Slovenským vedcom sa podaril ďalší významný úspech pri výskume nanomateriálov. Po prvýkrát sa im podarilo vytvoriť špecifickú variáciu kryštálu YAG, ktorý sa využíva ako aktívne médium pre vysokovýkonné lasery. Tie sú zas veľmi dôležité pre modernú vedu, zdravotníctvo aj priemysel.

Výroba tohto materiálu je veľkou chemicko-fyzikálnou výzvou. Na jej zvládnutí sa podieľali výskumníci zo spoločnosti AT Crystals, s. r. o., a Žilinskej univerzity v spolupráci so Slovenskou akadémiou vied a Centrom Funglass Trenčianskej univerzity A. Dubčeka. Slovensko sa vďaka ich práci zaradilo medzi svetových lídrov, akými sú: Rusko, Čína či USA.

Originálna metóda

Kryštály ytrito-hlinitých granátov (YAG) a ich podoby s rôznymi prímesami sú kľúčovou časťou mnohých laserov. Nabudia sa zdrojom svetla s konkrétnou vlnovou dĺžkou. Slúžia tak na zosilnenie laserového lúča.

Ako vysvetlil Juraj Kajan z Ústavu konkurencieschopnosti a inovácií zo Žilinskej univerzity: „Výber dopantu – napríklad ytterbium, túlium, erbium, cerium či neodým – v tomto materiáli ovplyvňuje vlnovú dĺžku vyžarovania, a teda aj možné aplikácie. Tými sú medicínske zariadenia na ošetrovanie pokožky či zubov, priemyselné lasery, optické zameriavacie systémy alebo laserové skenery.“

YAG sú umelé kryštály, vyrábajú sa. Už v roku 2019 spoločnosť AT Crystals a Žilinská univerzita vyvinuli originálnu technológiu na ich tvorbu, ktorá využíva metódu horizontálne usmernenej kryštalizácie.

Ako vysvetlil postup Kajan: „Patrí medzi rastové metódy výroby monokryštálov z taveniny. Základný princíp spočíva v roztavení vstupného materiálu, zavedení dokonale pripraveného zárodku s požadovanou kryštalografickou orientáciou do taveniny a následného „rastu“ tohto tvaru do zvyšného objemu prostredníctvom riadenej kryštalizácie.“

Konvenčné metódy spočívajú najčastejšie vo vertikálnom ťahaní kryštálu, ktorý má valcový tvar. Navyše sú kvalitatívne a rozmerovo obmedzené. Vďaka technológii, ktorú vyvinuli slovenskí vedci, kryštál však rastie horizontálne a má tvar dosky, čo je pre vybrané aplikácie veľmi efektívnym spôsobom výroby.

Ako uviedol Tomáš Gregor zo spoločnosti AT Crystals: „Technológia na výrobu monokryštálov, ktorú vyvinula naša spoločnosť, je jediná na Slovensku a je unikátna aj vo svetovom ponímaní. Originálnym je efektívny spôsob, ako dosiahnuť vo veľmi komplexnom a náročnom výrobnom procese také technologické podmienky, ktoré zaistia rast kryštálu s požadovanou štruktúrou a vlastnosťami.“

Bežné metódy umožňujú výrobu dlhých úzkych tyčí pre lasery. Vysokovýkonné lasery však prechádzajú z tyčovej geometrie, ktorá má limitovaný možný výkon, najčastejšie na doskovú. Preto má riešenie slovenských vedcov prednosti. Technológia má podľa Gregora aj konkurenčné výhody, medzi ktoré patria napríklad plná automatizácia výroby, spoľahlivosť, opakovateľnosť, výhodný tvar výrobku, mnohonásobne vyššia životnosť zariadenia či zníženie prevádzkových nákladov.

Rozmanité využitie

Teraz sa výskumníkom podarilo svojou metódou vyrobiť YAG, ktorý je dopovaný neodýmom. Výroba takejto variácie bola doteraz veľkou výzvou, pretože je ťažké zabudovať atómy prvku do mriežky kryštálu.

Ako doplnil Gregor: „V rozmeroch, ktoré dokážeme dosiahnuť našou technológiou, nebol dodnes takýto kryštál nikde na svete vyrobený. Naši zahraniční partneri prejavili zatiaľ najväčší záujem práve o tento materiál.“

V súčasnosti je veľmi dôležitý pre vysokovýkonné diódou čerpané tuholátkové lasery, ktoré sa využívajú v priemysle pri rezaní a zváraní. No využitie má aj vo vede, a to pri skúmaní, ako hmota a žiarenie na seba vplývajú, či ako obrana proti dronom a raketám. Na svete nie je veľa pracovísk, ktoré túto metódu výroby kryštálov zvládli.

Ako dodal Gregor: „V rámci EÚ sme jediným pracoviskom, ktoré dokáže produkovať vybrané kryštály YAG s využitím horizontálne usmernenej kryštalizácie. Vďaka tomu má dnes naša krajina výnimočnú možnosť stať sa v tomto unikátnom priemyselnom odvetví významným hráčom na svetovej úrovni, čo by pre Slovensko prakticky znamenalo vznik úplne nového odvetvia.“

V budúcnosti by to mohlo znamenať, že okrem materiálov by sme mohli predávať aj znalosti.

Významné úspechy dosiahnuté vo výskume podnietili prípravu vytvorenia Národného znalostného a inovačného konzorcia pre oblasť laserových materiálov, ktoré by malo podporiť komercionalizáciu výsledkov domáceho výskumu a širšie zapojenie národných výskumných kapacít do európskeho výskumného priestoru.

Zdroj: https://vedanadosah.cvtisr.sk, https://www.uniza.sk; zverejnené: 10. 5. 2021, autor: rpa