Του Παναγιώτη Γεωργουδή
Μία νέα μορφή ανομοιογενούς ύλης μαγνητικών υλικών και συγκεκριμένα ένα σύνθετο μαγνητικό οξείδιο του μαγγανίου ανακάλυψαν Ελληνες ερευνητές με επικεφαλής τον Αλέξανδρο Λάππα του Ινστιτούτου Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ (ΙΗΔΛ) του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Ερευνας (ΙΤΕ), σε συνεργασία με Σλοβένους συναδέλφους τους.
Η εν λόγω ερευνητική ομάδα χαρακτήρισε επιστημονικά το κεραμικό αυτό υλικό με προηγμένες τεχνικές, ενώ η πολυσήμαντη αυτή ανακάλυψη που δημοσιεύθηκε στις 29 Ιανουαρίου στο διεθνούς κύρους επιστημονικό περιοδικό «Nature Communications» περιγράφει τον ρόλο τέτοιων νανοσκοπικών περιοχών σε προηγμένα μαγνητικά υλικά της αναδυόμενης ανομοιογένειάς τους που προάγουν την τάξη από την αταξία της ύλης.
Συγκεκριμένα, ο ερευνητής Αλέξανδρος Λάππας, διευθυντής ερευνών του ΙΗΔΛ, εκφράζει την άποψη ότι η γεωμετρική όχληση που επιβάλλεται σε τέτοια συστήματα χρησιμοποιείται από τη Φύση ώστε να επέλθει η αρμονία. Το στοιχείο αυτό όμως ανοίγει νέους τεχνολογικούς ορίζοντες των υλικών και στη συγκεκριμένη περίπτωση στο πεδίο των βιοϊατρικών υλικών στην καρδιογραφία, στην εγκεφαλογραφία κ.λπ., σε μη ενεργοβόρες τεχνολογίες, όπως ενεργειακούς συλλέκτες, μετατροπείς ενέργειας, μνήμες ηλεκτρονικών συσκευών κ.ά.
• Κύριε Λάππα, τι είναι το φαινόμενο της «όχλησης» στο μικροεπίπεδο της ύλης και τι διαταραχές προκαλεί;
Στις αρχές του 20ού αιώνα (1935) ο διακεκριμένος χημικός Linus Pauling απέδειξε ότι κατά τον μετασχηματισμό της φάσης του νερού από την υγρή στη στερεά κατάσταση, δηλαδή τη μετατροπή του σε πάγο, τα μόρια του νερού διατάσσονται στον χώρο χωρίς να επιτυγχάνεται τάξη στην οργάνωσή τους. Ο ανταγωνισμός μεταξύ της κρυσταλλικής συμμετρίας του πάγου και των απαιτήσεων των μορίων του νερού για σχηματισμό χημικών δεσμών σε τοπικό επίπεδο οδηγεί στην ενεργοποίηση του φαινομένου της «όχλησης». Εν γένει, όταν ένα σύστημα δεν μπορεί να βελτιστοποιήσει ταυτοχρόνως όλες τις ανά ζεύγη σχέσεις που προκύπτουν λόγω τοπικών περιορισμών, παραμένει σε μια διαταραγμένη κατάσταση με σχετικά μεγάλη αταξία καθώς δεν είναι ικανό να διαλέξει μεταξύ των πολλών ισοδύναμων επιλογών. Ανταγωνιστικές αλληλεπιδράσεις τέτοιου τύπου έχουν προεκτάσεις πέρα από τη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης και σε άλλα συστήματα που συναντώνται στη φύση. Σήμερα αντιλαμβανόμαστε ότι η όχληση βρίσκεται στη βάση της περίπλοκης δομής των υγρών μοριακών κρυστάλλων, που οδηγεί σε ποικίλους μετασχηματισμούς φάσεων, αλλά και στη ριζικά διαφορετική προέλευση των περιοχών σε λεπτά υμένια (φιλμ) μόνιμα μαγνητισμένων υλικών. Ωστόσο, η φύση έχει την ικανότητα να εκμεταλλεύεται εναλλακτικές οδούς για να «χρησιμοποιεί» τις ανταγωνιστικές αλληλεπιδράσεις με σκοπό να διεξάγονται με επιτυχία οι απαραίτητες λειτουργίες ενός συστήματος.
Επειδή λοιπόν η διεργασία της όχλησης είναι ικανή να προκαλέσει νέα περίπλοκα φαινόμενα και κατά συνέπεια να επηρεάσει τις τελικές ιδιότητες ενός συστήματος (δηλαδή τη συμπεριφορά που εμείς παρατηρούμε ή και χρησιμοποιούμε), αποτελεί μία νέα οδό για τον σχεδιασμό τεχνολογικά χρήσιμων υλικών. Ταυτόχρονα, τα μαγνητικά υλικά αποτελούν σημείο αναφοράς σε ό,τι σχετίζεται με «συλλογικούς» φυσικούς μηχανισμούς. Ως εκ τούτου, οι επιπτώσεις της γεωμετρικής όχλησης στις μαγνητικές αλληλεπιδράσεις ανοίγουν πεδίο νέας γνώσης, αφ’ ενός μεν επειδή υπάρχουν ιδανικά συστήματα για την επιβεβαίωση θεωρητικών μοντέλων, αφ’ ετέρου δε επειδή επιτρέπουν την πειραματική τους μελέτη με ένα εκτενές φάσμα προηγμένων τεχνικών.
• Τι είδους εφαρμογές θα υπάρξουν;
Εκτιμάται ότι η νέα ανομοιογενής αυτή κατάσταση των μαγνητικών υλικών μπορεί να ανοίξει προοπτικές σχεδιασμού νανοδομών σε συστήματα που ενσωματώνουν ευρείας ποικιλίας συνεχούς ή και εναλλασσόμενου ηλεκτρικού ή μαγνητικού πεδίου, μη ενεργοβόρες τεχνολογίες (π.χ. μνήμες, αισθητήρες, ενεργειακοί συλλέκτες, μετατροπείς ενέργειας κ.ά.) με την παράλληλη εξοικονόμηση πόρων. Ενδεικτικά αναφέρονται οι χαμηλής ισχύος μαγνητοηλεκτρικές διατάξεις για μνήμες ηλεκτρονικών συσκευών, που θα ελαχιστοποιούν τα κινητά μέρη, μηδενίζουν την αντίσταση από ροή ρεύματος και αυξάνουν σημαντικά την πυκνότητα της πληροφορίας που αποθηκεύεται σε σχέση με συμβατικές διατάξεις. Σε μια διαφορετική πρακτική προσέγγιση, όπως εκείνη των αισθητήρων, σύνθετα συστήματα μαγνητοηλεκτρικών νανοδομών σε συνδυασμό με οπτο/πιεζο-ηλεκτρικές ίνες θα βελτιώνουν την ευαισθησία του αισθητήρα σε σχέση με άλλα δαπανηρά βιοϊατρικά διαγνωστικά εργαλεία που χρησιμοποιούνται, όπως για παράδειγμα στην εγκεφαλογραφία ή καρδιογραφία.
Η παρούσα μελέτη αναδεικνύει για ακόμα μία φορά ότι η γνώση που κατακτάται μέσω της βασικής έρευνας μπορεί να αποτελέσει εφαλτήριο για την αντιμετώπιση βιομηχανικών προκλήσεων οι οποίες αφουγκράζονται τις ανάγκες της κοινωνίας για φιλικές προς το περιβάλλον λύσεις, που με τη σειρά τους βελτιώνουν την ποιότητα της ζωής του ανθρώπου.
