Kodėl Bermudų trikampyje praėjusiame šimtmetyje gan dažnai dingdavo lėktuvai, o pasiklydę laivai būdavo randami be žmonių? Viena hipotezė aiškino, jog dėl to kalti požeminiai drebėjimai, sukeldavę žemo dažnio garso bangas – infragarsą, išvesdavusį laivų jūreivius iš proto.

Eksperimentai, veikiant žmones 17 hercų dažnio garsu, patvirtino, kad tyrimo dalyviai iš tiesų jaučia nerimą ar baimę. Spėjama, jog būtent tokio dažnio garsai sklinda vietose, kuriose vaidenasi.

Kaip ten bebūtų, mus iš tiesų nuolat supa įvairiausi garsai arba, tiksliau sakant, iš įvairių šaltinių sklindančios garso bangos. Mes patys taip pat esame garsų šaltinis. Akustinės bangos padeda mums orientuotis pasaulyje, leidžia pamatyti tai, ko nemato akis. Jomis netgi diagnozuojamos arba gydomos ligos.

Pagrindai – iš senovės graikų

Akustika tiria garso bangų ypatumus ir jų taikymus, mechaninių bangų sklidimą dujose, skysčiuose ir kietuose kūnuose. Gautos žinios jau nuo seno taikomos architektūroje, hidrolokacijoje, medžiagotyroje, medicinoje ir kitur.

Naujausiomis žiniomis, ultragarso generatoriai, implantuoti pavojingiausiu smegenų augliu – glioblastoma sergančio paciento smegenyse, padeda vaistams lengviau iš kraujo patekti į smegenis.

„Akustika – labai senas mokslas. Dar senovės graikai kūrė savo amfiteatrus taip, kad net aukščiausioje eilėje sėdintys žiūrovai girdėtų, kas šnibždama arenoje. Mūsų sritis yra fizikinė akustika. Tyrinėjame fizikinius reiškinius įvairiose medžiagose, pasitelkdami garsus. Akustika yra garsų mokslas, bet tie garsai yra girdimi ir negirdimi“, – sako Lietuvos mokslo premijos laureatas fizikas prof. Daumantas Čiplys.

Žmogus girdi garsus maždaug iki keliolikos tūkstančių virpesių per sekundę, t.y. keliolika kilohercų. Tačiau mums svarbūs ir ausiai negirdimi garsai – tokie kaip ultragarsas. Medicinoje naudojamų garso bangų dažnis gali siekti nuo kelių iki dešimties milijonų virpesių per sekundę.

„Fizikai naudoja labai aukšto dažnio bangas, kurios virpa šimtus milijonų kartų per sekundę. Nuo šimtų megahercų iki gigahercų. Tos bangos tokios trumpos, kad jomis galima „pačiupinėti“ medžiagoje esančius atomus, jonus, elektronus, šviesos kvantus“, – LRT Televizijos laidai „Mokslo ekspresas“ tvirtina D. Čiplys.

Tai reiškia, kad garso bangos medžiagotyroje gali būti naudojamos taip pat, kaip lazeriai. Tik lazeris skleidžia optinio diapazono elektromagnetinę spinduliuotę, o garso bangos yra mechaniniai virpesiai.

„Negalima sakyti, kad vienas metodas geresnis už kitą. Tai – skirtingi metodai, jie turi skirtingas galimybes. Mūsų dalis darbų yra iš akustooptikos srities. Akustooptika – tai akustinių bangų ir šviesos bangų sąveika. Sujungiame lazerius su akustinėmis bangomis“, – pasakoja D. Čiplys.

Tokios sinergijos ištakų reiktų ieškoti XIX amžiuje. Labai svarbus įvykis buvo pjezoelektrinio reiškinio atradimas 1880 metais. Jo autoriai – broliai Pierre`as ir Jacques`as Curie.

Tai reiškia, jog spaudžiant medžiagą, joje susidaro elektriniai krūviai, t.y. gaminama elektra. Galimas ir atvirkščias efektas. Prie pjezoelektrinėmis savybėmis pasižyminčios medžiagos prijungus elektros įtampą, medžiaga deformuojasi. Ji pailgėja arba susitraukia. Žodžiu, keičia savo formą.

„Vienas iš žinomų pjezoelektrinio reiškinio buityje pritaikymų – dujų uždegimo kibirkštėlės. Paspaudus mygtuką, susispaudžia viduje esantis kristaliukas ir susidaro tokia aukšta įtampa, kad šoka kibirkštis. Šis reiškinys būdingas ne visoms medžiagoms, o tik pjezoelektrikams. Tai leidžia generuoti aukšto dažnio aukustines bangas“, – aiškina D. Čiplys.

1885 metais anglų fizikas, Nobelio premijos laureatas Lordas Reilis atrado, jog žemės drebėjimų metu paviršiumi sklinda seisminės bangos. Tai laikoma paviršinių akustinių bangų tyrimo pradžia.

VU fizikų naudojamos akustinės bangos yra analogiškos mechaninėms seisminėms bangoms, tik jų ilgiai daug mažesni. Vaizdžiai sakant, mokslininkai kristaluose sukelia mikrodrebėjimus ir taip sužadina paviršines akustines bangas.

„Akustooptika – sąveika tarp šviesos ir akustinių bangų buvo realizuota XX a. pirmoje pusėje. Bet tai dar nebuvo audringas vystymasis, ypač paviršinių bangų, o daugiau buvo dirbama su tūrinėmis bangomis. Tuo metu vystėsi hidrolokacija aptikti laivams. Toliau pjezoelektrikai buvo naudojami radiotechnikoje. Revoliucingas pokytis įvyko praeito amžiaus antroje pusėje, kai buvo surastas metodas efektyviai ir nebrangiai žadinti paviršines akustines bangas“, – „Mokslo ekspresui“ pasakoja D. Čiplys.

Buvo sukurti paviršinių akustinių bangų keitikliai. Juos sudaro dvi grupės elektrodų, sunertų vienas į kitą. Tai sukėlė revoliuciją elektroninių prietaisų gamyboje.

Dabar sunku įsivaizduoti prietaisą, kuriame tokio įtaiso nebūtų. Pradedant mobiliuoju telefonu ir baigiant radijo aparatu arba televizoriumi. Toks keitiklis, paprastai kalbant, yra filtras. Juk radijo imtuvas, televizorius ar kitas įrenginys turi iš visų erdvėje sklindančių dažnių spektro išskirti tik tam tikrą dažnį, kurį jis priima.

„Anksčiau radijo imtuvuose buvo ritė ir kondensatorius, kuriuos reikdavo sukioti. Tai buvo nelabai patogu. Paviršinis akustinių bangų įtaisas yra filtras, nes jis žadina akustines bangas tik tam tikro dažnio. Tie filtrai maži, nebrangūs ir efektyvūs“, – tvirtina D. Čiplys.

Tokie filtrai, juos kiek modifikavus, gali tapti norimo dažnio garso bangų generatoriumi. Taip veikia jūsų garažo duris arba automobilio dureles atrakinantis pultelis, siunčiantis radijo bangas. Jas kuria paviršinių akustinių bangų generatorius.

VU Fizikos fakultetoradiofizikos katedros fizikinės akustikos laboratorijos mokslininkai šių metų Lietuvos mokslo premiją pelnė už darbų ciklą „Aukštadažnės akustinės bangos feroelektriniuose kristaluose, plačiatarpiuose puslaidininkiuose ir nanostruktūriniuose dariniuose“.

„Paviršinės bangos mus domino kitais aspektais. Kadangi paviršinė banga sklinda paviršiumi, ji labai jautri paviršiaus, kuriuo sklinda, savybėms. Todėl labai didelės perspektyvos panaudoti paviršines akustines bangas jutikliuose. Jutiklis – tai toks įtaisas, kuris jaučia kažkokį išorinį poveikį. Ar tai būtų temperatūra, ar dujų buvimas ore, drėgmė, ar spinduliuotė. Registruodami akustinės bangos reakciją, jūs galite pasakyti, koks buvo tas poveikis“, – pasakoja D. Čiplys.

Taip veikia mokslininkų sukurtas kvėpavimo jutiklis, kuriame pagrindinį vaidmenį atlieka paviršinė akustinė banga. Kvėpuodamas žmogus išskiria tam tikrą drėgmės kiekį, kurį fiksuoja aparatūra. Kaip pavyko sukurti tokį jautrų ir spartų jutiklį?

„Pirmiausia reikia parinkti medžiagas. Padėklas yra pjezoelektrinė plokštelė, kurioje sklinda paviršinė akustinė banga. Bet akustinės bangos kelyje yra ant paviršiaus uždedamas plonas drėgmei jautrus sluoksnis. Pasikeitus drėgmei, pasikeitė sluoksnio savybės ir akustinė banga tai užregistravo. Jeigu mes tokį jutiklį laikome arti nosies, užrašome, kaip žmogus kvėpuoja“, – LRT Televizijos laidai „Mokslo ekspresas“ pasakoja D. Čiplys.

Išskirtinis sukurtų jutiklių bruožas – labai spartus reagavimas į drėgmės pokyčius. Tai pavyko pasiekti, panaudojus šiuolaikines nanostruktūrines medžiagas – organinius porfirino junginius ir grafeno darinius.

Pagal iškvepiamo oro sudėtį galima diagnozuoti įvairias ligas arba jų pradžią. Tokie jutikliai, juos tinkamai nukalibravus, galėtų tiksliai nustatyti, pavyzdžiui, acetono ar kitų patologiją liudijančių cheminių junginių kiekį.

Poreikis auga

Pasauliui reikia vis daugiau išmaniųjų medžiagų. Ypač elektronikoje, siekiant kurti vis spartesnius ir mažiau kaistančius kompiuterius. Kita sritis – jutikliai, kurie greitai, bevieliu būdu ir tiksliai nustato įvairiausias chemines medžiagas, biologinius junginius ore, biologiniuose skysčiuose ir bet kur kitur.

Sukurtas medžiagas reikia visapusiškai ištirti, patikrinti, kokiomis savybėmis jos pasižymi ir kur gali būti naudojamos. Štai ir išmuša Lietuvos fizikų valanda.

„Buvome vieni pirmųjų, kurie ištyrė akustinių bangų sklidimą ir sąveikas trečios grupės elementų nitriduose. III gr el nitridai – aliuminio nitridas, Galio nitridas, patraukė tyrėjų ir praktikos dėmesį, nes tai labai perspektyvi puslaidininkinė medžiaga. Ypatingai perspektyvi naudojant su ultravioletine spinduliuote. Ir optinio diapazono trumpabange spinduliuote“, – aiškina D. Čiplys.

Dabar pasaulyje itin daug dėmesio skiriama optinių ryšių sistemoms tobulinti. T. y., kuo efektyviau valdyti šviesą, kuri neša informaciją. Informacija koduojama, keičiant šviesos intensyvumą, spindulio sklidimo kryptį, spektrinę sudėtį. Aukštadažnės akustinės bangos tam puikiai tinka.

„Pagaminome nitridų plėvelių pagrindu šviesolaidžius, kuriuose sklinda šviesa ir akustinėmis bangomis įgyvendinom šitą šviesos valdymą. Akustinė banga veikia kaip difrakcinė gardelė ir leidžia šviesą moduliuoti, keisti jos kryptį ir dažnį. Tai tolimesnėje perspektyvoje turėtų būti pritaikoma integrinės optikos grandinėse. Kada visi optiniai elementai jau yra ne atskiri, o suformuoti ant kristalo paviršiaus. Panašiai kaip mikroelektronikoje puslaidininkiniai elementai suformuojami ant silicio kristalo paviršiaus“, – teigia D. Čiplys.

Integrinėje optoelektronikoje nitridai yra ta terpė, kurioje vyksta šviesos signalų generavimas, priėmimas ir valdymas. Vienas iš valdymo būdų yra akustooptinė sąveika. Akustooptiniais moduliatoriais keičiamas šviesos intensyvumas, deflektoriais – šviesos sklidimo kryptis, derinamaisiais filtrais – šviesos spektras.

„Iškėlėme idėją, kad galim registruoti UV spinduliuotę paviršinėmis akustinėmis bangomis. Šita idėja paremta tuo, kad pašvietus į nitrido sluoksnį, keičiasi jo laidumas, o akustinė banga jaučia tą laidumą ir keičiasi jos parametrai“, – pasakoja D. Čiplys.

Lietuvos mokslininkai – pirmieji pasaulyje

Lietuvos fizikai pirmieji pasaulyje ištyrė, kaip ultravioletinė spinduliuotė veikia paviršinių akustinių bangų sklidimą nitridų sluoksniuose. Tai leidžia sukurti UV spinduliuotės jutiklius. Nematomi ultravioletiniai spinduliai gali būti ir naudingi, ir žalingi. Todėl reikalingi jutikliai, kuriais ši spinduliuotė registruojama ir matuojamas jos stiprumas.

Pritaikymo sritys – pačios įvairiausios. Pradedant pramoninėmis technologijomis ir baigiant sveikatos apsauga. Ultravioletinis jutiklis gali tarnauti kaip liepsnos detektorius, kurią gali sukelti ne vietoje numestas degtukas arba iš balistinės raketos besiveržiančios dujos.

„Mūsų jutikliai yra bekontakčiai, nes jiems nereikia matuot elektros srovės. Padarius generatorių su paviršinėmis bangomis, signalas yra radijo dažnio formato. Dažnį galima labai tiksliai matuoti, todėl šitokių jutiklių tikslumas būtų labai didelis. Antra, jie gali veikt kaip nuotoliniai jutikliai. Visa informacija bus perduodama radijo bangomis“, – „Mokslo ekspresui“ pasakoja D. Čiplys.

Išmaniosios medžiagos pasižymi savybėmis, kurias galima keisti ir valdyti elektriniu ar magnetiniu laukais, mechaniškai, veikiant jas temperatūra. Per kelis dešimtmečius atrasta nemažai išmaniųjų medžiagų tipų.

Viena tokia grupė vadinama feroelektrikais. Šios medžiagos įsielektrina, jas veikiant išoriniu elektriniu lauku ir lieka įsielektrinusios, netgi tą lauką išjungus. Feroelektrikai gali padėti išsaugoti Gordono Mūro dėsnį.

Šiuolaikinius tranzistorius mėginama tobulinti, į jų konstrukciją įterpus feroelektrinių medžiagų. Nanopjezotronikos specialistai jau sukūrė lauko tranzistorius, diodus, jutiklius ir srovės nanošaltinius, kurie veikia, lankstant klasikinio puslaidininkio-pjezoelektriko nanosiūlus arba nanojuosteles. Tokiais elektros srovės nanošaltiniais aprūpinti tranzistoriai išskirtų kur kas mažiau šilumos, todėl būtų galima dar labiau juos sumažinti. Tradiciniais metodais tą padaryti vis sunkiau, nes vis sunkiau išsklaidyti tokių itin mažų komponentų išskiriamą šilumą.

Mokslininkai tiria ne tik kristalines, bet ir polimerines pjezoelektrines medžiagas. Tai labai įdomi sistema, kurioje polimero savybės suderintos su pjezoelektriniu reiškiniu. Šios medžiagos jau dabar naudojamos įvairiose srityse. Ne tik Žemėje, bet ir kosmose.

„Pjezolektrikai plačiai naudojami atominiuose mikroskopuose, kuriais atlikami įvairių mėginių skenavimai. Tą procedūrą galima atlikti labai tiksliai, naudojant pjezoeletrines medžiagas. Jos stumdyti prietaiso veidrodį. Taip pat šios medžiagos naudojamos akcelerometruose, kurie lengvuosiuose automobiliuose matuoja pagreitį. Ir netgi kosmose, Hubble teleskope“, – pasakoja Lietuvos mokslo premijos laureatas dr. Vytautas Samulionis.

Mokslo premijos laureatai vieni pirmųjų pasaulyje pritaikė pažangius aukšto dažnio tūrinių ir paviršinių akustinių bangų metodus šiuolaikinių medžiagų tyrimams.

Tai atskleidė stebinančias sudėtingų struktūrų medžiagų savybes ir pagimdė ne vieną idėją apie jų inovatyvų taikymą šiuolaikinės elektronikos, medžiagotyros, sensorikos srityse.