„Mokslo ekspresas“: kiborgai

Kaip sukurti implantus, kurie praplėstų mūsų mąstymo, suvokimo galimybes, sulėtintų senėjimą ir pailgintų gyvenimą? Atsakymų į šiuos klausimus ieško organinės optoelektronikos specialistai, kuriantys sudėtingų molekulių sistemas.
Galbūt girdėjote apie transhumanistų judėjimą, kurio nariai svajoja apie galimybę radikaliai patobulinti žmogaus smegenis ir kūną, sustiprinti juos implantais. Tokie implantai praplėstų mūsų mąstymo, suvokimo galimybes, sulėtintų senėjimą ir pailgintų gyvenimą, taip pat laiku įspėtų apie ankstyviausius vėžio bei kitų ligų požymius. Kai kurias tokias vizijas gali padėti įgyvendinti sritis, kurioje sėkmingai darbuojasi ir Lietuvos fizikai kartu su chemikais. Tai organinė optoelektronika, gimusi chemijos ir fizikos mokslų sandūroje.

„Mes kuriame naujas medžiagas elektronikai, bet neįprastas. Puslaidininkiai – tai dažniausiai silicis, o naujos organinės medžiagos yra minkštos. Tokios, iš kurių sudaryti mes patys. Tai organinės molekulės. Tos pačios organinės molekulės, kurios tinka gyvai gamtai, labai gerai tinka elektronikai.
Iki šiol jos nebuvo plačiai naudojamos, nes tai sudėtingos sistemos. Jų savybių išsamūs tyrimai ir plati cheminė sintezė leido jas panaudoti pastaraisiais metais“, – sako VU Taikomųjų mokslų instituto direktorius profesorius Saulius Juršėnas.

Elektronikos prietaisus integruosime į kūną

Organinės elektronikos produktai – tai organiniai ekranai, mobiliųjų telefonų ekranai, bendrojo apšvietimo elementai, saulės gardelės, kopijavimo aparatų fotoreceptoriai, įvairūs jutikliai ir kitokie prietaisai. Šios medžiagos sukurtos XX amžiaus pabaigoje supratus, kad reikia naudoti ne vieną organinės medžiagos sluoksnį, o galima sukonstruoti prietaisą iš kelių sluoksnių. Tokiu būdu, derinant kelis molekulinius sluoksnius, galima gauti sandaras, panašias į įprastinius puslaidininkius. Taip buvo gauti pirmieji efektyvūs naujos kartos prietaisai. Tokie, kaip organiniai šviestukai, angliškai vadinami OLED.

Pasak S. Juršėno, organinės elektronikos reikia ten, kur reikia didelių, lanksčių, pigių sluoksnių: „Einama link to, kad mes tuos elektronikos prietaisus spausdinsime spausdintuvais kvadratiniais kilometrais. Pavyzdžiui, saulės gardelių, bendrojo apšvietimo gamyboje. Mes turėsime šviečiančius tapetus, turėsime dangas ant stiklų, kurios atliks ekranų vaidmenį. Turėsime gudrių jutiklių, kurie padės gyventi“.

Itin įdomus organinės elektronikos sistemų pritaikymas laukia medicinoje. Kai kas turėtų pradžiuginti žmones, nebijančius savęs tobulinti svetimkūniais.
„Organinė elektronika tuo gera, kad ji suderinama su biologinėmis sistemomis. Galėsime integruoti elektronikos prietaisus į organizmus. Tai kelias į susiliejimą bioobjektų su elektronikos objektu. Taip galėsime save patobulinti. Jeigu dabar nešiojamės atmintį kišenėje, nešiojamės ryšio priemonę, tai ilgainiui tai bus integruota į kūną“, – prognozuoja mokslininkas.

Kadangi sintetinamų molekulių matmenys tesiekia kelis nanometrus, tai yra tikroji nanotechnologijų sritis. Tačiau norint jas sukurti, reikia daug specifinių žinių. Todėl fizikai tokias sudėtingas molekules kuria kartu su cheminės sintezės specialistais. Šios molekulės atlieka daugelį funkcijų, kurios reikalingos minėtiems prietaisams.

„Mes kuriame dirbtinę sistemą, kuri atlieka prietaiso vaidmenį. Ironiška, bet mes grįšime vėl prie tos „blogos“ idėjos, nuo kurios pradėjom, kad reikia iš vieno sluoksnio daryti prietaisą. Tik visos funkcijos bus sudėtos į vieną molekulę. Atskiras fragmentas bus atsakingas už injekciją arba energijos padavimą, kitas fragmentas – už švietimą, trečias elementas – už elektronikos funkcijas ir t. t.“, – pasakoja S. Juršėnas.

Patobulino mėlyną taškelį

Organinė sintezė, be abejo, leidžia daug, bet yra ir kita medalio pusė. Kuriant ar formuojant sudėtingas sistemas, reikia suprasti jų veikimo ypatumus. Mat sistema, prijungta prie kokios nors molekulės papildomų funkcinių grupių, gali iš esmės pasikeisti. Junginys įgauna naujų savybių. Jos gali būti labai naudingos, o kartais – žalingos. Tai šiek tiek primena loteriją.

„Chemikai sintetina molekules, bet dažnai mes pasiūlome struktūrą. Tai nuolatinis bendradarbiavimas. Jie sintetina, mes ištiriame, suprantam kažką, siūlome, jie vėl sintetina. Sintetina tai, ką gali. Taip ilgainiui gauname neblogą rezultatą – molekules, pasižyminčias tokiomis savybėmis, kokių šiuolaikiniai prietaisai dar neturi. Gaunam puikias judrio savybes, puikias molekules lazerinėms sistemoms“, – sako fizikas.

Lietuvoje yra labai talentingų chemikų, o per kelis dešimtmečius susiformavo geros puslaidininkių fizikos tradicijos. Sujungus šias kryptIs, specialistų patirtį, sparčiai vystoma nauja sritis – organinė elektronika. Tą liudija S. Juršėno grupės vykdomas projektas „Multifunkcinių molekulinių sistemų fotofizikinių savybių valdymas“. Tokie darbai atrenkami per tarptautinį konkursą.

„Mes pasiūlėme šitą kryptį – sudėtingų daugiafunkcinių molekulių fotofizikinių savybių valdymą. Vykdome darbus 5–7 sistemose, kurių savybes tiriame. Gavome gerų rezultatų“, – teigia S. Juršėnas.

Iš tokių molekulių jau sėkmingai kuriami jautrūs metalų jutikliai. Šios sistemos leidžia greitai ir tiksliai nustatyti geležies kiekį biologiniuose skysčiuose – tokiuose, kaip kraujas. Iš tokių molekulių sukurtas jutiklis yra labai selektyvus. Molekulės itin greitai prisijungia geležį. Tačiau šių medžiagų panaudojimo spektras kur kas platesnis.

„Pavyzdžiui, paskutinis mūsų geras darbas – gerinom mėlyną taškelį. Jis turi problemų, degraduoja, molekulės brangios. Mes radom kelią, kaip padaryti jį nebrangų su tomis pačiomis savybėmis, o judris dar geresnis. Mes kartu su viena lietuviška įmone, kuri sintetina tas medžiagas, pardavėme tų molekulių už 120 tūkst. Lt“, – pasakoja pašnekovas.

Minimas mėlynas taškelis yra viso labo ekrano pikselis. Kaip žinote, pikseliai sudaryti iš trijų spalvų taškelių. Kuo geresni tie spalvoti taškeliai – tuo kokybiškesnis vaizdas kompiuterio ar televizoriaus ekrane. Šią patobulintą medžiagą – miltelius – iš lietuvių perka didžiausios elektronikos kompanijos iš Japonijos, Vokietijos. Atrodo, tokia smulkmena, o kokia naudinga.

Paprastai savybės tiriamos dviem būdais. Galima tiesiog imti įvairius preparatus, molekules, tikrinti jų chemines savybes ir tinkamus junginius naudoti. Kitas kelias – patikrinus medžiagą, patiems tas savybes keisti, tobulinti. Pavyzdžiui, nustačius, kad koks nors metalo atomas noriai kabinasi prie susintetintos molekulės, galima šią jos ypatybę sustiprinti.

Pakuotė pasakys, ar sūrelis nesugedęs

Pasak S. Juršėno, tokios sistemos gali atrodyti kaip tam tikri gudrūs sluoksniai, kurie būtų jautrūs aplinkos poveikiui: „Pavyzdžiui, galima sukurti gudrų įpakavimą, kuris žinotų, ar maisto produktas buvo laikomas tinkamoje temperatūroje. Jeigu sūrelis bus diena ilgiau, negu reikia, netinkamoje temperatūroje, ant pakuotės nušvis užrašas „sugedęs“.

Mokslininkai atkakliai kuria naujas sistemas, naujas molekules, kurias sintetina dešimtimis. Jau dabar jie džiaugiasi rezultatais ir savo nuojauta. Ir galvoja apie pramoninę gamybą dar didesniais kiekiais.

„Yra prasmė Lietuvoje turėti tam tikrą technologinę bazę ir pramonę, kuri galėtų kurti tokias organinės elektronikos sistemas. Naujame Saulėtekio slėnyje bus investuojama į šią kryptį. Taip pat ir Kaune – ten dirba KTU prof. Gražulevičiaus grupė. Lietuvoje bus du slėniai, kuriuose mokslininkai rimtai užsiims organinės elektronikos technologijomis. Manom, kad gims naujos įmonės“, – teigia S. Juršėnas.

Pavyzdžiui, vos prieš penkerius metus skaidrių, lanksčių ir gana didelių ekranų buvo galima pamatyti tik moksliniuose fantastiniuose filmuose. Tokiuose kaip „Įspėjantis pranešimas“. O dabar tokį produktą jau galima įsigyti. Šios srities rinka kasmet išauga apie 50 proc. Tai viena iš sparčiausiai besivystančių mokslo ir technologijų sričių pasaulyje.

„Šitie gražūs tirpaliukai ir yra mūsų tiriamos molekulės – mes jų tiriame šimtus. Mūsų tikslas – pagerinti fluorescencines savybes, pagerinti sluoksnių savybes ir daryti iš to prietaisą. Tokie miltukai yra parduodami šimtais kilogramų, o gramas kainuoja brangiau negu narkotikai. Iš vieno kilogramo galima padaryti 100 tūkst. vaizduoklių. Tai labai brangios medžiagos“, – atskleidžia fizikas.

Susintetintų organinių molekulių sluoksnių savybės kinta priklausomai nuo aplinkos sąlygų. Ir tai reiškia, kad tokias medžiagas labai patogu naudoti kaip jutiklius, atpažįstančius pačias įvairiausias naudingas ar kenksmingas medžiagas. „Galima naudoti kaip organinių garų jutiklį. Pavyzdžiui, chemijos pramonėje galima būtų kontroliuoti garų nuotėkį“, – sako S. Juršėnas.

Labiausiai viliojantis iššūkis – organinio lazerio sukūrimas

Sprogmenų jutikliai kuriami taip pat naudojant šią technologiją. Tereikia atrasti molekules, kurios reaguoja į sprogmenis, jungdamosi prie jų. Įvykus tokiam susijungimui, medžiaga gali nušvisti. Dažniausiai fluorescencija naudojama kaip vienas jautriausių metodų. Taip tyrinėjamos įvairių biologinių skysčių savybės. Ir paprastai tai matyti spalvos, intensyvumo pokyčiuose.

„Viena iš temų, kurią nagrinėjame – pirimidino dariniai, kurie panašūs į DNR bazes. Galima pakeisti vieną iš tų molekulių į mūsų siūlomą molekulę, kuri yra šviečianti. Pagal tą šviesą galima analizuoti, kaip organizme funkcionuoja DNR. Tai gali būti jutiklis arba žymeklis. Mūsų tikslas – ištirti, kaip šitos sistemos elgiasi, priklausomai nuo aplinkos poliškumo, nuo klampos, prijungtų grupių“, – teigia S. Juršėnas.

Tokie jutikliai gali būti naudojami ankstyvai įvairių ligų diagnostikai, taip pat atliekant fundamentalius tyrimus, stebint ląstelėse vykstančius procesus. Beje, mokslininkai patenkinti, kad šios molekulės labai sudėtingos. Atrodo, keista, bet dėl to visuomet galima rasti problemos sprendimą.

Jeigu savybės netinka, tereikia pakeisti vieną ar kitą funkcinę grupę, šiek tiek modifikuoti sintezės sąlygas ir gaunama pagerinta molekulės versija. Kol kas didžiausias ir labiausiai viliojantis iššūkis organinės optoelektronikos specialistams – organinio lazerio sukūrimas. Tikimasi tokią sistemą sukurti per artimiausius penkerius metus.

„Turint organinį lazerį, galima sukurti matricą. Šitie organiniai lazeriai galės testuoti biomėginius. Pakaks paseilinti mėginį ir prietaisas parodys, kokiomis ligomis susirgsite, kiek gyvensite“, – žada S. Juršėnas.

Taip, žingsnis po žingsnio, vienydami įvairių mokslo sričių pastangas, mokslininkai iš tiesų įgyvendina fantastų vizijas. Kiborgai – jau greta mūsų.

„Mokslo ekspresas“: kiborgai – jau greta mūsų