Dr hab. inż. Karol Malecha z Wydziału Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki specjalizuje się w miniaturyzacji urządzeń elektronicznych. Pracuje m.in. nad wykorzystaniem ceramiki  w układach mikroprzepływowych

Jest też  tegorocznym laureatem specjalnego stypendium rektora PWr w kategorii komercjalizacja.

Iwona Szajner: Co to jest właściwie ta miniaturyzacja?
Dr inż. Karol Malecha: Od co najmniej kilkudziesięciu lat obserwujemy trend w kierunku zmniejszania rozmiarów urządzeń, zarówno elektronicznych, jak i mechanicznych. Co ważne, miniaturyzowane urządzenie zachowuje pełną funkcjonalność swojego odpowiednika ze skali makro. Miniaturyzacja szczególnie widoczna jest w elektronice, gdzie rozmiar podzespołów ma wpływ zarówno na rozmiar całego urządzenia, pobór mocy i końcową cenę urządzenia. Pierwsze komputery wykorzystujące lampy elektronowe zajmowały kilka pomieszczeń, a potem wynaleziono tranzystor i nauczono się, jak krzem obrabiać mikromechaniczne, żeby wykonywać malutkie elementy. I teraz zamiast układu wielkości całej szafy, mamy kilkumilimetrowy mikroprocesor.

Jeden z projektów, którym pan kierował, dotyczył opracowania małego urządzenia do przeprowadzania analiz chemicznych i medycznych.
Tak zwane laboratorium na chipie. Chodzi o urządzenia wielkości mniej więcej glukometra, które można by kupić sobie w aptece. Ma ono współpracować z naszym smartfonem.  Działa mniej więcej tak, że badamy niewielką ilość krwi lub śliny, a na telefonie wyświetla się informacja, czy poziom danego składnika jest w normie, czy nie. 

To bardzo przyspieszyłoby wstępną diagnostykę
Skróciłoby kolejki w laboratoriach i było odpowiedzią dla osób, które panicznie boją się strzykawek i pobierania krwi. Biochemicy w laboratoriach robią takie badania na dużych maszynach z użyciem sporej ilości odczynników, a nasze urządzenie zrobi to samo, tylko w skali mikro.

Na jakim etapie jest ten projekt?
Zakończyliśmy pierwszą fazę badań, stworzyliśmy nawet  demonstratory. Projekt finansowany był z Narodowego Centrum Nauki, jego budżet wynosił 380 000 zł.  Współpracowaliśmy jeszcze z dwoma ośrodkami – Instytutem Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej PAN oraz Uniwersytetem Medycznym. I teraz staramy się o kolejny grant na dalsze prace.

Ale przecież takie laboratoria na chipie już powstały.
Tak, ale nie przy zastosowaniu takiej metody jak nasza. My postanowiliśmy wykorzystać jako materiał bazowy ceramikę. Stosowane obecnie krzem i technologie półprzewodnikowe są stosunkowo drogim rozwiązaniem, ale ponieważ są używane masowo w procesorach (komputery czy telefony), ich produkcja się opłaca. Nasze urządzenie nie będzie produkowane na aż tak szeroką skalę, dlatego musieliśmy szukać nowych tworzyw. Teraz takie układy robi się głównie w polimerach, czyli tworzywach sztucznych. Jednak trudno jest integrować w nich elektronikę.
My obraliśmy trzecią drogę, czyli nie krzem, nie polimery, ale właśnie ceramika, którą się obrabia w formie niewypalonej.  Jest ona dostarczana nie jako sztywny materiał (jak np. kubek czy talerzyk), ale jako folia ceramiczna.  Można ją obrabiać minifrezarką czy laserem, można ją kształtować przestrzennie. A z drugiej strony da się z niej tworzyć wielowarstwowe układy elektroniczne. Dzięki temu zyskujemy jeszcze powierzchnię w trzecim wymiarze.

Czy ten projekt został wdrożony? Pytam, bo otrzymał pan w tym roku specjalne stypendium rektora PWr w kategorii komercjalizacja.
Choć tak naprawdę, żadnej z moich projektów nie wszedł jeszcze w fazę wdrożeniową (śmiech).

Ale ma szanse?
Tak, bo taki jest trend w nauce, żeby wymyślać rzeczy, które znajdą potem zastosowanie w przemyśle, ktoś je zwyczajnie kupi i zechce produkować na większą skalę. Ubiegamy się o finansowanie dwóch innych projektów, które mogą zainteresować przemysł.

Zdradzi pan, co to za projekty?
Pierwszy z nich miałby być finansowany przez Narodowe Centrum Nauki, to projekt wspólny z Wydziałem Elektroniki i dr. hab. Piotrem Słobodzianem.  Mam w nim pracować 6 osób. Chodzi o zastosowanie  mikrofal do analiz chemicznych. Już wyjaśniam, o co chodzi. Ceramika jest takim materiałem, który wykorzystuje  się do specyficznej elektroniki – stosuje się w łączności bezprzewodowej, np. w  antenach telefonów komórkowych, gdzie na małej objętości można zmieścić bardzo długą antenę.  Wykorzystuje się ją też do łączności na częstotliwości z zakresu gigaherców, czyli tzw. mikrofale.  
Wpadliśmy na pomysł, żeby użyć mikrofali w naszych układach mikroprzepływowych do analiz chemicznych. Okazuje się, że za pomocą mikrofal można precyzyjnie podgrzać substancję znajdującą się w mikrokanale, bez konieczności podgrzewania całego urządzenia. Wiele procesów chemicznych wymaga  dokładnego ustalenia temperatury, np. reakcje enzymatyczne, które potrzebują 37 stopni, bo wtedy działają najbardziej wydajnie. Konwencjonalnie bardzo trudno jest utrzymać jednorodny rozkład temperatury w obszarze aktywnym urządzenia.

A wasze urządzenie potrafi?
Przeprowadziliśmy pierwsze eksperymenty przy syntezie nanomateriałów. Dokładnie przy nanocząstkach  złota, stosowanych np. w kosmetykach. Skonstruowaliśmy taki miniaturowy reaktor, w którym wykazaliśmy, że oddziałując mikrofalami na substraty wejściowe, otrzymujemy gotowy produkt po dwóch minutach. W normalnych warunkach zajmuje to około dwóch, trzech godzin. 
Można więc tę metodę wykorzystać do przyspieszania procesów chemicznych, ale też do wykrywanie różnych substancji. W zależności, co przepływa w mikrokanale, zmieniają się właściwości elektryczne urządzenia. Następuje lekkie przestrojenie urządzenia. Jeżeli dwie substancje ze sobą reagują, zmienia się częstotliwość wyjściowa.

I nikt na świecie jeszcze takiej metody nie opracował?
Wygląda na to, że wstrzeliliśmy się w temat. Pierwsze zupełnie teoretyczne opracowania innych pracujemy od roku.

Widzi pan szansę na komercjalizację  tego projektu?
Tak, bo możliwości zastosowania mikrofal są olbrzymie. Od wielu lat „walczymy” z takim urządzeniem do łańcuchowej reakcji polimerazy, nazywanym  reaktorem PCR. To służy do powielania wybranych nici DNA, wszędzie tam, gdzie jest mało materiału genetycznego, np. na miejscu zbrodni, gdzie mamy tylko wycinek włosa, na której trzeba wykonać szereg analiz. I tu właśnie z pomocą przychodzi reakcja PCR, która pozwala multiplikować ten sam fragment. Wykonuje się to w specjalnych termocyklerach, gdzie próbkę podgrzewa się do trzech różnych temperatur.  To jest bardzo droga i rozbudowana technologia. My chcemy przenieść ją do miniaturowej skali.

Ile pieniędzy potrzebujecie na badania?
Wnioskujemy o około 1 milion złotych, ale zaznaczę, ze są to bardzo wstępne badania.

A drugi projekt?
Też ma duże szanse na wdrożenie, bo aplikujemy wspólnie z firmą, która takich rozwiązań elektronicznych potrzebuje. Tym razem staramy się o dofinansowanie w ramach Horyzontu 2020. Współpracujemy tutaj z Centrum Badań Kosmicznych oraz wrocławską firmą Techtra. A chcemy pomniejszyć detektory cząstek wysokoenergetycznych.

Brzmi bardzo kosmicznie.
(śmiech) I jest! To są czujniki wykorzystywane do wykrywania pogody kosmicznej. Ziemia w każdej sekundzie  jest bombardowana  przez setki tysiące cząstek z wiatru kosmicznego, które odbijają się od pola magnetycznego Ziemi. Jednak część z nich przedostaje się do naszej atmosfery. Obserwujemy wtedy zjawisko  zorzy polarnej. Raz na 100-150 lat zdarza się coś takiego jak super burza słoneczna.  Wtedy przez pole magnetyczne Ziemi przenika bardzo dużo  cząstek wiatru słonecznego i powodują one uszkodzenia  urządzeń elektrycznych, linii przesyłowych. W latach 80. coś takiego wydarzyło się w Kanadzie.  Padło wtedy zasilanie w niemal całym mieście Quebec.

Czyli takie zjawiska można przewidzieć?
Dlatego właśnie monitoruje się zjawiska w przestrzeni komicznej. Na robicie okołoziemskiej umieszcza się detektory. Co ciekawe, wykonuje je jedna z wrocławskim firm.  Są to takie pudełka wielkości 10 na 10 cm, które wysyła się w kosmos. Naszą rolą jest zminiaturyzować część elektroniczną, tak żeby zmieścić na małej powierzchni jak najwięcej aparatury, badającej różne zjawiska związane z wiatrem słonecznym.

Jak doszło do tej współpracy?
Pracownik tej firmy robił u nas studia magisterskie. Widział, nad jaką technologią pracujemy. Okazało się, że możemy zrobić coś wspólnie.

Jest pan w stanie ciągnąć równolegle tyle projektów?
To kwestia dobrania odpowiedniego zespołu i kontroli, żeby wszystko dobrze działało.  Największym wyzwaniem związanym z grantami jest biurokracja. Trzeba naprawdę niekiedy się namęczyć, żeby sprostać oczekiwaniom  instytucjom przyznającym fundusze.
Iwona Szajner

* Dr hab. inż. Karol Malecha - jest absolwentem Wydziału Podstawowych Problemów Techniki na kierunku Inżynieria Materiałowa. Studia ukończył z wyróżnieniem Rektora PWr. Za pracę dyplomową magisterską otrzymał drugą nagrodę w konkursie Stowarzyszenia Elektryków Polskich. W roku 2009 obronił z wyróżnieniem pracę doktorską, która została nagrodzona w konkursie Młodzi Innowacyjni 2010, zorganizowanym przez Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów (PIAP) w Warszawie. W 2014 otrzymał stopień doktora habilitowanego w dziedzinie elektronika. Jest laureatem wielu prestiżowych nagród m.in. stypendium „Start” Fundacji na rzecz Nauki Polskiej (FNP), stypendium Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego, nagroda naukowa JM Rektora PWr im. Dionizego Smoleńskiego, nagroda naukowa Wydziału IV Polskiej Akademii Nauk. Jest autorem lub współautorem ponad 80 prac naukowych (w tym 26 z tzw. listy filadelfijskiej). Ponadto jest współautorem siedmiu patentów.