Ātrdarbīgais lāzera signālu sensors, ko radījuši LU Cietvielu fizikas institūta zinātnieki, ir Latvijas Zinātņu akadēmijas pagājušā gada godalgoto sasniegumu vidū. Inovāciju jau iegādājies liels ASV optisko iekārtu ražotājs
Fizikas zinātņu doktors Kaspars Pudžs jaunā lāzera jaudas mērītāja darbības principu cenšas izskaidrot pēc iespējas vienkāršāk. Taču jāatzīst, šis apraksts varētu būt prāta mežģis pat tiem, kas savulaik vidusskolas dabaszinātņu stundās saņēmuši labas atzīmes.
Tātad lāzera raidītais impulss tiek «izšauts» sensora testa zonas virzienā, nonāk uz īpaša absorbējoša materiāla kārtiņas, tā uzsilst — stāstu sāk Kaspars. Rodas termoelektriskais efekts, temperatūras starpība tiek pārvērsta elektriskajā spriegumā.
Termoelektriskais efekts nosaukts atklājēja, 18. gadsimta beigās Tallinā dzimušā vācbaltiešu zinātnieka Tomasa Johana Zēbeka vārdā. Tā kā sensora aktīvā kārtiņa, ko savukārt 200 gadus vēlāk izstrādājuši materiālzinātnieki Rīgā, ir ļoti plāna, signāls tai iziet cauri milzu ātrumā. Cik tieši ātra ir šī darbība, domās nav iespējams materializēt. «Ar sensoru izmērītais signāls ir īsāks nekā mikrosekunde — tā ir miljonā sekundes daļa. Un paši lāzera impulsi ir tikai 10 nanosekundes gari,» precizē Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūta zinātnieks.
«Sensora struktūra ļauj samazināt kapacitātes efektus, kas kombinācijā ar plānās kārtiņas īpašo tehnoloģiju nodrošina sensora ātrdarbību. Lielais Zēbeka koeficients un zemā siltumvadītspēja – tas ir unikumu kopums, ko mūsu komandai ir izdevies panākt.»
Otra sensora unikālā īpašība: tas strādā ļoti plašā lāzera starojuma spektrālajā diapazonā.
«Sensoru esam testējuši no ultravioletā līdz infrasarkanajam spektram, bet, visticamāk, diapazons ir vēl plašāks, mums vienkārši nav pieejamas tādas iekārtas,» rāmi secina Kaspars.
Ātrdarbīgais sensors ir praktiski pielietojams dažādās nozarēs, kur izmanto lāzeru, — gan medicīnā, gan lāzergravēšanā, gan 3D lāzerdrukā. Pēc pētnieka stāstītā, katra individuālā impulsa mērījumi ļaus vēl labāk kontrolēt starojuma enerģiju, lai impulsi nebūtu par lielu vai par mazu. Tātad lāzermanipulācijas varēs veikt daudz drošāk un efektīvāk. Tehnoloģija, cerams, ļaus ražot arvien lētākas un vienkāršākas lāzeriekārtas.
Inovāciju novērtējis optisko iekārtu uzņēmums ASV, kura gada pārdošanas apjoms sasniedz 500 miljonus dolāru. Nosaukumu intervijā izpaust neļauj noslēgtais licencēšanas un tehnoloģijas pārneses līgums. Protams, notikušais ir liela Latvijas zinātnes sasniegumu komercializācijas veiksme. Tehnoloģija jau ir patentēta ne tikai ASV un ES, bet arī Ķīnā un Kanādā.
Paldies Notingemai!
Kasparu Pudžu (32) un viņa vecāko komandas biedru, LZA īsteno locekli Mārtiņu Rutki (64), kurš arī piedalās mūsu sarunā, šķir vesela paaudze. Taču Rutkis jau pagājušā gadsimta 70. gadu vidū piedzīvojis situāciju, kad lāzera izmantošana medicīnā maina tuva cilvēka ikdienu. «Manam tēvam bija acs radzenes atslāņošanās, un viņš aizbrauca uz Maskavu, kur eksperimentālā klīnikā radzeni ar lāzeru labi piededzināja. Slimība pēc tam vairs neprogresēja,» stāsta Mārtiņš.
Toties kolēģim Kasparam pirmās atmiņas par rotaļu lāzeru, kas ļāva uz sienām projicēt dažādus attēlus, ir no sākumskolas. «Un līdztekus tam, ka mēs tagad paši izstrādājam lāzeru sensorus, pirms diviem gadiem arī es taisīju lāzeroperāciju redzes korekcijai,» viņš atklāj. «Protams, arī mūsdienās ir iespējams brāķa procents, bet tas ir mazs. Viss, kas saistīts ar medicīnu, ir ar ļoti augstām prasībām, iekārtas ir sertificētas un stabilas.»
Lai arī lāzertehnoloģijas līdz mūsdienām ir attīstījušās strauji, jautājums par acij netveramā infrasarkanā starojuma precīzāku kontrolēšanu joprojām esot dienaskārtībā. Ja doza ir par lielu, tā var nevēlami traumēt audus. Bet, ja impulss būs par vāju, tas vienkārši neradīs vajadzīgo efektu.
Kaspara Pudža aizraušanās ar tehnoloģijām sakņojas bērnībā. Viņš smejoties atzīstas, ka izjaucis dažādas mājas elektroierīces, ko ne vienmēr izdevies salikt atpakaļ. «Esmu no Baldones, un tur skolā bija ļoti laba ķīmijas skolotāja. Ķīmija man padevās, tāpēc Rīgas 1. ģimnāzijā iestājos ķīmijas novirziena klasē. Bet par manu fiziķa karjeru jāpateicas Pēterim Bricim. Fenomenāls fizikas skolotājs, kas spēj ieinteresēt! Ja nebūtu viņa, visticamāk, es nebūtu aizgājis studēt fiziku un nonācis šeit.»
Un arī viņa LU Cietvielu fizikas institūta kolēģis Mārtiņš Rutkis ir 1. ģimnāzijas, tolaik vēl 1. vidusskolas, absolvents. Šo skolu pabeidzis arī trešais lāzera signālu sensora līdzautors fiziķis Jānis Busenbergs. «Arī tajā laikā, kad mēs ar Jāni tur mācījāmies, bija izcili fizikas un matemātikas skolotāji. Uzskatu, ka vidusskolai ir lielāka nozīme nekā augstskolai,» iesaucas Rutkis.
Viņš savā pētnieka darbā pievērsies visai atšķirīgām tēmām, jājamzirdziņš ir nelineārā optika. Lāzera signālu mērītāju ar humoru klasificē kā nelielu sānsoli, kas novedis pie laba rezultāta. «Zinātnieki ir dažādi,» pasmaida Mārtiņš. «Vieniem šķiet: ja viņi nevar zināšanas pielietot praktiski, tad nav vispār vērts ar to nodarboties. Otra kategorija — un es gribu sevi vairāk pie tiem pieskaitīt — ir tādi, kuriem patīk vienkārši saprast un pētīt, kā lietas darbojas. Zinātniska ziņkāre! Sen atpakaļ teicu, ka esmu gatavs pētīt arī slotaskātu. Protams, mūsdienās finansējumu nedod, ja nevari parādīt pētījuma pielietojumu vai nozīmīgu ieguldījumu zinātnes attīstībā.»
Izdzīvot no pētījumiem vienā nišā Latvijas apstākļos esot visai ekskluzīvi. Kolēģim Kasparam Pudžam, kura darba mūžs vēl ir tikai sākumā, šajā ziņā smaidījusi veiksme. Viņš profesionālo dzīvi līdz šim veltījis pārsvarā termoelektrības pētījumiem.
Ceļš uz Cietvielu fizikas institūta Organisko materiālu laboratorijas komandas sensoru sākās 2013. gadā, kad tā iesaistījās ES ietvarprogrammas projektā par organiska materiāla izmantošanu termoelektrisko ģeneratoru radīšanā. Tā Kasparam pavērusies iespēja termoelektrisko efektu pētīt ne tikai maģistrantūrā, bet arī doktorantūrā. Studiju laikā, lai savilktu kopā galus, gan paralēli zinātniskajam darbam nācies piestrādāt arī labojot temperatūras sensorus graudu kaltēs. Situācija uzlabojusies, kad zinātnieku komanda tālāk varējusi virzīties ar ES Horizon 2020 finansējumu.
«ES ietvarprogrammā nonācām pavisam dīvainā veidā, mūs uzaicināja Notingemas Universitāte,» atceras projekta vadītājs Mārtiņš Rutkis. «Sākot pētīt zinātnisko literatūru, viņi bija atraduši ziņas par materiāliem, kas likās perspektīvi termoelektrisko ģeneratoru radīšanai. Jau 70. gados grupa zinātnieku, mūsu Cietvielu fizikas institūta Organisko materiālu laboratorijas pamatlicēji, bija pētījuši šos materiālus, no kā tagad esam veidojuši sensora aktīvo kārtiņu, un publicējuši vairākus rakstus, ko uzgāja briti.»
Latvijas zinātniekus viņi uzaicinājuši strādāt kopā tāpēc, ka Rīgas laboratorijā joprojām bija saglabājusies pieredze, ko no priekštečiem pārņēma Pudžs. «Maz pasaulē ir tādu pētnieku grupu, kas 50 gadus no paaudzes paaudzē spējušas pārnest un attīstīt zināšanas. Tagad pat bieži gadās, ka cilvēki atklāj no jauna lietas, kas 70. un 80. gados jau bija labi zināmas. Nāk jauna paaudze, viņi vecu literatūru nelasa,» skarbi secina kolēģis Rutkis. «Mūsu laboratorijā pieredze joprojām tiek pārņemta. Plaši tiek veikti gan elektrisko, gan optisko īpašību eksperimenti. Arī zināšanas optikā ļāva saskatīt iespēju izmantot termoelektrisko efektu un organisko materiālu unikālās īpašības.»
Latvijas fiziķu uzdevums bija pētīt materiāla īpašības, ja tas uzklāts plānās kārtiņās, kā arī mēģināt no tā radīt termoelektrisko ģeneratoru. «To patiešām izdarījām. Tas, diemžēl, jaudas ziņā bija nanoģenerators. Praktiskam pielietojumam ar nanovatiem īsti nepietika,» atzīmē Rutkis. «Taču radās doma, kā šādu plāno kārtiņu nanojaudas ģeneratoru varētu izmantot starojuma sensoru veidošanā. Un tieši «plānās kārtiņas efekts» nospēlēja pozitīvu lomu. Tas ļauj sensoram darboties ļoti ātri. Zinātnē jau tā ir diezgan bieža parādība un arī zināma māksla — saskatīt trūkumus kā jaunas iespējas. Pamanījām un izmantojām šo iespēju!»
Pētnieku grupa, kurā bija arī sarunā klāt neesošais fizikas doktors Aivars Vembris, pirmā ātrdarbīgā sensora prototipu radīja jau ap 2015. gadu. Elektroniku sensora nolasīšanai, tajā skaitā signāla pastiprinātāju, izstrādāja Jānis Busenbergs. Taču, lai izgudrojumu novestu līdz komerciālizējamam līmenim, ar to vēl nepietika. «Mūsu nozarē no idejas līdz produktam paiet apmēram 10 gadi,» piebilst Rutkis. «Šis produkts pārdotā licencē ir realizējies, pateicoties arī vairākām citām sakritībām. Ne tikai tā, ka nonācām Notingemas zinātnieku redzeslokā, bet arī ar to, ka aktīvi sākām nodarboties ar termoelektrību. Un mums jau bija pieredze plāno kārtiņu tehnoloģijās, optikā unilāzeru izmantošanā.»
Ja kādā stadijā būtu pazudis fianansējums, paveiktais varēja atkal uz gadu desmitiem iegulties atvilktnē. Tomēr pēc Horizon 2020 izdevies iegūt arī ERAF grantu, bet nobeigumā — LIAA piešķīrumu zinātnes sasniegumu komercializācijai. «Tas ļāva pabeigt prototipus, kas bija nepieciešami, lai šo tehnoloģiju izmantošanā ieinteresētu reālus uzņēmumus. Līgumus ar amerikāņiem pagājušajā rudenī palīdzēja noslēgt «biznesa kolēģis» Ģirts Ozoliņš. Veiksmes stāsts par vairāku lietu sakrišanu!» zinātnieks saka ar gandarījumu.
Kādu efektu tas varētu dot nozarēs, kur izmantos lāzertehnoloģijas, īpaši jau medicīnā? «Neesam ne metinātāji, ne ķirurgi, esam materiālu zinātnieki,» godīgi atbild pētnieks. «Mūsu uzdevums — saprast un radīt materiālus, kurus varētu izmantot noteiktās praktiskās ierīcēs.
Šobrīd, kad lāzerstarojuma kontroles iespējas atsevišķu impulsu līmenī tomēr vēl ir ierobežotas, lāzermanipulācijas tiek veiktas ar lielu drošības rezervi. Ja, izmantojot šo sensoru, varēsim jaudu precīzāk kontrolēt, tas radīs iespēju arī lāzerķirurģiskās operācijas veikt precīzāk un arī ātrāk, paaugstinot drošību.»
Divi izcili Pudži
Termoelektriskais starojuma sensors, ko zinātnieki ērtības labad apzīmē ar abreviatūru TESS, izrādījās 1000 reižu ātrāks par pašreiz izmantotajiem sensoriem! LZA to nosauca par vienu no pagājušā gada nozīmīgākajiem sasniegumiem Latvijas lietišķajā zinātnē.
«Un arī Cietvielu fizikas institūtam šis ir nozīmīgs notikums,» uzsver Rutkis. «Pēc daudzu gadu pārtraukuma ir izdevies kaut ko tiešām pārdot, turklāt nopietnai kompānijai. Ir patīkami apzināties, ka tavas domas, idejas, izpratne par kādu fizikālu procesu ir novedusi līdz produktam, kurš tiešām interesē un dod ko būtisku cilvēcei. Morālais gandarījums, vismaz man, noteikti ir lielāks par finansiālo.»
Rutkis piebilst, ka pēdējos gados ir vadījis arī divus vērienīgus Cietvielu fizikas institūta infrastruktūras un cilvēkresursu attīstības projektus, katru 15 miljonu eiro vērtībā. «Karjeras iespējas pie mums jaunajiem zinātniekiem šobrīd ir daudz labākas nekā ārzemēs. Mūsu institūta laboratoriju vadītāji var būt pat divreiz jaunāki nekā kolēģi analogos institūtos citur. Jautājums — cik jaunieši šeit grib ieguldīt enerģiju? Rietumu institūtā, kur laboratorijas vadītājs ir Nobela prēmijas laureāts, protams, pašam ar elkoņiem daudz nav jāstrādā. Jāizpilda viss, ko viņš liek, un karjeras virzība ir nodrošināta.»
Arī Pudžs tieši attīstības iespējas un institūta tehnisko bāzi, kas ir unikāla ne tikai Baltijā, bet arī Austrumeiropā, min kā iemeslu, kāpēc pats šobrīd veido zinātni Latvijā. «Izplatīta prakse, kad pēc doktora grāda iegūšanas zinātnieks aizbrauc «postdoka» projektā uz ārzemēm. Diemžēl liela daļa spēcīgu jauno zinātnieku atpakaļ neatbrauc. Piedāvājumi turpināt karjeru prestižos institūtos var likties ļoti vilinoši. Neesmu aizbraucis šī TESS projekta un atbildības sajūtas dēļ. Un te līdz šim vienmēr ir bijuši projekti, kas stimulē manu zinātnisko karjeru.»
Šajā pašā ēkā, tikai citā stāvā, strādā viņa sieva, doktora grāda pretendente Inga Pudža. Viņas vārds minēts pētījumā, ko LZA nosaukusi starp pagājušā gada ievērojamākajiem sasniegumiem teorētiskajā zinātnē. Iepazinušies nanotehnoloģiju vasaras skolā Barselonā, tagad Pudži darbojas arī kopējā projektā par rentgena starojuma sensoru izveidi. Ļoti cer, ka to arī izdosies komercializēt.
«Situācija uzlabojas. Lai «bīdītu zinātni» šeit pat Latvijā, apstākļi ir salīdzinoši labi,» Pudžs pauž optimismu, lai gan tūdaļ arī iezīmē pretrunas. «Protams, lielākā daļa finansējuma Latvijā joprojām nāk no Eiropas projektiem. Visu laiku šaudies starp tiem, nevari visus spēkus veltīt vienam. Jo, kad šis beigsies, nezini, kas būs nākotnē.» Vēl kāda Latvijas īpatnība: projektu rakstīšanā un iesniegšanā termiņi parasti ir vasaras vidus un beigas. «Zinātniekam vasara paiet, rakstot projektus. Cik runāts ar kolēģiem no citām Eiropas valstīm, tur tā nav.»
«Organizācijas, kas lūdz rakstīt iesniegumus, vasarā atpūšas un rudenī tos izvērtē,» saka kolēģis Rutkis. «Jau sazin cik vasaras visiem institūtā paiet, rakstot projektus. Pagājušajā septembrī iesniedzām 59 grantu pieteikumus. Finansēti tiks pieci. Jaunām idejām vajadzētu būt apmaksātām, it īpaši, ja tas ir kaut kas jauns pasaules mērogā, bet naudas parasti ir par maz. Tiešām veiksmīga sakritība, ka ir izdevies nodrošināt finansējumu un novest līdz galam TESS lietu!»
Sensora prototips ir sērkociņu kastītes lielumā. Daļa, uz kuru raida lāzerimpulsu, ir aplis, kas izskatās kā skārienjutīgā datora pele. Mērīšana notiek tieši lāzera darbības laikā, nodalot nelielu starojuma devu no tā, kas tiek izmantota kādā procesā, piemēram, lāzerķirurģiskajā operācijā.
Foto — Lauris Aizupietis
Publikācija sagatavota ar Accenture finansiālu atbalstu
Pagaidām nav neviena komentāra