Výroba je veľkou fyzikálno-chemickou výzvou.
Ilustračná fotografia. Slovenskí vedci vyvinuli technológiu, pomocou ktorej vyrábajú dôležité kryštály pre vysokovýkonné lasery. Tie sa dajú použiť napríklad v ťažkom priemysle, vo vede a inde. Zdroj: iStockphoto.com
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.
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.
„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,“ vysvetľuje pre web Veda na dosah Juraj Kajan z Ústavu konkurencieschopnosti a inovácií zo Žilinskej univerzity.
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.
„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,“ vysvetľuje postup Kajan.
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.
„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,“ hovorí Tomáš Gregor zo spoločnosti AT Crystals.
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.
„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,“ dopĺňa Gregor.
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.
„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,“ pokračuje Gregor.
V budúcnosti by to mohlo znamenať, že okrem materiálov by sme mohli predávať aj znalosti.
Zdroj: Tlačová správa Žilinskej univerzity
