Laser włóknowy, który bezkrwawo tnie tkanki ludzkie? To będzie możliwe dzięki wspólnemu wynalazkowi naukowców z Politechniki Białostockiej, Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach i Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. – Mamy patent na szkło, z którego mogą powstać światłowody wykorzystane w laserach włóknowych do cięcia tkanek ludzkich – cieszy się dr hab. inż. Marcin Kochanowicz, prof. PB, kierownik Katedry Fotoniki, Elektroniki i Techniki Świetlnej Wydziału Elektrycznego Politechniki Białostockiej. – Wykorzystane do tego celu promieniowanie podczerwone powoduje koagulację, co oznacza, że przy cięciu poleje się mniej krwi.
Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej właśnie udzielił patentu nr 240781 trzem uczelniom, które wspólnie opracowały unikalny na skalę światową wynalazek. Przedmiotem wynalazku są tlenkowo-fluorkowe szkła tytanowo-germanianowe o właściwościach luminescencyjnych w zakresie średniej podczerwieni oraz sposób ich otrzymywania.
– To są specjalne szkła, które domieszkowane są jonami lantanowców o właściwościach spektroskopowych, które znajdują zastosowanie do budowy światłowodowych źródeł promieniowania, czyli laserów włóknowych – wyjaśnia dr hab. inż. Marcin Kochanowicz, prof. PB, kierownik Katedry Fotoniki, Elektroniki i Techniki Świetlnej Wydziału Elektrycznego Politechniki Białostockiej. – Parametry tych szkieł są inne niż standardowe szkła, które znamy do tej pory i pozwalają na uzyskanie wydajnej emisji, co ważne, w zakresie środkowej podczerwieni czyli 2,70 mikrometra – 3 mikrometry. Ten zakres jest szczególnie istotny jeżeli chodzi o medycynę, sensory optyczne, ponieważ cały trend fotoniczny przesuwa się w kierunku podczerwieni, bo tam są potrzebne społeczeństwu aplikacje.
Tlenkowo-fluorkowe szkła tytanowo-germanianowe można wykorzystać do budowy światłowodów.
– Z tych światłowodów można stworzyć lasery włóknowe, które chociażby znakomicie nadają się do cięcia tkanek ludzkich, gdzie od razu występuje koagulacja, co oznacza, dużą precyzję pracy – w skrócie objaśnia praktyczne zastosowanie wynalazku prof. Kochanowicz.
Takie szkło można także zastosować do badania zanieczyszczenia gazów.
– Każdy gaz ma pewne pasma absorpcji i tam, gdzie pokryje się emisja tego naszego szkła, bo to są szkła aktywne, które charakteryzują się emisją promieniowania, możemy nałożyć tę emisję na absorpcję gazu i w ten sposób konstruować czujniki gazów, które zanieczyszczają atmosferę – na przykład amoniak – to jest ten zakres spektralny – wyjaśnia prof. Kochanowicz.
Profesor Kochanowicz przypomina, że światłowód to konstrukcja optyczna, która propaguje promieniowanie w wyniku całkowitego wewnętrznego odbicia.
– Nie jest to rurka, chociaż są też światłowody kapilarne, ale w najprostszym wydaniu nawet pręt szklany może być światłowodem na krótką odległość – tłumaczy prof. Kochanowicz.
Twórcami wynalazku zapisanymi w opisie patentowym są prof. dr hab. Wojciech Pisarski z Instytutu Chemii Uniwersytetu Śląskiego, prof. dr hab. inż. Joanna Agnieszka Pisarska z Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych Uniwersytetu Śląskiego, wyjaśnia dr hab. inż. Marcin Kochanowicz, prof. PB, kierownik Katedry Fotoniki, Elektroniki i Techniki Świetlnej Wydziału Elektrycznego Politechniki Białostockiej oraz Prof. dr hab. Dominik Jacek Dorosz z Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Zanim naukowcy znaleźli właściwy skład szkła, prace trwały wiele lat.
– Wymagało to wielu godzin prac, wielu badań, wielu składów – zaznacza prof. Kochanowicz. – Mało tego, to się wszystko robi w warunkach beztlenowych, czyli w specjalnych komorach co znacznie utrudnia szybkość pracy. Badaliśmy właściwości optyczne, termiczne, strukturalne wielu składów i wybraliśmy szkło optymalne pod kątem i właściwości optycznych i termicznych, które pozwalają na przetwarzanie go w światłowody.
Naukowcy przewidywali, jakie domieszki do szkła mogą uczynić je użytecznymi do emisji promieniowania podczerwonego w zakładanym zakresie fal.
– Generalnie know-how to nie tylko moja praca, ale całego zespołu i poprzedników i współpracy z Uniwersytetem Śląskim, który odpowiada za wytwarzanie i pomiary optyczne, Akademia Górniczo-Hutnicza zajmowała się właściwościami strukturalnymi – zdradza kulisy narodzin wynalazku prof. Kochanowicz. – Gotowych przepisów na odpowiednie szkło nie ma. To są lata badań, background doświadczenia poprzedników, to zawsze jest praca – można powiedzieć – nawet wielopokoleniowa.
Ważne, że do tej pory tlenek tytanu – jedna z głównych domieszek – jest dostępny bez problemu.
Współpraca Uniwersytetu Śląskiego, Akademii Górniczo-Hutniczej i Politechniki Białostockiej trwa już wiele lat.
– Mamy wspólne projekty naukowe finansowane z Narodowego Centrum Nauki, mamy znajomych naukowców, których poznaliśmy na konferencjach – współpraca naukowa układa się doskonale ponieważ my się uzupełniamy – podkreśla prof. Kochanowicz. – My stanowimy tę część światłowodową, AGH część strukturalną, a Uniwersytet Śląski ma doskonałych chemików, którzy potrafią zaprojektować te szkła we współpracy z nami. To się układa doskonale. Prowadzimy badania interdyscyplinarne od technologii chemicznej poprzez inżynierią materiałową, szeroko pojętą fotonikę oraz technologię światłowodów. To wszystko musi zagrać, ponieważ nie tworzymy tylko materiału, żeby schować go do szuflady i tyko przebadać, ale po to żeby on służył dalej społeczeństwu w tej czy innej postaci.
Naukowcom marzy się, by opatentowane przez szkła zostały realnie wykorzystane do budowy światłowodów i mogli je proponować jako źródła promieniowania.
– Firmy interesuje raczej zastosowanie naszych wynalazków niż podstawowe badania, które są pierwszym krokiem w stronę pełnego sukcesu – przypomina prof. Kochanowicz. – Najpierw szkło, później światłowód, a dopiero na końcu jego realne zastosowanie.
– Zawsze cieszymy się z uznania naszych badań – przyznaje prof. Kochanowicz. – Patent po prostu potwierdza nowość, jakość i poziom naszych badań. Na pewno już wiemy, że tego nie było wcześniej i wiemy że to jest krok w nauce, który będzie prowadził do praktycznych zastosowań.
Naukowcy cenią sobie współpracę ze studentami Politechniki Białostockiej.
– Współpracujemy również ze studentami, jeździmy z nimi na konferencje, uczestniczą w badaniach, są współautorami publikacji, robią w ramach projektów prace inżynierskie, magisterskie – wylicza prof. Kochanowicz. – Zapraszamy studentów do kontynuowania nauki w szkole doktorskiej. Jesteśmy otwarci, bo no nie ma co ukrywać – w młodych jest siła, to nie ulega wątpliwości.
Kim jest dr hab. inż. Marcin Kochanowicz, prof. PB
- kierownik Katedry Fotoniki, Elektroniki i Techniki Świetlnej Wydziału Elektrycznego Politechniki Białostockiej
- ekspert i recenzent Narodowego Centrum Nauki
- członek Komitetu Metrologii i Aparatury Naukowej PAN
- współautor monografii oraz 86 artykułów z listy JCR
Opis wynalazku:
Celem twórców niniejszego wynalazku było otrzymanie tlenkowo-fluorkowych szkieł tytanowo-germanianowych emitujących intensywne promieniowanie w zakresie średniej podczerwieni.
Istotę wynalazku stanowią tlenkowo-fluorkowe szkła tytanowo-germanianowe o właściwościach luminescencyjnych w zakresie średniej podczerwieni, charakteryzujące się tym, że mają następujący skład i proporcje reagentów: tlenek tytanu TiO2 w ilości od 5 do 55% mol, korzystnie 40% mol, tlenek germanu GeO2 w ilości od 5 do 55% mol, korzystnie 20% mol, tlenek baru BaO w ilości od 0 do 35% mol, korzystnie 20% mol, fluorek baru BaF2 w ilości do 30% mol, korzystnie 10% mol tlenek galu Ga2O2 w ilości od 4,5 do 19,5% mol, korzystnie 9% mol, fluorek erbu ErF3 w ilości od 0,5 do 2% mol, korzystnie 1% mol.
Istotę wynalazku stanowi również sposób otrzymywania tlenkowo-fluorkowych szkieł tytanowo-germanianowych o właściwościach luminescencyjnych w zakresie średniej podczerwieni, prowadzony w komorze bez dostępu powietrza do reagentów, polegający na tym, że tygiel z mieszaniną reagentów umieszcza się w. piecu, gdzie ogrzewa się do temperatury od 180 do 220°C i pozostawia się na czas co najmniej 45 minut, następnie mieszaninę reagentów topi się w temperaturze od 1150 do 1300°C w ciągłym przedmuchu gazu obojętnego, a otrzymany stop w celu ujednorodnienia wytrzymuje się w tej temperaturze w czasie od 45 do 90 minut, po czym wykonuje się próbki szkieł poprzez wylanie stopionej masy do formy podgrzanej do temperatury od 275 do 325°C, a w odlanych próbkach szkieł eliminuje się naprężenia cieplne poprzez ich wygrzewanie w temperaturze od 275 do 325°C przez co najmniej 15 minut, charakteryzujący się tym, że syntezę prowadzi się przy dobraniu następujących proporcji reagentów; tlenek tytanu TiO2 w ilości od 5 do 55%mol, korzystnie 40% mol, tlenek germanu GeO2 w ilości od 5 do 55% mol, korzystnie 20% mol, tlenek baru BaO w ilości od 0 do 35% mol, korzystnie 20% mol, fluorek baru BaF2 w ilości do 30% mol, korzystnie 10% mol, tlenek galu Ga2O3 w ilości od 4,5 do 19,5% mol, korzystnie 9% mol, fluorek erbu ErF3 w ilości od 0,5 do 2% mol, korzystnie 1% mol.
Korzystnie, przed umieszczeniem w piecu tygla z mieszaniną reagentów przykrywa się go pokrywką w celu ograniczenia lotności reagentów.
Korzystnie, jako gaz obojętny stosuje się argon. Korzystnie, próbki wykonuje się w formie mosiężnej.
W efekcie otrzymuje się transparentne i całkowicie amorficzne materiały o barwie różowej, które emitują intensywne promieniowanie w zakresie średniej podczerwieni przy długości fali 2,7 mikrometra.
