Dwa granty NCN dla Wydziału Fizyki PW w konkursach OPUS 29 i PRELUDIUM 24

W konkursie OPUS 29 (651737) dofinansowanie otrzymał projekt pt. „Dwuwymiarowe heterostruktury van der Waalsa o asymetrycznym transporcie ciepła” (nr rejestracyjny 2025/57/B/ST11/02260), kierowany przez prof. dr hab. inż. Mariusza Zdrojka. Punktem wyjścia jest praktyczny problem współczesnych technologii: nadmiar ciepła ogranicza wydajność i niezawodność urządzeń – od elektroniki przenośnej po złożone układy scalone i systemy energetyczne. Zespół zamierza zaproponować podejście, które pozwoli kontrolować przepływ ciepła z precyzją zbliżoną do tej, jaką znamy z elektroniki (gdzie prąd prowadzi się za pomocą elementów kierunkowych). Celem jest opracowanie nanourządzeń działających jak zawory jednokierunkowe dla ciepła (tzw. efekt diody termicznej, czyli sytuacji, gdy ciepło płynie łatwiej w jedną stronę niż w drugą), przy parametrach lepszych od dotychczasowych rozwiązań, w tym w temperaturze pokojowej.

Kluczowym elementem projektu mają być heterostruktury van der Waalsa, czyli sztucznie zaprojektowane stosy atomowo cienkich warstw (materiałów 2D) układanych jedna na drugiej. Autorzy wskazują m.in. takie materiały jak grafen, heksagonalny azotek boru (hBN) oraz dichalkogenki metali przejściowych (np. MoS₂, WSe₂). Istotą projektu jest wykorzystanie niedopasowania drgań sieci atomów (w praktyce: różnic w sposobie, w jaki wibrują atomy w różnych warstwach), dzięki czemu transport ciepła może stać się kierunkowy. Wśród planowanych innowacji jest m.in. łączenie warstw opartych o cięższe pierwiastki (np. na bazie wolframu) z lżejszymi (np. grafenem), a także dostrajanie przewodzenia ciepła przez dobór grubości, kąt skrętu między warstwami oraz kontrolowane naprężenia w strukturze.

Projekt ma również jasno zdefiniowaną ścieżkę badawczą od koncepcji do prototypu. Zaplanowano podejście trójstopniowe: (1) modelowanie predykcyjne w oparciu o symulacje na poziomie kwantowym, aby wskazać najlepsze kombinacje materiałów i geometrii, (2) nanofabrykację struktur z wbudowanymi elementami grzejnymi i czujnikami oraz (3) ultraprecyzyjne pomiary przepływu ciepła z użyciem połączenia spektroskopii Ramana i termometrii elektrycznej. Oczekiwanym rezultatem jest prototyp urządzenia wykazującego pionowy, asymetryczny przepływ ciepła, a także sformułowanie zasad projektowania pozwalających przewidywalnie stroić własności termiczne przez dobór materiałów i parametrów ułożenia warstw. W dłuższej perspektywie potencjalne korzyści obejmują skuteczniejsze chłodzenie elektroniki, efektywniejsze wykorzystanie ciepła odpadowego oraz rozwój zaawansowanych układów cieplnych (w tym koncepcji obliczeń opartych na zjawiskach termicznych).

Drugie dofinansowanie – w konkursie PRELUDIUM 24 (648459) – uzyskał projekt „META-THz – Metastruktury dla komunikacji terahercowej (THz) bez linii widzenia (NLOS)” (nr rejestracyjny 2025/57/N/ST7/04292), kierowany przez mgr inż. Adriannę Marię Nieradkę. Projekt odpowiada na wyzwanie, które coraz częściej widać w praktyce sieci bezprzewodowych: nawet bardzo szybkie systemy tracą jakość lub zasięg, gdy na drodze sygnału pojawiają się przeszkody (ściany, zabudowa, elementy infrastruktury). Rozwiązaniem mają być fale terahercowe (THz) – położone pomiędzy falami radiowymi a światłem widzialnym – które oferują bardzo wysokie przepływności, ale jednocześnie są wrażliwe na tłumienie (np. przez wilgoć w powietrzu i przeszkody fizyczne). Celem projektu jest opracowanie bardzo cienkich, płaskich metastruktur THz, które będą kształtowały propagację fali tak, aby możliwa była komunikacja także bez bezpośredniej linii widzenia, czyli w praktyce kierowanie fal za przeszkody.

W projekcie przewidziano połączenie projektowania optycznego, symulacji komputerowych i eksperymentów z metastrukturami, tak aby przejść od koncepcji do realnych elementów kierujących sygnałem. Oczekiwany efekt to nowe komponenty wspierające rozwój przyszłych systemów łączności (w tym rozwiązań kojarzonych z sieciami 6G) oraz technologie, które mogą znaleźć zastosowanie również poza telekomunikacją, m.in. w diagnostyce i obrazowaniu, skanerach bezpieczeństwa czy kontroli jakości materiałów.