Trzy razy, kiedy mogliśmy być drugą Japonią. A wyszło... jak zawsze

Polska może się pochwalić światowej klasy naukowcami, którzy dokonują przełomowych odkryć i opracowują rewolucyjne technologie. Niestety, kiedy przychodzi co do czego, nader często nie potrafimy zrealizować potencjału takiego odkrycia. Oto historie trzech przypadków, kiedy niemal udało się nam wstrząsnąć światem technologii.

Grafen to po prostu węgiel - to stwierdzenie, chociaż prawdziwe, nie mówi jednak wszystkiego. Rzecz w tym, że węgiel występuje w różnych formach, które różnią się sposobem, na jaki uporządkowane są jego atomy. W przypadku grafenu mamy do czynienia z warstwą o grubości jednego atomu, w której poszczególne atomy tworzą sześciokątne komórki. Taka struktura sprawia, że zwykły węgiel nabiera niemal magicznych właściwości: grafen jest o trzy rzędy wielkości (ponad 1000 razy!) odporniejszy na rozciąganie niż kevlar, przewodzi ciepło sto razy lepiej niż srebro, jest też doskonałym przewodnikiem elektrycznym, a do tego bardzo dobrze przepuszcza światło.

Pierwsza metoda uzyskiwania grafenu była w swoich założeniach śmiesznie prosta: warstwę grafenu odrywano od bloku grafiku za pomocą… taśmy klejącej. W ten sposób można było jednak pozyskać bardzo małe ilości tego materiału, a koszty wytworzenia były astronomiczne. Wobec niesamowitych, mogących zrewolucjonizować wiele branż właściwości grafenu, stało się jasne, że kto jako pierwszy opracuje sposób na masową produkcję tego "magicznego węgla", ma szansę zarobić miliardy dolarów. Rozpoczął się wyścig do przemysłowej produkcji grafenu.

Wytwarzanie grafenu metodą tak zwanego osadzania z fazy gazowej okazało się stosunkowo tanie, jednak uzyskiwany w ten sposób materiał nie był najwyższej jakości i nadawał się tylko do niektórych zastosowań. W 2011 roku naukowcy pracujący w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych oraz na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego opracowali nową metodę pozyskiwania grafenu. Wykorzystywała chemiczne osadzanie warstwy gazowej w bardzo wysokiej temperaturze (1600 stopni C) i niskim ciśnieniu, na podłożu węglika krzemu. Polska metoda pozwalała na uzyskanie dużych płacht grafenu wysokiej jakości, umożliwiając jednocześnie dużą kontrolę nad końcowymi parametrami materiału. Co ważne, wyprodukowany w ten sposób grafen miał nadawać się do produkcji półprzewodników dużo lepiej, niż jakikolwiek inny pozyskany do tej pory. Wyglądało na to, że mamy w rękach żyłę złota.

Potencjał sukcesu na skalę światową dostrzegli nawet politycy i do skomercjalizowania wynalazku polskich naukowców stworzono specjalną spółkę Nano Carbon - jej zadaniem było opracowanie przemysłowej produkcji grafenu według metody z ITME i rozwój praktycznych zastosowań materiału, no i oczywiście, sprzedaż. Nowa spółka miała wszystko, czego potrzeba do odniesienia sukcesu: wsparcie na najwyższych szczeblach władzy, pieniądze, opatentowaną, rewolucyjną technologię i doskonałe zaplecze badawcze w postaci naukowców z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych. Co mogło pójść nie tak?

Jak się okazuje, wszystko. W ciągu kolejnych lat na świecie wydarzyło się wiele rzeczy. Amerykańskie i koreańskie ośrodki badawcze udoskonaliły metody pozyskiwania grafenu, zapewniając wysokiej jakości materiał do wszelkich zastosowań, a niewielka, hiszpańska firma przebojem podbiła europejski rynek dzięki niskim cenom dostarczanego grafenu. Tymczasem Nano Carbon nie osiągnął nic. Na skutek tarć personalnych z ITME odeszła znaczna część doświadczonej kadry, w tym wynalazca metody, nazywany ojcem polskiego grafenu dr hab. Włodzimierz Strupiński. W 2019 roku media obiegła informacja, że Nano Carbon wystawił na aukcję warte miliardy złotych, unikalne urządzenia do wytwarzania grafenu i chociaż spółka twierdziła, że nie są one niezbędne do podtrzymania obecnej produkcji, dla wszystkich stało się jasne, że tak oto kończy się marzenie o polskim grafenie podbijającym świat.

Przed epoką taniej pamięci półprzewodnikowej, która dała nam przenośne dyski SSD czy nawet pendrive'y o pojemnościach sięgających terabajta, najlepszym nośnikiem danych były dyski optyczne, czyli doskonale znane wszystkim płyty CD i DVD. Były to nośniki najlepsze, ale bynajmniej niewystarczająco dobre, jak na potrzeby gwałtownie rozwijającej się elektronicznej rozrywki - ich pojemność była zbyt mała, żeby mogły pomieścić film zapisany w rozdzielczości 4K, czy zaawansowane gry.

Ilość zapisanych na nich danych zależała w znacznym stopniu od zastosowanego lasera, który zapisywał i odczytywał dane. Im krótsza długość fal świetlnej w laserze, tym węższy i dokładniejszy promień oraz większa gęstość zapisu, czyli więcej zapisanych informacji. Nic więc dziwnego, że pod koniec lat 90. świętym graalem producentów sprzętu komputerowego był wydajny i tani półprzewodnikowy laser diodowy, emitujący światło o możliwie krótkiej długości fali - tak zwany niebieski laser.

Napisałem "tak zwany", bo długość fali elektromagnetycznej w urządzeniach tego typu może sięgać od takiej, którą oko ludzkie rozpoznaje jako zielono-niebieską, aż do niewidocznego dla nas bliskiego ultrafioletu. Zastosowanie takiego źródła światła wykraczało poza optyczne nośniki danych. Mając diodowy laser emitujący światło w okolicy koloru niebieskiego można byłoby konstruować projektory o bardzo dużej jasności, użyć go do drukowania laserowego o zupełnie nowej jakości, zastosować w medycynie a także w fotolitografii - technologii kluczowej dla produkcji półprzewodników, gdzie także ogromne znaczenie ma długość fali użytego światła.

Pierwszy półprzewodnikowy, diodowy niebieski laser skonstruował w 1995 roku pracujący w firmie Nichia Shuji Nakamura, a jego tropem podążyli badacze z licznych placówek naukowych oraz firm. Gra toczyła się zwiększenie stabilności, wydajności i trwałości, obniżenie ceny oraz… ominięcie patentu, który na swoją diodę wykorzystującą podłoże szafirowe uzyskała Nichia. Do wyścigu włączyła się też Polska, w której w 1998 roku uruchomiono rządowy program "Rozwój niebieskiej optoelektroniki", mający stymulować stworzenie polskiego niebieskiego lasera i rozwiązań ją wykorzystujących.

Technologia, którą trzy lata później zaprezentowało Centrum Badań Wysokociśnieniowych Polskiej Akademii Nauk wydawała się spełnieniem marzeń. Wykorzystywała podłoże z monokryształów azotku galu, dzięki czemu oferowała bardzo dobre parametry, a jednocześnie nie naruszała patentów Japończyków. Jednak to był dopiero początek. Wbrew zahaczającym o hurraoptymizm wizjom snutym przez media, między laboratoryjnym dowodem na prawidłowość koncepcji danej technologii, a uruchomieniem produkcji opartych na niej produktów rozciąga się długa i wyboista droga, na której łatwo o zabłądzenie lub wypadek. Tak właśnie stało się w tym przypadku.

Mimo, że technologia była bardzo obiecująca, niebieski laser CBWP PAN wymagał jeszcze wiele pracy. Konieczne było osiągnięcie odpowiedniej mocy, a także, przede wszystkim, uzyskanie możliwości stabilnej i długotrwałej pracy ciągłej. Z tym nie było najlepiej. Umowa, na podstawie której Komitet Badań Naukowych przyznał Polskiej Akademii Nauk grant mający sfinansować prace nad laserem określała, że CBWP ma dostarczyć pracujący w sposób ciągły laser niebieski o mocy 50mW, jednak poważny problem pojawił się na długo wcześniej. Jednostka badawcza nie była w stanie poradzić sobie z pierwszym etapem zaplanowanych w ramach grantu działań: wyprodukowaniem laserów o mocy 5mW. Zgodnie z umową CBWP miało dostarczyć ich czterdzieści sztuk, podczas gdy do dnia określonego w umowie zbudowano ich zaledwie pięć. Co gorsza, działały one impulsowo, nie spełniając nawet zapisanego w umowie absurdalnie niskiego warunku pracy ciągłej przez jedną minutę.

Raport podsumowujący osiągnięcia grantu opracowany w 2005 roku nie pozostawia wątpliwości: z punktu widzenia zaplanowanych celów program okazał się porażką. Nie udało się opanować technologii wytwarzania niebieskich laserów, które nadawałyby się do zastosowań komercyjnych, a zbudowane urządzenia testowe okazały się gorsze, niż lasery, które tymczasem zostały wprowadzone na rynek przez Toshibę, Xeroxa i Fujitsu.

Zamiast globalnego hitu mieliśmy fiasko, na które według wspomnianego raportu wydano w sumie niemal 100 mln złotych.

Kiedy mowa o półprzewodnikach, pierwszym materiałem, który przychodzi nam na myśl jest krzem. Nic dziwnego, to najważniejszy składnik każdego procesora, podstawa, na której buduje się wszystkie pozostałe elementy, a określenia takie, jak "Dolina Krzemowa" weszły do powszechnego użycia i zbiorowej świadomości. Ten podstawowy budulec, dzięki któremu powstają półprzewodniki, ma poważne ograniczenia, które przekładają się na ograniczenia samej elektroniki - dlatego przez długi czas najważniejsze laboratoria badawcze świata intensywnie szukały jego następcy. Dziś możemy już powiedzieć, że poszukiwania te zakończyły się powodzeniem, a nowym królem półprzewodników jest azotek galu.

Azotek galu (symbol chemiczny GaN) to syntetyczny, a więc niewystępujący w sposób naturalny w przyrodzie półprzezroczysty związek chemiczny o bardzo wysokiej twardości i temperaturze topnienia. Z punktu widzenia przemysłu elektronicznego znaczenie ważniejszymi cechami azotku galu jest jego znacznie wyższe niż w przypadku krzemu przewodnictwo, zarówno cieplne, jak i elektryczne. Dzięki tym cechom półprzewodniki wykonane na podłożu GaN są dużo efektywniejsze, a zbudowana z ich wykorzystaniem elektronika jest mniejsza, zużywa mniej energii i nie wymaga tak intensywnego chłodzenia, co tradycyjna.

Azotek galu doskonale nadaje się jako podłoże dla diod (w tym niebieskiej diody laserowej), oraz do wytwarzania tranzystorów zdolnych do pracy w warunkach, w jakich ich krzemowe odpowiedniki nie byłyby w stanie funkcjonować. Jak zwykle jednak musi być jednak jakiś haczyk. W przypadku GaN jest nim trudność uzyskiwania potrzebnych do wytworzenia półprzewodników monokryształów tego związku, które będą odpowiednio duże i pozbawione wad. I tu właśnie wkraczają na scenę polscy naukowcy.

Duszą przedsięwzięcia był Robert Dwiliński z Uniwersytetu Warszawskiego, który w początkach lat 90. zdał sobie sprawę z ogromnego potencjału azotku galu i zdecydował się rozpocząć badania zmierzające do stworzenia technologii pozwalającej na komercyjne zastosowanie GaN. Do współpracy wciągnął kolegów, znanych jeszcze ze szkoły podstawowej: Leszka Sierzputowskiego i Roman Doradziński, także pracujących na Uniwersytecie Warszawskim, oraz Jerzego Garczyński z Politechniki Warszawskiej. Był rok 1993, kiedy zespół składający się z fizyka doświadczalnego, fizyka teoretyka i dwóch chemików, którzy wychowywali się na jednym podwórku na warszawskim Powiślu ruszył na podbój świata.

W 1998 roku badania były na tyle zaawansowane, że zaczęły być potrzebne środki niedostępne dla założonej tymczasem przez czwórkę przyjaciół firmy Ammono. Szukając inwestorów, Robert Dwiliński dotarł do pracującego w firmie Nichia Suijego Nakamury, który po zapoznaniu się z ideą Polaków bez zwłoki wsiadł w samolot i przyleciał do Warszawy. Dalej sprawy potoczyły się błyskawicznie. Za namową Nakamury Nichia zdecydowała się objąć 12 proc. udziałów w firmie Ammono i sfinansować prace badawcze, które w ciągu kolejnych lat doprowadziły do rozwinięcia technologii produkcji niezwykle czystych kryształów GaN o przemysłowych rozmiarach 50 mm - najlepszych na świecie. Wtedy zaczęły się schody.

Japończycy nie chcieli finansować produkcji przemysłowej, interesowały ich tylko badania. Pieniądze pozyskane z Agencji Rozwoju Przemysłu oraz funduszy europejskich okazały się dużo za małe, jak na potrzeby firmy, która potrzebowała 10 mln euro na uruchomienie produkcji. Pozbawieni wsparcia państwa, postawieni pod ścianą udziałowcy Ammono byli zmuszeni oddać kontrolę nad działaniami firmy zarejestrowanemu na Cyprze funduszowi Glen Cross - jedynemu oferentowi gotowemu zapewnić potrzebne fundusze.

Niestety, na skutek problemów technicznych doszło do konfliktu z inwestorem i Ammono zostało postawione w stan upadłości. Świat tymczasem nie stał w miejscu i dziś liderami produkcji kryształów azotku galu są firmy z USA, Niemiec i Japonii - wśród nich Nichia.

Ta opowieść ma jednak choć trochę bardziej optymistyczne zakończenie. W 2019 roku Agencja Rozwoju Przemysłu sfinansowała przejęcie Ammono przez Instytut Wysokich Ciśnień PAN, który ma zająć się produkcją kryształów GaN. Może tym razem się uda?