Οι επιστήμονες γοητεύονται από τον τρόπο με τον οποίο το φως αλληλεπιδρά με την ύλη και η επιθυμία τους για τον λεπτομερή έλεγχο αυτής της αλληλεπίδρασης κρύβεται πίσω από τις πιο ισχυρές σύγχρονες τεχνολογίες.
Ένας από τους ηγέτες στον έλεγχο αυτού του παιχνιδιού μεταξύ φωτός και ύλης και μάλιστα μέσω της χρήσης νανοϋλικών που επιδρούν πάνω στην δεύτερη είναι ο Ελληνοαμερικανός καθηγητής Πολ Αλιβιζάτος.
Θα μπορούσε κάποιος να τον αποκαλέσει και «αρχιτέκτονα των νανοκρυστάλλων», καθώς είναι πρωτοπόρος, αλλά και αυθεντία στην ανάπτυξη νανοϋλικών γενικότερα. Δημιούργησε νανοκρυστάλλους με μόλις χίλια άτομα γνωστούς ως «κβαντικές κουκκίδες», για να εκπέμπουν φως του οποίου το χρώμα μπορεί να ελεγχθεί. Συνήθως οι νανοκρύσταλλοι συνιστούν συσσωματώματα μερικών εκατοντάδων έως δεκάδων χιλιάδων ατόμων που σχηματίζουν μία κρυσταλλική μορφή ύλης γνωστή ως cluster. Χρησιμοποίησε επίσης αυτούς τους νανοκρυστάλλους σε τεχνικές βιοϊατρικής απεικόνισης ή στην διερεύνηση νέων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, ενώ τους ενσωμάτωσε στην νέα γενιά τηλεοπτικών οθονών με τα φωτεινότερα και πιο ακριβή χρώματα που ήδη κυκλοφορούν στην αγορά ως QLED, από το Quantum Dot LED.
Για την πρώτη δεκαετία του 21ου αιώνα κατατάσσεται πέμπτος στον κατάλογο του Thomson Reuters με τους 100 πιο επιδραστικούς χημικούς του κόσμου, με κριτήριο τον αριθμό και την σημαντικότητα των ερευνητικών τους δημοσιεύσεων-υπάρχει δημοσίευσή του στο Science με περισσότερες από 9000 ετεροαναφορές-ενώ ο καθηγητής εμφανίζεται σχεδόν σε κάθε λίστα υποψήφιων για το Νόμπελ Χημείας.
Η δουλειά του έχει επιφέρει περισσότερες από 50 πατέντες και έχει ιδρύσει δύο εξέχουσες εταιρείες νανοτεχνολογίας, την Nanosys, Inc. και την Quantum Dot Corp. που εξαγοράστηκε από την Thermo Fisher το 2018. Είναι αποδέκτης πολλών βραβείων, ανάμεσα στα οποία και του Εθνικού Μεταλλίου Επιστήμης των ΗΠΑ, του Βραβείου Wolf στη Χημεία και του Μετάλλου Priestley, της υψηλότερης τιμής που απονέμεται από την Αμερικανική Χημική Εταιρεία.
Από τον Σεπτέμβριο του 2021 ο καθηγητής Αλιβιζάτος είναι ο 14ος κατά σειρά πρόεδρος του Πανεπιστημίου του Σικάγο και μόλις ο δεύτερος απόφοιτος αυτού του Πανεπιστημίου που ανέλαβε την προεδρία του στα 130 χρόνια της ιστορίας του Ιδρύματος. Πρώτος ήταν ο Edward H. Levi, την περίοδο 1968-75.
Αλλά όποιο αξίωμα και να του δοθεί ακόμη-που είναι σίγουρο- η αλήθεια είναι μια και αδιαπραγμάτευτη: Ο καθηγητής Πολ Αλιβιζάτος είναι ο επιστήμονας που μας έδειξε τι θα πει «νανο-»…
Ήρεμη δύναμη…
«Πολιορκώ» τον διακεκριμένο ερευνητή στο Όσλο σχεδόν μια βδομάδα για να του μιλήσω ιδιαιτέρως και δεν τολμώ να τον ενοχλήσω. Παρατηρώ την κάθε του κίνηση για να βρω την κατάλληλη ευκαιρία. Είναι ήρεμος, σχεδόν «αθόρυβος» και πολύ σοβαρός, έχοντας την συστολή του μεγάλου επιστήμονα που σου δίνει την εντύπωση πως σχεδόν ντρέπεται γιατί είναι τόσο μεγάλος. Ωστόσο, οι συνάδελφοί του μιλούν για μια από τις σπάνιες περιπτώσεις ενός τόσο δυνατού ερευνητή και ενός τόσο δυνατού ηγέτη ταυτόχρονα.
Βρισκόμαστε στην Νορβηγική πρωτεύουσα με αφορμή την απονομή των Βραβείων Kavli 2024. Ο Ελληνοαμερικανός επιστήμονας σε μια επιβλητική τελετή μοιράστηκε φέτος το Βραβείο Kavli 2024 στη Νανοεπιστήμη και μαζί το 1 εκατομμύριο δολάρια που το συνοδεύει, με τον καθηγητή Chad Mirkin του Πανεπιστημίου Northwestern και με τον Robert Langer καθηγητή στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (ΜΙΤ) για «πρωτοποριακή εργασία ενσωμάτωσης σύνθετων υλικών νανοκλίμακας με βιολογική λειτουργία για βιοϊατρικές εφαρμογές». Αρκεί να αναφερθεί πως η ομάδα του Αλιβιζάτου ήταν η πρώτη που υπέδειξε την χρήση των νανοκρυστάλλων στην βιοαπεικόνιση.
Τα Βραβεία Kavli (που είναι ισάξια του Νόμπελ) τιμούν γυναίκες και άνδρες επιστήμονες για την εξαιρετική έρευνά τους στην αστροφυσική, την νανοεπιστήμη και την νευροεπιστήμη, που διευρύνει την κατανόησή μας για το «μεγάλο» (το Σύμπαν), το «μικρό» (το νανο-) και το «σύνθετο» (ο ανθρώπινος εγκέφαλος).
«Όταν ξεκίνησα μια ερευνητική ομάδα το 1988 το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ ως Επίκουρος Καθηγητής Φυσικής Χημείας, η μελέτη των κολλοειδών νανοκρυστάλλων ήταν εντελώς άγνωστη στα τμήματα Χημείας μεγάλων πανεπιστημίων των ΗΠΑ και υπήρχαν ίσως τρεις-τέσσερις επιστήμονες στον κόσμο που εργάζονταν πάνω σε αυτό το πεδίο. Είχαμε την ευκαιρία να μελετήσουμε θεμελιώδεις πτυχές των μικροσκοπικών νανοκρυστάλλων όπως την εξάρτησή τους από το μέγεθος της θερμοκρασίας τήξης τους, τους δομικούς μετασχηματισμούς τους υπό υψηλή πίεση, τις επιπτώσεις του κβαντικού μεγέθους στις οπτικές τους ιδιότητες και πολλά άλλα. Κάτω από όλα αυτά ήταν μια σειρά μελετών σχετικά με τους μηχανισμούς ανάπτυξής τους. Το πνεύμα της περιπέτειας εκείνης της εποχής ήταν πολύ αληθινό καθώς ξεκινήσαμε να ‘ακονίζουμε’ μια νέα επιστημονική περιοχή που σήμερα εκπροσωπείται από πολλές χιλιάδες ερευνητές σε πανεπιστήμια σε όλο τον κόσμο», αναφέρει στην βιογραφία του.
Τον ρωτάω να μου εξηγήσει το φαινόμενο του κβαντικού μεγέθους (quantum size effect) και μου εξηγεί πως στους νανοκρυστάλλους η κίνηση των ηλεκτρονίων περιορίζεται σε ένα μικρό χώρο, συνήθως σε μία, δύο ή τρεις διαστάσεις. Αυτός ο περιορισμός οδηγεί στον σχηματισμό διακριτών ενεργειακών επιπέδων, παρόμοιων με αυτά που παρατηρούνται σε άτομα και μόρια. Καθώς το μέγεθος του νανοϋλικού μειώνεται, ο κβαντικός περιορισμός γίνεται ισχυρότερος και η διαφορά μεταξύ των ενεργειακών επιπέδων αυξάνεται.
«Φανταστείτε πως έχετε έναν νανοκρύσταλλο (που έχει ίδιο μέγεθος με ένα πρωτεϊνικό μόριο), ο οποίος έχει έναν μικρό αριθμό ατόμων σε μια συγκεκριμένη τροχιά. Αν του δώσω ενέργεια μπορεί ένα ηλεκτρόνιο να ελευθερωθεί και να αρχίσει να γυρίζει μέσα στον κρύσταλλο. Όσο μικρότερος είναι ο κρύσταλλος, τόσο πιο γρήγορα θα κινείται το ηλεκτρόνιο. Κάποια στιγμή θα χάσει την ενέργειά του και θα ξαναπέσει στο επίπεδο που ήταν πριν εκπέμποντας όμως φως. Όσο πιο μικρός είναι ο κρύσταλλος, τόσο πιο έντονο, πιο μπλε είναι το φως που εκπέμπει και αυτό εμείς μπορούμε να το μετρήσουμε», εξηγεί ο καθηγητής.
Ουσιαστικά οι κβαντικές κουκίδες χρησιμοποιούνται ως πηγές φωτός. Διεγείρονται όταν εκτίθενται στο φως και στην συνέχεια επιστρέφουν στην θεμελιώδη τους κατάσταση εκπέμποντας ένα φωτόνιο, ένα στοιχειώδες σωματίδιο φωτός. Το χρώμα αυτού του φωτονίου εξαρτάται πολύ από το μέγεθος της κβαντικής κουκκίδας.
Οι ξεχωριστές κβαντικές κουκίδες
Τι ακριβώς είναι αυτό που κάνει τις κβαντικές κουκίδες ξεχωριστές; Το γεγονός ότι οι ιδιότητές τους καθορίζονται από το μέγεθός τους.
«Αυτό είναι πολύ ασυνήθιστο γιατί οι ιδιότητες των υλικών είναι συνήθως ανεξάρτητες από το μέγεθός τους, αλλά εν προκειμένω αποδεικνύεται ότι όταν το μέγεθος μειωθεί στην κλίμακα νανο-, παρατηρούνται σημαντικές διακυμάνσεις στις ηλεκτρονικές ιδιότητες. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται κβαντικός περιορισμός και η σημασία του είναι ασύλληπτη, αν σκεφτεί κάποιος πως πριν την ανακάλυψη των κβαντικών κουκίδων, ο μόνος τρόπος για να διαφοροποιηθούν οι ιδιότητες ενός υλικού ήταν να αλλάξει η σύστασή του», εξηγεί ο καθηγητής Αλιβιζάτος.
Να σημειωθεί ότι το πρόθεμα νανο- αντιστοιχεί σε διαστάσεις ενός δισεκατομμυριοστού του μέτρου και ο καθηγητής αναφέρεται σε ‘αόρατες’ με το μάτι δομές που είναι εκατοντάδες φορές μικρότερες από το πλάτος της ανθρώπινης τρίχας.
Όσοι επιστήμονες ασχολούνται με την μελέτη βιολογικών συστημάτων έσπευσαν να αγκαλιάσουν τις κβαντικές κουκίδες γιατί τους ‘έλυσαν’ τα χέρια. Πώς; Για παράδειγμα, ένα βιολογικό στοιχείο (όπως π.χ. μια τοξίνη) συνδέεται με μια κβαντική κουκκίδα, η οποία στην συνέχεια τοποθετείται σε ένα μέσο ανάπτυξης που περιέχει κύτταρα. Φωτίζοντας το δείγμα, είναι δυνατό οι ερευνητές να παρακολουθήσουν την τροχιά της τοξίνης χάρη στην φωταύγεια της κβαντικής κουκκίδας. Αυτή η παρατήρηση μπορεί να συνεχιστεί για μεγάλο χρονικό διάστημα, σε αντίθεση με τα συστήματα παρατήρησης που χρησιμοποιούνταν προηγουμένως.
Οι μοναδικές ιδιότητες που προκύπτουν από το φαινόμενο του κβαντικού μεγέθους έχουν οδηγήσει σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών σε διάφορους τομείς. Για παράδειγμα οι κβαντικές κουκκίδες χρησιμοποιούνται σε τεχνολογίες οθόνης, ενώ διαδραματίζουν επίσης ρόλο στην ανάπτυξη τρανζίστορ νανοκλίμακας, τα οποία είναι ζωτικής σημασίας για την σμίκρυνση ηλεκτρονικών συσκευών. Στα φωτοβολταϊκά επιτρέπουν την δημιουργία ηλιακών κυψελών με υψηλότερη απόδοση βελτιστοποιώντας την απορρόφηση και την μετατροπή του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια, ενώ τα νανοσωματίδια που έχουν σχεδιαστεί για να εκμεταλλεύονται το φαινόμενο του κβαντικού μεγέθους (quantum size effect, QSE) χρησιμοποιούνται για στοχευμένη χορήγηση φαρμάκων και στην βιοαπεικόνιση, επιτρέποντας ακριβείς θεραπείες και διάγνωση.
Μερικές φορές, οι μεγαλύτερες ανακαλύψεις δεν συνοδεύονται απαραίτητα από μεγάλα μεγέθη και από υψηλά κόστη. Στην συγκεκριμένη περίπτωση, μιλάμε για σημαντικές ανακαλύψεις σε μικρό μέγεθος (νανοκλίμακα) και με χαμηλό κόστος.
«Διαπιστώσαμε ότι μπορούμε να κατασκευάσουμε εξαιρετικούς νανοκρυστάλλους με χαμηλό κόστος και αυτό ήταν πραγματικά μια έκπληξη γιατί συνήθως όταν κατασκευάζουμε πιο εξελιγμένα μικροηλεκτρονικά συστήματα το κόστος ανεβαίνει. Για παράδειγμα αν πάτε να αγοράσετε ένα διαμάντι, όσο μεγαλύτερο είναι σε μέγεθος, τόσο πιο σπάνιο είναι, άρα καλύτερης ποιότητας και τόσο περισσότερο αυξάνεται το κόστος. Στην περίπτωση των νανοκρυστάλλων όσο πιο μικρός είναι ο νανοκρύσταλλος, τόσο καλύτερος είναι, τόσο πιο εύκολα φτιάχνεται και με μικρότερο κόστος. Η νανοεπιστήμη είναι ένα πεδίο όπου μπορεί η ποιότητα με την ποσότητα να συμβαδίσουν», λέει ο Δρ Αλιβιζάτος.
Έρευνα χέρι-χέρι με διοίκηση
Γεννημένος στην βόρεια πλευρά του Σικάγο από Έλληνες μετανάστες γονείς, ο Δρ Αλιβισάτος είχε μια ξένοιαστη παιδική ηλικία. Θυμάται ότι έφτιαξε ένα ραδιόφωνο και ότι έπαιζε με ένα σετ χημείας, γοητευμένος ήδη από την επιστήμη. Την ευτυχία του όμως ανέτρεψε ο θάνατος της μητέρας του όταν εκείνος ήταν στην τρυφερή ηλικία των 10 ετών. Την απώλεια σύντομα ακολούθησε και μια άλλη αλλαγή στην ζωή του: ο γιατρός πατέρας του, που αγωνιζόταν να φροντίσει μόνος του δύο παιδιά, τον έστειλε μαζί με την μεγαλύτερη αδερφή του σε συγγενείς στην Ελλάδα. Ο μικρός Πολ δεν μιλούσε σχεδόν καθόλου ελληνικά όταν έφτασε. Με τον καιρό τα ελληνικά του βελτιώθηκαν και άρχισε να εκτιμά την μητρική του γλώσσα.
Ο καθηγητής Πολ Αλιβιζάτος εισήλθε διστακτικά στον ακαδημαϊκό χώρο στο Μπέρκλεϋ της Καλιφόρνιας το 1988, έγινε διευθυντής του Εθνικού Εργαστηρίου Λόρενς Μπέρκλεϋ και στη συνέχεια εκτελεστικός αντιπρύτανης και καθηγητής του πανεπιστημίου. Κατείχε την Διακεκριμένη Έδρα Samsung στην Νανοεπιστήμη και την Έρευνα Νανοτεχνολογίας στο Τμήμα Χημείας και ήταν συνεργάτης του Νομπελίστα Φυσικής 2017, Στίβεν Τσου και μετέπειτα υπουργού Ενέργειας των ΗΠΑ επί Ομπάμα από το 2009 μέχρι το 2013.
Φυσικά, τίποτε από αυτά δεν είχε φανταστεί όταν έφτανε στο Hyde Park το φθινόπωρο του 1977.
Ως επικεφαλής του πανεπιστημίου Μπέρκλεϋ ανέλαβε πρωτοβουλίες που υποστήριξαν την διαφορετικότητα των φοιτητών, την ελευθερία του λόγου, την κοινωνική δικαιοσύνη, την βιωματική μάθηση και την καθοδήγηση, ενώ κατάφερε να φέρει και χρηματοδότηση. Ο προϋπολογισμός του Berkeley Lab αυξήθηκε κατά 30% κατά τη διάρκεια της θητείας του, φθάνοντας περίπου τα 800 εκατομμύρια δολάρια έως το 2015. Όταν διετέλεσε αντιπρόεδρος έρευνας στο πανεπιστήμιο από τον Μάρτιο του 2016 έως τον Αύγουστο του 2017, η χρηματοδότηση της πανεπιστημιούπολης αυξήθηκε κατά περίπου 26%.
Τον ρωτάω να μου πει για τα νέα του καθήκοντα ως Πρόεδρος στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο, σε ένα πανεπιστημιακό ίδρυμα όπου ξαναγύρισε μετά από 40 χρόνια και αν το έχει μετανιώσει. Ο καθηγητής Αλιβιζάτος το 1981 αποφοίτησε με άριστα από το Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου του Σικάγο.
«Φυσικά και δεν μετάνιωσα! Είναι μεγάλη τιμή για μένα να βοηθάω το πανεπιστήμιο και τους νέους επιστήμονες. Πιστεύω πολύ στην εκπαίδευση γιατί την θεωρώ βασικό πυλώνα της Δημοκρατίας. Η εκπαίδευση, ανάμεσα σε άλλα σου προσφέρει την ικανότητα να υποστηρίζεις τα επιχειρήματά σου ακόμη κι όταν διαφωνείς. Το πανεπιστήμιο είναι ένα μέρος που αγαπά πραγματικά να διαμορφώνει και να ορίζει νέα πεδία γνώσης, επομένως πρέπει να σκεφτούμε πώς να το κάνουμε αυτό σε μερικές πραγματικά σημαντικές και ενδιαφέρουσες κατευθύνσεις. Τα πάντα στο πανεπιστήμιό μας χτίζονται από αυτήν την κουλτούρα της αγάπης για τις ιδέες, με την ελευθερία της έκφρασης να είναι στο επίκεντρο».
Όταν ο καθηγητής Αλιβισάτος ήρθε για πρώτη φορά στην Ελλάδα, η χώρα μας βρισκόταν υπό στρατιωτική δικτατορία και το κλίμα ήταν τεταμένο. Έχοντας βιώσει από πρώτο χέρι την καταστολή του λόγου και τους κινδύνους της ο διακεκριμένος Έλληνας επιστήμονας υποστηρίζει με πάθος την ελευθερία της έκφρασης, την οποία θεωρεί απαραίτητη για την υγεία των πανεπιστημίων και των δημοκρατιών.
«Δεν γεννιόμαστε έχοντας την ικανότητα να διαφωνούμε παραγωγικά και με σεβασμό. Είναι μια δεξιότητα που μαθαίνεται και που πρέπει να μαθαίνεται όπως όλα τα άλλα. Ελπίζω να συνεχίσει το Πανεπιστήμιο του Σικάγο να εφαρμόζει δημιουργικούς τρόπους για να διδάσκει τον υγιή διάλογο».
Τον ρωτάω να μου πει αν κινδυνεύει σήμερα η Δημοκρατία και μου απαντά πως είμαστε όλοι συνυπεύθυνοι για την διαφύλαξή της και πως ψηλά στη λίστα του Πανεπιστημίου του είναι η διασφάλιση της Δημοκρατίας.
Μου λέει επίσης, πως ως Πρόεδρος αντιστέκεται στις διαμαρτυρίες φοιτητών που διαταράσσουν την λειτουργία του πανεπιστημίου, όπως συνέβη με μια κατασκήνωση φιλοπαλαιστίνιων διαδηλωτών μέσα στον χώρο του και συνειρμικά μου έρχονται στο μυαλό εικόνες από τα ελληνικά πανεπιστήμια τα οποία κλείνουν από καταληψίες με κάθε αφορμή.
«Δεν συμφωνώ με τέτοιου είδους καταλήψεις. Υπάρχουν φοιτητές που θέλουν να μάθουν, που δεν θέλουν ή δεν μπορούν να χάνουν τον χρόνο τους. Υπάρχουν και άλλοι τρόποι να διαμαρτυρηθείς, δεν χρειάζεται να κλείνεις τις σχολές. Εμείς έχουμε ειδικούς χώρους για συγκεντρώσεις και διαμαρτυρίες», λέει.
Λίγο πριν ολοκληρωθεί αυτή η συζήτηση ζητάω από τον κορυφαίο επιστήμονα να μου πει την γνώμη του για την ίδρυση των ιδιωτικών πανεπιστημίων στην Ελλάδα και για τις αντιδράσεις που έχει προκαλέσει.
«Είναι αδιαμφισβήτητο πως τα δημόσια ελληνικά πανεπιστήμια είναι ανεκτίμητα, όμως υπάρχουν και άλλοι αξιόλογοι τρόποι για να προάγεις την τριτοβάθμια εκπαίδευση. Αυτό που πιστεύω είναι ότι θα έπρεπε τα νέα παιδιά στην Ελλάδα να έχουν περισσότερες επιλογές, να υπάρχει ποικιλία και δυνατότητες αξιοποίησης των πραγματικών ταλέντων, δυνατότητες να γίνονται πιο παραγωγικοί και πιο δημιουργικοί οι νέοι. Οι Έλληνες έχουν τόσες ικανότητες και δεξιότητες να κάνουν ένα σωρό πράγματα που μπορούν να καλυτερέψουν τη ζωή τους και κατ’ επέκταση την οικονομία της χώρας, αλλά δεν το έχουν καταλάβει. Δοκιμάστε το τουλάχιστον και δείτε τι μπορεί να σας προσφέρει και αν δεν σας κάνει απορρίψτε το!», προτείνει ο καθηγητής Αλιβιζάτος.
Picture credits: Per Ole Hagen / The Kavli Prize & Thomas B. Eckhoff / The Kavli Prize
