Hrvatski profesor na prestižnom MIT-u dr. Marin Soljačić sjajno je počeo godinu. U utjecajnom časopisu Nature Nanotechnology objavljen je članak u kojem Soljačić i ekipa njegovih kolega opisuju svoj rad na korištenju nanofotoničkih tehnika za recikliranje svjetla. Konkretno, MIT-ovci na čelu s Marinom Soljačićem oživili su nedavno napuštenu Edisonovu, dakle klasičnu žarulju koju smo koristili 130 godina.
Najvažnija otkrića 2015.
Kao što vjerojatno znate, glavni je problem klasične žarulje veliki gubitak energije na zagrijavanje i radijaciju u infracrveni (nevidljivi) spektar svjetlosti, što ju je činilo energetski neučinkovitom. Napustiti klasičnu žarulju bio je težak izbor, kaže dr. Soljačić, zbog te njezine neučinkovitosti.
– Mi smo sada napravili isto takvu klasičnu žarulju, ali njezina je učinkovitost slična onoj LED ili štedljivih odnosno fluorescentnih žarulja kakve danas kupujete u trgovinama – govori nam pa objašnjava kako je u radu opisan i teoretski potencijal da te žarulje budu i još puno efikasnije. MIT-ovi stručnjaci podigli su efikasnost klasične žarulje s volframovom niti u dva koraka. Prvi je da se klasična žarulja naprosto upali te počne emitirati vidljivu svjetlost, ali i oku nevidljive infracrvene zrake. U drugom stupnju se energiju, koja bi se inače izgubila, radijacijom u infracrveno nanofotoničkim kristalnim strukturama reflektira, odnosno vraća prema žarnoj niti nakon čega se ta energija ponovo emitira kao izvor svjetla.
Važno je što se te strukture proizvode od široko rasprostranjenih i lako dostupnih materijala. Kao i prije, radi se o slojevitim strukturama koje svaka za sebe odbijaju jedan po jedan val svjetlosti propuštajući samo one valne duljine koje predstavljaju vidljivu svjetlost bez velikih gubitaka. Fluorescentne žarulje imaju između 7 i 15 posto svjetlosne učinkovitosti, LED žarulje između 5 i 15 posto, a ovakva klasična žarulja mogla bi imati i do 40 posto. Marin Soljačić i suradnici zasad su postigli 6,6 posto.
– Tehnike za recikliranje svjetlosti i recikliranje termalne emisije imaju puno potencijalnih primjena za konverziju energije i povećanje efikasnosti konverzije energije. Ovaj naš rad demonstrira koliko moćne mogu biti nanofotoničke tehnike za takve primjene – kaže dr. Soljačić naglašavajući kako je u ovom trenu to znanstveni pothvat.
Nove spoznaje o kontroli toplinskih emisija vrlo su važne, a u ovom trenutku prerano je reći u kojim se još sve praktičnim primjenama može koristiti ova u osnovi prilično nova tehnologija. Ona, ističe, prof. Soljačić, ima potencijal za primjenu daleko širu od pukih žarulja. Taj inovativan pristup mogao bi imati prilično dramatične implikacije u pretvorbi energije. Osim toga, ovim su otkrićem znanstvenici s MIT-a na čelu sa Soljačićem dokazali kako je moguće inovativnim pristupom doći do praktički sasvim novih uređaja pa bi se vrlo brzo moglo doći i do konkretne komercijalne primjene. Hoće li i kada takve žarulje biti bitne na tržištu, ovisi o tome koliko će koštati proizvodnja i koliko će biti pouzdane, koliko dugo mogu raditi bez kvarenja.
– To su pitanja koja se trenutačno istražuju, ali još ne znamo odgovore na njih – kaže dr. Soljačić. Ovaj su rad Marina Soljačića i kolega poduprli i Vojni istraživački ured američke vojske kroz MIT-ov Institut za vojnu primjenu nanotehnologije te S3TEC Energy Frontier Research center koji financira američko ministarstvo energetike.
Veliko priznanje dobio je prof. dr. Soljačić od magazina PhysicsWorld i od Američkog društva za fiziku. Rad Marina Soljačića i njegovih kolega po PhysicsWorldu uvršten je među deset najvažnijih otkrića u fizici u svijetu prošle godine, a po Američkom društvu za fiziku jedan je od osam najvažnijih. Podsjetimo, Večernji list u ljeto prošle godine prvi je pisao o Soljačićevoj potvrdi postojanja Weylovih točaka 86 godina nakon što je njihovo postojanje naznačavano samo teoretski. Opisao ih je 1929. godine matematičar i fizičar Hermann Weyl.
Weylove su točke značajne jer bi one mogle opisivati materijale s potpuno novim fizičkim svojstvima. Ako se pronađe njihova primjena, one bi mogle omogućiti efikasan tok elektriciteta, a time i veću energetsku učinkovitost. Soljačićeva momčad zajedno s istraživačima kineskog sveučilišta Zhejiang objavila je u časopisu Science dokaz da se Weylove točke u formi bozona mogu pronaći u različitim materijalima koji se nazivaju fotonskim kristalima. Priznanje je Soljačić dobio s prof. M. Zahidom Hassanom s Princetona koji je otkrio Weylove točke u umjetnom kristalu nazvanom tantal arsen.
Veća snaga lasera
U priopćenju Američkog društva za fiziku još se navodi kako bi ti Weylovi fermioni, koji se ponašaju kao čestice bez mase, mogli biti korisni i kao nositelji informacija u visokobrzinskim elektroničkim uređajima.
– Ovo je ogromno priznanje za naš rad o Weylovim točkama. Dvije neovisne institucije, koje su među najbitnijim institucijama takve vrste na svijetu, neovisno su zaključile da je ovaj rad jedan od najbitnijih na cijelom svijetu u polju fizike prošle godine – rekao je za Večernji list dr. Marin Soljačić.
– U posljednjih desetak godina vlada velik interes za grafen (smatra se materijalom budućnosti s najboljim svojstvima vodljivosti, op. a.) koji je dvodimenzionalan. Weylovi sustavi čestica mogu se u nekom smislu smatrati trodimenzionalnom generalizacijom grafena – rekao nam je još ljetos prof. Soljačić nakon objave otkrića te dodao da bi takvi sustavi mogli imati važnu ulogu u razvoju lasera velike snage.
– Jedan je od najvećih problema to što se, kada radite veći laser, što je neophodno želite li postići veću snagu, unutar njega svjetlost rasipa u više smjerova. Tako dobijete laser loše kvalitete koji je praktički beskoristan – opisao je tada prof. Soljačić. Skalabilnost je ključan problem svih optičkih sustava, a potvrđivanje postojanja Weylovih čestica moglo bi ga riješiti, istaknuo je.
Podsjetimo kako je unutar samo pet dana u to za njega odlično ljeto dr. Marin Soljačić objavio još jedan važan znanstveni rad, a oba su objavljena u najutjecajnijim znanstvenim časopisima, Scienceu te već spomenutom Natureu.
Uz dokaz postojanja Weylovih točaka, Soljačić i suradnici uspjeli su stvoriti neuobičajena stanja u nečemu što se zove Diracov konus. Diracov konus osnova je strukture grafena, novog visokoistraživanog materijala koji odlikuje visoka vodljivost. Od ovog se otkrića očekuje da jednom u budućnosti omogući i stvaranje deset puta jačih lasera od ovih koje poznajemo danas. Ne zaboravimo kako je prošle godine u Zagrebu prvi put uručena novčana nagrada najnadarenijem učeniku iz hrvatske škole, koju dr. Soljačić financira svojim novcem.
Tako je maturant zagrebačke XV. gimnazije Ivan Skeledžija dobio pet tisuća dolara. Sam Soljačić, s još dvoje kolega, dobio je nagradu od Zaklade Blavatnik koja s po 250.000 dolara nagrađuje najbolje znanstvenike do 42 godine. Soljačić je nagradu dobio u konkurenciji čak 300 kolega s drugih sveučilišta. I 2014. godine Marin Soljačić dobio je slično priznanje kada su mu poznati časopisi Time i Discover dali priznanje za otkrića na području filtriranja svjetlosti te bežičnom prijenosu energije. Za kraj, hrvatski profesor s MIT-a poslao je Večernjem listu nešto što nije znanstveno dostignuće, ali je zasigurno poseban hommage domovini: najmanji dosad napravljeni hrvatski grb.
Oko 50 je puta manji od vlasi kose, a u njemu je koza na grbu veličine virusa gripe! Matematički izraženo, jedno kvadratno polje u grbu veliko je 268 nanometara, a iscrtano je na grafenu, novom materijalu koji je dvodimenzionalna inačica ugljika. Riječ je o kreativnoj i efikasnoj demonstraciji moći nanotehnologije koja zorno pokazuje što ustvari rade prof. Soljačić i njegovi suradnici na MIT-u te kako to postižu. Grb je nastao za vrijeme ispitivanja rezolucije kojom je moguće napraviti nanofabrikaciju, odnosno izrađivati tako minijaturne predmete.
>>Antarktički ledenjaci igraju iznenađujuću ulogu u usporavanju globalnog zatopljavanja
Za informaciju novinaru: žarulja s volframovom niti nije Edisonova već Franje Hanamana, rođenog Zagrebčanca