Materiałowych Poznańskiego Parku Naukowo-Technologicznego we współpracy z ośrodkami Sieci Badawczej „Łukasiewicz”: Polskim Ośrodkiem Rozwoju Technologii oraz Instytutem Technologii Materiałów Elektronicznych w wyniku kilkuletnich badań, finansowanych w ramach projektów badawczych Narodowego Centrum Nauki, opracował technologię wytwarzania elementów polimerowych w skali mikrometrycznej, które stanowią potencjalne składowe układów fotonicznych. Uzyskane wyniki stały się przedmiotem dwóch zgłoszeń patentowych oraz kilku publikacji w czasopismach naukowych o zasięgu międzynarodowym.
Ciecze jonowe – klucz do sukcesu?
Technologia ta oparta została na grupie związków organicznych nazywanych cieczami jonowymi. Są to związki o budowie soli (składają się z dodatnio naładowanego kationu i ujemnie naładowanego anionu), które występują w stanie ciekłym w temperaturach poniżej 100°C (wiele z nich jest też cieczą w temperaturze pokojowej). Jedną z najważniejszych zalet tej grupy związków, w odniesieniu do opisywanej technologii, jest ich skrajnie niska prężność par, co oznacza, że substancje te prawie w ogóle nie parują, nawet po umieszczniu ich w próżni. Jest to niezwykle istotne, ponieważ wspomniana technologia wytwarzania elementów fotonicznych polega na umieszczeniu cieczy jonowej w postaci bardzo cienkiej warstwy (około 1 μm) w komorze próżniowej, a następnie jej selektywne utwardzenie za pomocą skupionej wiązki elektronów o wysokiej energii do postaci „nadrukowanych” na podłożu elementów fotonicznych, takich jak falowody, rezonatory czy siatki dyfrakcyjne. Nieutwardzona ciecz jonowa jest następnie zmywana w procesie wywoływania, dostarczając gotowe struktury fotoniczne, takie jak zaprezentowane na zdjęciach poniżej. Badania wykazały, że mają one odpowiednie właściwości w zakresie przewodzenia promieniowania elektromagentycznego w zakresie światła widzialnego oraz podczerwieni.
Co więcej, umiejętne operowanie energią wiązki elektronów, używanej do utwardzania, pozwala na otrzymywanie struktur nieprzylegających bezpośrednio do podłoża, w postaci swego rodzaju „mostków”. Dalsze badania pozwoliły również wygenerować mikrokontenery – mikrometrowej wielkości zamknięte pojemniczki zawierające ciekłą nieutwardzoną ciecz jonową, które mogą zostać wykorzystane w budowe różnego rodzaju czujników fotonicznych.
Ciąg dalszy… następuje
Tak obiecujące wyniki spowodowały, że badania te są kontynuowane w ramach kolejnego projektu finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki pt. „Wysokorozdzielcza litografia optyczna i elektronowa przy użyciu rezystów na bazie cieczy jonowych”. Jak można zauważyć fotonika jako dziedzina wiedzy stanowi bardzo żyzne podłoże do opracowywania nowych zaawansowanych technologii i może stać się w przyszłości podstawą tworzenia systemów informatycznych, zapewniając im wydajniejsze i bardziej niezawodne działanie.
