Biuletyn AGH
Magazyn Informacyjny Akademii Górniczo-Hutniczej
24 wrzesień 2017
Strona GłównaBiuletyn AGHArchiwumKontakt
Nano – klucz do przyszłości
26 listopad 2013

Akademickie Centrum Materiałów i Nanotechnologii AGH

Zaryzykowałbym stwierdzenie, że nie ma ani w Polsce, ani w Europie uczelni takiej jak AGH, która w podobnie wszechstronny sposób kształciłaby i zatrudniała specjalistów zdolnych zrozumieć i rozwijać wszelkie aspekty praktycznie wszystkich procesów technologicznych. Nie dziwi więc powstanie w AGH centrum interdyscyplinarnych badań naukowych ze słowami „Centrum Materiałów” w nazwie i ukierunkowaniem na rozwijanie najnowocześniejszych technologii materiałowych. Specyficznym rodzajem technologii, ze względu na rozmiary produkowanych elementów, jest nanotechnologia. Za początek jej rozwoju uważa się wykład amerykańskiego fizyka prof. Richarda P. Feynmana, zatytułowany „Tam na dole jest jeszcze dużo miejsca”, wygłoszony w 1959 roku w Kalifornijskim Instytucie Technologii (CalTech). Od tamtych czasów nanotechnologia gwałtownie się rozwija w wielu dziedzinach nauki i znajduje zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu. Znanym wszystkim zastosowaniem nanotechnologii jest przechowywanie i przetwarzanie danych, gdzie nano-rozmiary ziaren zapewniają dużą gęstość magnetycznego zapisu danych, a długość bramki tranzystora polowego rzędu nanometrów zapewnia dużą szybkość jego przełączania. Nie dziwi więc słowo „nanotechnologia” jako drugi element nazwy naszego Centrum.

Inicjatywę utworzenia Akademickiego Centrum Materiałów i Nanotechnologii (ACMiN) podjęto w latach 2007-2008. Projekt o dofinansowanie złożono w 2009 roku, a środki przyznano rok później. W 2011 roku wmurowano kamień węgielny pod budynek ACMiN, a niedługo potem rozpoczęto procedury przetargowe zakupu aparatury badawczej i technologicznej. Decyzje o zakupach podejmowała Rada Naukowa „ACMiN w organizacji”, a procedury przetargowe i instalację zakupionych urządzeń realizowała grupa pracowników AGH zatrudnionych w ramach projektu, wspierający naukowcy, pracownicy DZP, DI, Kwestury, Pionu Technicznego i innych jednostek AGH. Ich trud i sukces, jakim jest realizacja pierwszego etapu projektu, czyli budowa budynku i jego wyposażenie, zasługuje na osobny artykuł.

Utworzenie interdyscyplinarnego centrum badawczego w ramach uczelni nie było pomysłem nowym, podobne inicjatywy podejmowane były i są w wielu krajach, w szczególności w krajach członkowskich Unii Europejskiej. Zasady organizacji i funkcjonowania takich centrów są bardzo różne, począwszy od wspólnego budynku (w którym skupia się laboratoria związane np. z nanotechnologią, należące do różnych wydziałów czy instytutów uczelni), poprzez „uczelniane centrum laboratoryjne (udostępniające odpłatnie swoje laboratoria i aparaturę pracownikom wydziałów i instytutów uczelni), czy też „ośrodki studiów doktorskich” (udostępniające laboratoria doktorantom danej uczelni), aż do ośrodka prowadzącego własne interdyscypilnarne badania naukowe w oparciu o intelektualny potencjał całej uczelni.

Dwukomorowe stanowisko próżniowe do wytwarzania nanostruktur - fot. Zbigniew Sulima

Akademickie Centrum Materiałów i Nanotechnologii AGH (ACMiN) powstało 16 lipca 2013 jako centrum naukowe działające na podstawie art. 5 ust. 5 Statutu AGH, które posiada status innej niż wydział podstawowej jednostki organizacyjnej AGH. Zgodnie z zarządzeniem Rektora AGH powołującym Centrum, podstawowym celem ACMiN jest prowadzenie interdyscyplinarnych badań naukowych w zakresie nowoczesnej inżynierii, fizyki i chemii materiałów, nanodiagnostyki materiałowej i nanotechnologii, utrzymywanie i rozwijanie nowoczesnej infrastruktury badawczej, a także prowadzenie działalności proinnowacyjnej w obszarze zaawansowanych technologii materiałowych i nanotechnologii.

Znaczenie ma zarówno fakt, że jesteśmy „centrum naukowym”, jak i fakt, że jesteśmy „jednostką podstawową Uczelni”. Status „centrum naukowego” stwarza nam dodatkowe możliwości zdobywania środków finansowych (ustawa „o zasadach finansowaniu nauki”). Z kolei status „innej niż wydział jednostki podstawowej Uczelni” m.in. pozwala (za dwa lata) na starania o kategoryzację, czy też na utworzenie „zewnętrznej” Rady Naukowej. Kategoryzacja, jeśli zakończy się sukcesem, pozwoli nam m.in. starać się o dotację statutową, a co ważniejsze występować o inwestycyjne granty aparaturowe i inne granty związane z przyznaną kategorią. W „zewnętrznej” Radzie Naukowej ACMiN, obok samodzielnych pracowników naukowych ACMiN, zasiadają przedstawiciele wielu Wydziałów AGH, przedstawiciele UJ i PK, a także wybitni naukowcy niezatrudnieni w ACMiN, a bliscy naszemu Centrum przedmiotem swoich naukowych zainteresowań. Cele naukowe ACMiN realizowane są w Zespołach pogrupowanych w kilku Liniach Badawczych, których liczba wynika z najbardziej efektywnego modelu organizacji Centrum sprzyjającego realizacji strategicznych celów całego ACMiN formułowanych w staraniach o granty z europejskiego programu „Horyzont 2020”, na który Unia Europejska przeznaczyła 77 mld euro. W chwili obecnej, w fazie organizacji jest siedem Linii Badawczych. Niektóre z nich, takie jak „Nanostructures and Nanodevices”, „Quantum Materials and Systems”, „Ceramic and Bio-Materials”, czy „Soft Condensed Matter” już intensywnie działają, pozostałe („Metal Engineering“, „Metallic Materials and Nanomaterials“ i „Nanomagnetism“) przygotowują się do rozpoczęcia prac badawczych.

Zgodnie z założeniem projektu-ACMiN (a zarazem zgodnie z „twardym” wskaźnikiem realizacji celu projektu), w Centrum mają być zatrudnione przynajmniej 34 osoby. Większość z nich to „asystenci i adiunkci naukowi” (naukowi, a nie naukowo-dydaktyczni, bo ACMiN nie prowadzi działalności dydaktycznej). Pracownicy tej grupy są zatrudniani w drodze konkursów ogłaszanych na stronach AGH (a co za tym idzie także na stronach Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego), a także na własnych stronach ACMiN. Adiunkci naukowi będą stanowić podstawowy zespół realizujący program badawczy ACMiN, a także przygotowujący i składający wnioski o granty własne ACMiN. Ze względu na samofinansowanie się ACMiN, koszty pośrednie w grantach będą naszym podstawowym przychodem, a ich zdobywanie obowiązkiem każdego pracownika. Już teraz pracujemy nad procedurami, które systemowo zwiążą uposażenia naszych pracowników z wielkością pozyskiwanych dla ACMiN środków finansowych. Adiunkci naukowi zatrudnieni w ACMiN będą też współpracować z Wydziałami AGH (i innymi Uczelniami) w realizacji projektów wspólnych. A że takie wspólne projekty mają być podstawową formą działalności ACMiN, to wokół poszczególnych Linii Badawczych powstają interdyscyplinarne zespoły badaczy skupiające, poza pracownikami ACMiN, osoby zainteresowane tematyką danej Linii będące pracownikami innych Wydziałów AGH i innych krakowskich Uczelni. W niektórych przypadkach współpraca jest, czy też będzie, na tyle zaawansowana, że członkowie tych zespołów będą prowadzili swoje badania w ACMiN, czyli wykorzystując aparaturę pomiarową, zaplecze technologiczne i całą infrastrukturę ACMiN. Myślimy o wprowadzeniu specjalnego statusu dla takich osób, wewnętrznie nazywanych „ACMiN-Fellows”. Osoby o takim statusie byłyby traktowane jak pracownicy ACMiN, w szczególności miałyby prawo do afiliowania się w ACMiN w tych publikacjach, które byłyby efektem prac badawczych prowadzonych w ACMiN.

Tzw. clean-room, aparatura do procesów litografii elektronowej i trawienia jonowego - fot. Zbigniew Sulima

Siedzibą ACMiN jest nowy, supernowoczesny, 3-kondygnacyjny budynek o powierzchni ok. 6 tys. m2. W budynku znajduje się 18 laboratoriów (w tym laboratorium komputerowe), sala amfiteatralna (na 120 miejsc), sala seminaryjna (na 60 miejsc) i konferencyjna (na 20 miejsc), antresole laboratoryjne. Na ostatnim piętrze budynku zlokalizowane są 34 pokoje do pracy „biurowej” (1-, 2- i 3-osobowe), pomieszczenia socjalne, a także taras z pięknym widokiem na Kopiec Kościuszki. W pomieszczeniach laboratoryjnych zgromadzone są urządzenia, które można podzielić na cztery grupy: aparatura pomiarowa, laboratorium komputerowe, clean-room i zaplecze technologiczne.

Spośród aparatury pomiarowej warto wymienić: spektrometr fotoelektronów typu Versa Probe II (firmy PHI ELECTRONICS) wyposażony w źródła monochromatycznego promieniowania rentgenowskiego oraz lampę UV (umożliwiający obrazowanie stanu chemicznego pierwiastków na powierzchni materiałów z rozdzielczością rzędu 10 μm oraz profilowanie głębokościowe przez rozpylanie jonami pojedynczych atomów lub klastrów argonu), chłodziarkę rozcieńczalnikową z systemem chłodzenia w obiegu zamkniętym (pozwalającą na pomiary wielkości fizycznych w temperaturach od 9 mK w polach magnetycznych do 14 T), system do reaktywnego rozpylania jonowego i nanoszenia nanocząstek (składający się z dwóch próżniowych komór procesowych, z których jedna wyposażona jest w nano-działo typu NanoGen Trio firmy MANTIS, umożliwiające wytwarzanie nanocząstek metali i tlenków metali metodą Inert Gas Condensation), Pulsed Laser Deposition (urządzenie umożliwiające wytwarzanie cienkich warstw, o określonym składzie i grubości od kilku nanometrów, wykorzystując zjawisko ablacji laserowej za pomocą ekscymerowego lasera impulsowego firmy COHERENT COMPexPro 110F), wanna Langmuira – Blodgetta do tworzenia i przenoszenia nierozpuszczalnych monowarstw nanocząstek, nanodrutów i molekuł funkcjonalnych z fazy ciekłej na podłoża stałe (co umożliwia tworzenie mono i wielowarstw, biomembran, powłok organicznych i nieorganicznych o precyzyjnie kontrolowanej grubości, gęstości upakowania i orientacji molekuł). Magnetometr wibracyjny firmy LakeShore i spektrometr mössbauerowski MS-4 RENON są podstawowymi narzędziami analiz fizykochemicznych prowadzonych w naszym Centrum. Warto też wymienić: wysokorozdzielczy transmisyjny mikroskop elektronowy HR-TEM firmy FEI, typ TECNAI TF 20 X-TWIN (umożliwiający pracę w zakresie napięć przyspieszających od 80 kV do 200 kV, punktową zdolność rozdzielczą ≤ 0.25 nm i powiększenia od 25 do 900000 razy), mikroskop skaningowy z kolumną jonową (FIB) firmy FEI, typ VERSA 3D (umożliwiający pracę przy napięciu przyspieszającym od 200 V do 30 kV i zdolność rozdzielcza 1 nm), dyfraktometry rentgenowskie (dwie uniwersalne platformy PANALYTICAL EMPYREAN do badania struktury krystalicznej materiałów, wyposażone w detektory wielokanałowe i przystawkę temperaturowę LN-450K), aparaturę do hipertermii f-my DACPOL (pozwalającą na indukcyjne nagrzewanie roztworów nanocząstek i badanie szybkości nagrzewania materiałów ze szczególnym uwzględnieniem roztworów nanocząstek magnetycznych), termograwimetr SDT Q600 firmy TA INSTRUMENTS (umożliwiający badanie przejść fazowych, procesów utleniania i analizę reakcji chemicznych), hydrauliczną maszynę wytrzymałościowa INSTRON 600DX, mechaniczną maszynę wytrzymałościową INSTRON 5982 (wyposażoną w komorę do badań w obniżonych i podwyższonych temperaturach), nanoindenter G200 firmy AGILENT (do badania własności mechanicznych materiałów w skali nanometrowej, takich jak moduł Younga i twardość), twardościomierze TUKON 2500 i TUKON 1202 f-my WILSON-HARDNESS, urządzenie do rapid prototyping (czyli wytwarzania obiektów za pomocą jednego, sterowanego komputerowo urządzenia budującego, bez użycia specjalistycznych narzędzi i form), i wiele innych. Pełną listę wraz z krótkimi opisami można znaleźć na stronie www.acmin.agh.edu.pl\aparatura.

Mechaniczna maszyna wytrzymałościowa INSTRON 5982 - fot. Zbigniew Sulima

Pod nazwą laboratorium komputerowe kryje się sieć kilkudziesięciu komputerów (PC-tów i laptopów) obsługujących poszczególne laboratoria i pokoje biurowe, stanowiących samodzielną wewnętrzną sieć komputerową ACMiN. Najważniejszym elementem zaplecza komputerowego ACMiN jest własny klaster, fizycznie umiejscowiony w Akademickim Centrum Komputerowym CYFRONET, połączony światłowodem z wewnętrzną siecią komputerową ACMiN (96 węzłów obliczeniowych wyposażonych w 2 ośmiordzeniowe procesory Xeon firmy INTEL; klaster posiada łącznie 1536 rdzeni przeznaczonych do obliczeń o całkowitej teoretycznej mocy obliczeniowej ponad 31 Tflops, czyli 31 bilionów operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę).

Szczególną kategorię zaplecza aparaturowego ACMiN stanowi „clean-room”. W pomieszczeniu czystym klasy 100 znajduje się urządzenie do litografii elektronowej (RAITH eLINE+), stół procesowy (ARIAS) i mikroskop polaryzacyjny (NIKON). W pomieszczeniu czystym klasy 1000 znajduje się urządzenie do trawienia jonowego MICROSYSTEMS IonSys 500 (wyposażone w działo jonowe z plazmowym generatorem RF i spektrometr cząstek SIMS), parownik warstw metalicznych i dielektrycznych oraz profilometr kontaktowy (BRÜKER DEKTAK). „Clean-room” to najważniejsza część zaplecza technologicznego zespołow badawczych zajmujących się m.in. nano-sensorami, czy też elementami magnetycznej pamięci łatwego dostępu (ang. MRAM).

Zaplecze technologiczne ACMiN jest bardzo rozbudowane. Najprościej podzielić je na cztery działy: (1) laboratoria chemiczne, (2) przygotowanie próbek, (3) termiczna obróbka próbek i (4) mechaniczna obróbka próbek. Niesposób omówić wszystkie urządzenia w krótkim artykule. Wspomnę tylko o tym, że w ACMiN znajduje się aparatura do wytwarzania monokryształów (piece firmy CZYLOK do krystalizacji metodą Bridgmana-Stockbargera) i urządzenie do „szybkiego chłodzenia” Melt Spinner HV, firmy EDMUND BUEHLER (pozwalajace uzyskać materiały metaliczne o strukturze amorficznej w postaci taśm). Ponadto w laboratoriach ACMiN można znaleźć piece łukowe Mini Arc Melter MAM-1 firmy EDMUND BUEHLER (w tym jeden wyposażony w opcję „suction casting” umożliwiającą otrzymanie materiałów w postaci prętów poprzez zassanie ciekłego stopu do miedzianej formy), oraz liczne piece, w tym wysokotemperaturowy piec grafitowy VHT 8/22-GR firmy NABATHERM (maksymalna temperatura pracy pieca to 2200°C). ACMiN ma też swój własny świetnie wyposażony warsztat mechaniczny, w którym znaleźć można m.in. frezarkę numeryczną HAAS MILL VF1 firmy HAAS AUTOMATION, czy tokarkę numeryczną PROFICENTER 700 BQV firmy BERNARDO.

Zgodnie z założeniami projektu, ACMiN ma być jednostką samofinansującą się, co jest bardzo ambitnym celem, którego osiągnięcie na pewno potrwa kilka lat. Źródłem przychodów ACMiN mają być granty własne ACMiN i granty wspólne z Wydziałami, dotacja statutowa (po kategoryzacji, która będzie możliwa nie wcześniej niż w 2015 roku), czy też część dotacji dydaktycznej na doktorantów, którą Wydziały podzielą się z ACMiN umieszczając tu swoich doktorantów. Jest jednak oczywiste, że pozyskanie grantów wymaga pracy konkretnych osób (które trzeba zatrudnić) i czasu. Dlatego przynajmniej w początkowym okresie funkcjonowania ACMiN nie poradzi sobie bez dofinansowania ze strony AGH. Takie dofinansowanie byłoby inwestycją w centrum naukowe służące całej Uczelni, która to inwestycja skutkowałaby poszerzeniem zakresu i poziomu prowadzonych na Wydziałach badań naukowych. Takie centralne finansowanie uchroniłoby ACMiN przed koniecznością rozliczania się z Wydziałami z każdego wykorzystania czy to naszej aparatury pomiarowej, czy to zaplecza technologicznego, a pracownicy wszystkich Wydziałów AGH uzyskaliby bezpłatny dostęp do wszystkich laboratoriów ACMiN. Oczywiście z czasem, wraz z rosnącą liczbą realizowanych i współrealizowanych przez nas grantów, ACMiN zbliżałby się do założonego w projekcie samofinansowania. Należy dodać, że w tzw. okresie trwałości projektu, czyli do końca października 2018 roku, ACMiN nie może prowadzić żadnej działalności o charakterze komercyjnym (związanej z wystawianiem faktur VAT).

Wreszcie najważniejsze pytanie: jak z ACMiN mogą korzystać pracownicy Wydziałów AGH, czy innych Uczelni? Współpraca z Wydziałami AGH i innymi Uczelniami jest jednym z dwóch najwazniejszych celów statutowych ACMiN (obok rozwoju najnowocześniejszych technologii materiałowych, w tym nanotechnologii). Z tego powodu ACMiN rozwija procedury ułatwiajęce podjęcie i realizację wspólnych tematów badawczych. Optymalną formą współpracy z ACMiN jest wspólnie realizowany grant (NCN, NCBiR, europejski w programie Horyzont-2020, etc.). Projekty badawcze realizowane w ACMiN to w szczególności projekty badawcze wspólne z Wydziałami AGH, innymi Uczelniami i innymi jednostkami naukowo-badawczymi (w szczególności wspólne projekty pracowników Wydziałów AGH, innych uczelni i ACMiN). Jak wiadomo, nie ma żadnego problemu ze wspólnym wystąpieniem o grant z inną Uczelnią: powstałe w tym celu konsorcjum dzieli koszty pośrednie pomiędzy jego wszystkich uczestników i każdy uczestnik zalicza grant do swojego dorobku. Niestety procedury, np. w NCN, nie przewidują wspólnego wystąpienia o grant dwóch jednostek podstawowych tej samej Uczelni (np. wspólnego grantu ACMiN i jednego z Wydziałów AGH), o stworzenie takiej możliwości dopiero zabiegamy. Nie ma jednak problemu, aby pracownicy ACMiN występowali jako wykonawcy we wnioskach o granty składanych przez Wydziały. Podział kosztów pośrednich, uzasadniony jeśli część badań jest prowadzona w ACMiN, nie jest wtedy dokonywany przez instytucję przyznającą grant, ale nie ma żadnego problemu z dokonaniem takiego podziału wewnątrz AGH. W przypadku samofinansującego się ACMiN to właśnie koszty pośrednie będą finansowały etaty pracowników ACMiN, utrzymanie infrastruktury, rachunki za prąd czy wodę. Wśród innych możliwości współpracy z ACMiN należy wymienić uzyskanie statusu ACMiN-Fellow (pozwalającego na prowadzenie własnych badań w ACMiN), czy też utworzenie lub przynależność do zespołów tworzonych wokół jednej z Linii Badawczych i wynikającą z tego m.in. możliwość umieszczenia w ACMiN doktoranta.

Z miesiąca na miesiąc Linie Badawcze angażują coraz większą grupę pracowników AGH. Już w tej chwili wokół Linii skupione za zespoły badawcze z Wydziałów: Fizyki i Informatyki Stosowanej; Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji; Inżynierii Materiałowej i Ceramiki; Metali Nieżelaznych; Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej; Inżynierii Mechanicznej i Robotyki; Energii i Paliw. W pracach uczestniczą także zespoły naukowców z UJ i PK, które to Uczelnie współtworzyły ACMiN. Współpracę nawiązaliśmy już lub prowadzimy rozmowy o współpracy, z takim instytucjami jak: Uniwersytet Pedagogiczny w Krakowie, Instytut Fizyki Jądrowej PAN, Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN, Instytut Odlewnictwa, etc. Coraz częściej ACMiN odwiedzają przedstawiciele zagranicznych instytucji naukowych z Niemiec, USA, Japonii. ACMiN ma ambicję stać się nie tylko platformą interdyscyplinarnych badań naukowych, ale także platformą współpracy wszystkich instytucji i osób zainteresowanych nowoczesną inżynierią materiałową i nanotechnologią.

Na zakończenie: najbliższe miesiące będą okresem szczególnym dla ACMiN. Mamy nadzieję, że zaczną funkcjonować wszystkie nasze laboratoria, że zostaną nam przyznane kolejne granty, o które systematycznie aplikujemy (wspólnie z Wydziałami AGH i innymi Uczelniami) zarówno w NCN, jak i NCBiR. Mamy też nadzieję, że systematycznie powiększać się bedzie grono naszych wspólpracowników z coraz większej liczby Wydziałów AGH, UJ i PK. Liczymy na pomoc, zaangażowanie i współpracę całego krakowskiego środowiska naukowego, jesteśmy przekonani, że z korzyścią dla wszystkich współpracujących osób i jednostek.

Marek Przybylski


prof. Marek Przybylski

Prof. Marek Przybylski jest pracownikiem AGH od 1976 roku (już jako student V roku Fizyki Technicznej był zatrudniony w Zakładzie Fizyki Ciała Stałego, wówczas na Wydziale Metalurgii AGH). Jest profesorem fizyki na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH. W latach 1999–2013 pracował w Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik w Halle (Niemcy), gdzie kierował międzynarodową grupą badaczy zamujących się nanotechnologią, a w szczególności własnościami magnetycznymi nanostruktur. Na początku 2013 roku wygrał konkurs na stanowisko Dyrektora Akademickiego Centrum Materiałów i Nanotechnologii AGH. Kontakt z autorem: Adres poczty elektronicznej jest chroniony przed robotami spamującymi. W przeglądarce musi być włączona obsługa JavaScript, żeby go zobaczyć. .