Prof. habil. dr. Eimutis Juzeliūnas – pasaulyje žinomas elektrochemikas, Lietuvos mokslo premijos laureatas, kuris šiandien darbuojasi Fizinių ir technologijos mokslų centre. Jis 2022-ųjų lapkričio pabaigoje išleido knygą, kuri ne tik praturtina mokslo visuomenės žinias apie silicį, bet ir garsina Lietuvą užsienio šalyse.
Prof. habil. dr. Eimutis Juzeliūnas – pasaulyje žinomas elektrochemikas, Lietuvos mokslo premijos laureatas, kuris šiandien darbuojasi Fizinių ir technologijos mokslų centre (FTMC). Jis 2022-ųjų lapkričio pabaigoje išleido knygą, kuri ne tik praturtina mokslo visuomenės žinias apie silicį, bet ir garsina Lietuvą užsienio šalyse.
Eimutis Juzeliūnas / Domo Jokubauskio / FTMC nuotrauka
Toji knyga – tai anglų k. parašyta ir JAV įmonės „Viley-VCH išleista monografija „Silicon: Production, Purification and Applications“ (liet. Silicis: elektrochemija, gamyba, gryninimas ir taikymas). Šis įvykis išties vertas dėmesio: monografijų apie silicio elektrochemiją yra vos kelios visame pasaulyje, o paskutinioji buvo parašyta dar prieš 20 metų.
Tad lietuvis profesorius padėjo dar vieną savo parašą į elektrochemijos mokslo istoriją.
Bet pirmiausia, kaip sakoma, susitarkim dėl terminų. Dauguma esame girdėję apie Silicio slėnį (angl. Silicon Valley) – JAV regioną, kuriame įsikūrę tūkstančiai IT įmonių, tokių kaip „Apple“, „Meta“, „Google“ ir kt. Slėnis šitaip pavadintas todėl, kad iš pradžių čia veikė silicio mikroschemų gamintojai; šiandien šią kompaniją papildė įvairiausios aukštųjų technologijų kompanijos.
Silicis yra antrasis pagal paplitimą elementas mūsų planetoje, jis sudaro apie 28 proc. Žemės plutos masės. Tai – tvirtas, blizgus, melsvai pilkas elementas, dar vadinamas pusmetaliu arba metaloidu. Gamtoje jis aptinkamas kvarco (smėlio) ar silikatų mineralų pavidalu.
„Istorikai civilizacijos raidos etapus apibūdina pagal tuo metu gamyboje dominavusias medžiagas ir juos skirsto į akmens, bronzos, ar geležies amžius, – pasakoja prof. E.Juzeliūnas. – Dabartinis laikotarpis yra vadinamas silicio amžiumi.
Toks pavadinimas kilo dėl silicio išskirtinio vaidmens pasaulio ekonomikoje. Ši medžiaga yra esminė informacinių technologijų įrenginiuose, puslaidininkių pramonėje, elektronikoje. Rinkos analitikai teigia, kad saulės energetikoje bent jau keletą dešimtmečių silicis išliks dominuojančia medžiaga. Silicis taip pat naudojamas gaminti metalų lydinius, silicio organinius junginus, optinius pluoštus, keramikas, srovės šaltinius ir pan.“
Tuo metu elektrochemija, kurią vysto FTMC ekspertas, yra mokslo sritis, tirianti ryšius tarp elektros energijos ir cheminių virsmų. Pasak prof. E.Juzeliūno, elektrochemija daugiausiai taikoma elektros srovės šaltiniuose, be kurių neįsivaizduotume dabartinio gyvenimo. Šiuos šaltinius naudojame kasdien ir gausiai – buitiniuose prietaisuose, kompiuteriuose, automobiliuose ar elektromobiliuose. Vėjo ar saulės gaminama elektra yra saugoma elektrocheminiuose kaupikliuose.
„Bet koks gyvas organizmas taip pat pasižymi elektrochemine sandara: ląstelių membranos, elektros impulsai, širdies ar smegenų veikla – visa tai yra elektrocheminiai objektai. Laivas jūroje – taip pat elektrocheminis objektas. Jo korozija (rūdijimas) vyksta dėl elektrocheminių reakcijų. Tai pasakytina ir apie rūdijančius automobilius, tiltus ar elektros perdavimo linijas“, – sako mokslininkas.
O dabar pakalbėkim pagrindine tema – apie išleistą profesoriaus knygą.
- Kokios reikšmės įvykis yra naujoji, Jūsų parašyta, knyga? Ar ją skaito, iš jos semiasi žinių mokslininkai visame pasaulyje?
- Pastaraisiais dešimtmečiais silicio elektrochemija buvo dinamiškai vystoma sritis, visų pirma, dėl išskirtinės svarbos kuriant tvariosios energetikos technologijas. Tačiau trūko platesnės, panoraminės studijos apie šios mokslo srities raidą ir galimybes.
Savo monografija bandžiau šį trūkumą pildyti. Siekiau, kad knyga būtų naudinga plačiajai bendruomenei: mokslininkams, doktorantams, studentams, technologams. Pirminė knygos auditorija – tai chemikų ir medžiagų mokslininkų bendruomenė, kuri domisi silicio elektrochemija, gamyba, gryninimu ir taikymu. Knyga yra skirta specialistams, kurie domisi saulės energetika, aukšto grynumo silicio gamyba, taip pat – šviesos energijos pavertimu į chemines jungtis per baterijas ar fotoelektrodus.
Antrinė knygos rinka – edukacijos ir socialinės grupės, kaip antai studentai, doktorantai ar tie, kam rūpi klimato kaitos mažinimo politika. Minėtos sritys yra visuotinės, jos netelpa nacionaliniuose rėmuose. Tačiau tikiu, kad knyga sudomins ir Lietuvos auditoriją, visų pirma, mokslo centrus, universitetus, kolegijas ar technologijų įmones.
- „Iš šono“ atrodo, kad Jūsų knygos pasirodymas yra nemenkas prestižas Lietuvos mokslui.
* Ši monografija prisidės prie Lietuvos garsinimo pasaulyje, padės gerinti mūsų šalies įvaizdį ir primins, kad Lietuvoje yra atliekami aukšto lygio moksliniai tyrimai.
Svarbu, kad tokia žinia plistų ne tik akademinėje bendruomenėje, bet ir plačiau.
- Dažnai girdime apie mokslo „prestižinius žurnalus“, „prestižines leidyklas“. Kad būtų lengviau įsivaizduoti – kokį autoritetą yra užsitarnavusi leidykla „Wiley-VCH“, kuri išleido Jūsų monografiją?
- Vieningos mokslo leidyklų vertinimo sistemos nėra. Tokie vertinimai dažnai grindžiami subjektyvia mokslininkų bendruomenės nuomone.
„Wiley-VCH“ (John Wiley and Sons, Inc.) yra tarptautinė JAV leidykla, įkurta 1807 m. Niujorke, kuri specializuojasi knygų, žurnalų ir enciklopedijų leidyboje. Apskritai, ši įmonė pasižymi labai aukšta reputacija, tai gali patvirtinti kiekvienas specialistas, besidomintis fizinių mokslų raida.
Be to, „Wiley-VCH“ yra didžiausia visuomeninė (angl. society publisher) leidykla pasaulyje. Įmonės pajamos paskutiniais dešimtmečiais nuolat augo ir 2022 m. siekė 2,08 milijardo JAV dolerių. Suprantama, kad įmonės produkcija yra platinama visame pasaulyje.
- Knygą išleisti paskatino mokslo pasaulyje sėkmingai sutikta Jūsų bei britų chemiko prof. Dereko J. Fray‘aus publikacija apie silicio elektrochemiją išlydytose druskose. Straipsnis išspausdintas žurnale „Chemical Reviews“. Ar galėtumėt papasakoti, kokia yra šios publikacijos, tyrimo esmė, kuo tai gali būti įdomu ir svarbu mums visiems?
- Mūsų bendradarbiavimas su Kembridžo universiteto mokslininkais prasidėjo po to, kai kartu su prof. D. J. Fray‘umi laimėjome du Europos Komisijos grantus atlikti tyrimus silicio elektrochemijos srityje. Gautus rezultatus patentavome, taip pat ir publikavome.
Mūsų didelės apimties studija buvo publikuota žurnale „Chemical Reviews“, ir ji buvo tarsi knygos prototipas. Šis žurnalas kruopščiai atrenka aktualiausias temas, ypatingą dėmesį skiria referuojamos mokslo srities kritinei analizei, iššūkiams bei vystymo perspektyvoms.
Žurnalas pasižymi ypatingai aukštu citavimo rodikliu (angl. Impact Factor, IF). Pagal duomenis, skelbiamus duomenų bazėje „Clarivate Journal Citation Reports“, 2021 metais žurnalo „Chemical Reviews“ rodiklis buvo 72,1. Tai vienas aukščiausių rodiklių tarp gamtamokslinių žurnalų (palyginkime kitų elitinių žurnalų rodiklius: „Nature“ – 69,5; „Science“ – 63,8).
Elektrochemikai dažniausiai atlieka tyrimus vandeniniuose tirpaluose. Tačiau silicio elektrocheminis išskyrimas iš tokių tirpalų yra probleminis, nes reikalauja aukštesnės energijos, nei ją galima suteikti vandeniniuose tirpaluose panaudojant elektros srovę. Be to, kambario temperatūroje grynas silicis yra menkai laidus elektrai, todėl, esant tokioms sąlygoms, elektros srove jį sunku išskirti.
Mūsų tyrimai buvo atlikti išlydytose druskose beveik tūkstančio laipsnių temperatūroje. Tai leido sukurti svarbias paviršiaus struktūras, pvz., juodąjį silicį. Šiuos ir kitus dėsningumus apžvelgėme minėtame straipsnyje „Chemical Reviews“ žurnale.
- Jūs sukūrėte juodojo silicio iš išlydytų druskų gamybos technologiją, kuri patentuota Europoje, Jungtinėje Karalystėje, JAV, Kinijoje, Brazilijoje bei Japonijoje. Kokia tai technologija, kuo ji pasitarnauja mokslui ir visuomenei?
Juodasis silicis – tai tokia medžiaga, kuri pasižymi beveik 100 proc. šviesos sugertimi ir taip didina šviesos konversijos našumą. Tuo metu neapdorotas silicis atspindi tik daugiau kaip trečdalį šviesos; kitaip sakant, didelė šviesos energijos dalis fotovoltiniuose įrenginiuose lieka nepanaudota.
Juodasis silicis taip pat perspektyvus vandenilio energetikoje, išgaunant vandenilį iš vandens šviesos pagalba.
Laboratorijose moksliniais tikslais yra naudojamos įvairios fizikinės-cheminės juodojo silicio formavimo technologijos, tačau jos techniškai sudėtingos, todėl brangios ir turi ribotas galimybes būti taikomos praktiškai. Be to, kai kuriose technologijose yra naudojamos toksiškos, agresyvios (ardančios) medžiagos ir brangūs tauriųjų metalų katalizatoriai. Mūsų pasiūlytas elektrocheminis juodojo silicio formavimo būdas yra ekologiškas ir ekonomiškas.
Pakanka silicio ruošinį su silicio oksido sluoksniu patalpinti į išlydytą druską ir jam suteikti nustatyto dydžio elektros įtampą. Aukštoje temperatūroje (apie 800 oC) silicis yra išskiriamas iš oksido, reakcija plinta paviršiumi ir suformuoja įvairias architektūras, dar vadinamas nano-struktūromis. Lydalu dažniausiai naudojamas kalcio chloridas, kuris yra pigus, netoksiškas; jis gerai tirpsta vandenyje, tad liekaną lengva pašalinti nuo suformuotos silicio struktūros.
- Šiuo metu tyrinėjate, kaip silicį panaudoti saulės elementų tobulinimui. Kas naujo atrasta, sukurta šioje srityje?
- Kaip minėjau, mūsų ankstesni tyrimai buvo atlikti aukštose temperatūrose, kurios siekė iki tūkstančio laipsnių. Šiuo metu siekiame silicio elektrocheminius procesus inicijuoti ir valdyti kambario temperatūroje. Tai yra labai svarbu ekonominiu-energetiniu požiūriu; žemesnė temperatūra – mažesnės energijos sąnaudos, paprastesnė įranga, pigesnės medžiagos.
Tyrimus atliekame laimėję Lietuvos mokslo tarybos grantą „Naujos silicio struktūros efektyviai fotoelektrochemijai“. Gavome įdomių rezultatų, apie juos tikimės pranešti artimoje ateityje.
