Astăzi vom descoperi parcursul său fascinant în domeniul cercetării științifice, motivațiile care l-au determinat să exploreze universul nanomaterialelor și cum tehnologia de ultimă generație contribuie la descoperiri remarcabile în acest domeniu. Cosmin ne va povesti despre momente cheie din cariera sa, proiecte de cercetare inovatoare și va oferi sfaturi valoroase pentru tinerii care aspiră la o carieră în știință.
- Poți să ne spui mai multe despre tine și cum ai început această călătorie în domeniul cercetării științifice?
Sunt Cosmin Romanițan, în prezent sunt cercetător științific gradul II în cadrul Institutului Național de Cercetare și Dezvoltare pentru Microtechnologie (IMT), unde sunt responsabil de echipamentul de difracție de raze X Rigaku SmartLab din institut. Activitatea mea de bază constă în studiul structurii cristaline a nanomaterialelor prin tehnici de raze X, cum ar fi difracția de raze X (XRD), reflectivitatea de raze X (XRR) și împrăștiere la unghi mic (SAXS). Am urmat cursurile Facultății de Fizică, apoi studii masterale și doctorale, iar teza mea de doctorat susținută la Catedra de Fizica Stării Condensate poartă titlul Investigarea nedistructiva a stresului in nanomateriale prin metode de raze X. Primul contact cu cercetarea științifică a avut loc anul II de facultate la Departamentul de Fizica Particulelor Elementare, IFIN-HH, când am început să obțin primele date și rezultate pentru lucrarea de licență.
- Ce te-a inspirat să urmezi acest domeniu și ce te motivează să continui?
Încă din anii de liceu eram fascinat de “lumea care nu se vede” și eram foarte curios ce se află dincolo de lumea macroscopică. Prin urmare, în primii ani de facultate am fost atras mai mult de fizica fundamentală, iar studiile mele pentru lucrarea de licență s-au îndreptat în simularea teoretică a ciocnirii proton-proton la 14 GeV prin utilizarea unor softuri/programe de simulare. Apoi, am avut oportunitatea de a explora un domeniu de fizică experimentală, prin utilizarea difracției de raze X pentru studiul nanomaterialelor. Eram fascinat că rezultatele obținute pentru nanomaterialele investigate se corelau cu proprietățile fizice sau cu performanțele dispozitivelor, ceea ce m-a convins să continui pe acest domeniu fără nicio ezitare. De asemenea, sunt motivat să merg mai departe datorită spectrului larg de noi aplicații ce se conturează de la an la an în domeniul nanotehnologiei, și prin urmare, de noile provocări asociate punerii în evidență a structurii cristaline a noilor materiale destinate aplicațiilor. Acest tip de activitate se pliază foarte bine și pe personalitatea și stilul meu de viață pentru că îmi oferă constant posibilitatea de a cunoaște oameni și locuri noi prin participarea la diferite școli, workshop-uri, conferințe și stagii de perfecționare.
Experiența profesională
- Poți să enumeri câteva dintre proiectele de cercetare la care ai participat?
O parte dintre proiectele de cercetare în care am fost membru au avut ca obiectiv principal dezvoltarea de noi heterostructuri bazate pe nanomateriale cu dimensionalitate scazută pentru îmbunătățirea performanțelor de stocare/conversie a energiei în supercapacitori. De asemenea, am participat în proiecte a căror obiectiv a constat în dezvoltarea de materiale III-V pentru celule solare de eficiență înaltă, prin modificări induse de dopanți sau stres în structura electronică. Alte proiecte în care am participat și-au propus dezvoltarea de noi materiale in contextul feroelectricilor, senzorilor de gaze sau hidrocarburi aromatice.
- Care a fost contextul inițial al proiectelor tale? Care erau obiectivele tale principale?
Specific, activitatea mea de cercetare a constat în investigarea microstructurii filmelor epitaxiale III-V cu grosimi de ordinul zecilor sau sutelor de nanometri, materiale nanostructurate ca materiale poroase sau nanofire, oxizi metalici sau materiale pe bază de carbon. Principalul meu obiectiv a fost să pun în evidență structura cristalină a materialelor investigate, dar și de a dezvolta noi metode si formalisme teoretice pentru a avea noi informații cu privire la structura nanomaterialelor, dincolo de metodele standard utilizate în majoritatea articolelor științifice. Totodată, am avut ca obiectiv principal corelarea parametrilor microstructurali cu funcționalitatea nanomaterialelor dezvoltate, în vederea optimizării proceselor de sinteză.
- Care au fost principalele provocări tehnice sau științifice pe care le-ai întâmpinat în proiectele tale?
De-a lungul cercetărilor, provocările tehnice au fost legate de găsirea celei mai potrivite configurații experimentale în vederea obținerii de semnal de difracție, cu rezoluții cât mai apropiate de cea teoretică. S-a avut în vedere dezvoltarea de noi metode de studiu nedistructiv al distribuției stresului în sisteme dense de nanofire, a gradului de porozitate în materiale poroase cu arie specifică mare sau ale imperfecțiunilor cristaline în materiale epitaxiale. Pe de altă parte, provocările științifice au constat în dezvoltarea unui formalism teoretic adecvat care să explice rezultatele experimentale obtinuțe prin difracție de raze X.
- Cum a influențat tehnologia rezultatele obținute?
Intrucât intensitatea radiației X difractate și rezoluția utilizată sunt elemente centrale în extragerea de noi informații, în studiile mele tehnologia a jucat un rol decisiv în dezvoltarea de noi metode de studiu în nanomateriale, de la filme epitaxiale cu grosimi de ordinul micronilor, la materiale poroase sau matrici dense de nanofire. Utilizarea unor monocromatoare adecvate au condus studii de precizie înaltă în filme subțiri cu grosimi de 20-30 nm, chiar și în laborator. În particular, studiile asupra distribuției parametrilor microstructurali de-a lungul direcției de creștere necesită grade de libertate multiple ale sursei, goniometrului sau detectorului, ceea ce implică caracteristici tehnice speciale pentru echipamentele de difracție.
Experiența Rigaku
- Ai putea sa ne dai un exemplu concret/prezentarea unei cercetări/studiu?
Aș vrea să descriu un studiu recent realizat în filme epitaxiale de nitrură de indiu (InN) crescute pe substrat de GaN/Al2O3 prin epitaxie cu fascicul molecular (MBE), realizat în colaborare cu Institutul pentru Nanoștiințe și Inginerie, Universitatea din Arkansas, SUA. În acest studiu s-a avut în vedere obținerea de InN cu concentrație redusă de electroni la suprafață, prin nanostructurarea controlată a suprafeței. În acest fel, s-a utilizat creșterea epitaxială prin MBE la diferite fluxuri In/N și temperaturi de creștere pentru a modifica caracteristicile suprafeței. Prin utilizarea echipamentului Rigaku s-au depășit anumite limitări în ceea ce privește semnalul slab obținut pe plane de tip (100) în materiale wurtzitice prin echipamente standard de 1.6 sau 3 kW, fară anod rotitor. Prin obținerea unui semnal de difracție corespunzator, chiar și în filme cu grosime de 50 nm, s-au putut determina principalii parametri microstructurali ai filmelor crescute, cum ar fi constanta de rețea, dimensiunea blocurilor cristaline sau stresul la interfața film-substrat. Mai mult, prin obținerea unui semnal mare, în configurații de inaltă rezoluție, s-au efectuat studii de reflectivitate de raze X în configurație de axă triplă pentru determinarea cu acuratețe a unghiului de reflexie totală, în vederea calculării porozității și a raportului S/V în materialele investigate. Rezultate obținute se regăsesc în articolul Electron Accumulation Tuning by Surface-to-Volume Scaling of Nanostructured InN Grown on GaN(001) for Narrow-Bandgap Optoelectronics din jurnalul ACS Applied Nano Materials, unde se evidențiează rolul decisiv al nanostructurării suprafeței în contextul optoelectronicii de bandă joasă.
- Există o descoperire sau un progres specific în cadrul proiectelor tale pe care simți că nu l-ai fi putut obține fără aceste echipamente?
Multitudinea de grade de libertate ale goniometrului a avut un impact decisiv în studiile mele. Configurația „asymmetric skew”, ce permite modificarea adâncimii de penetrare a radiației X în material, prin variația unghiului de incidență, concomitent cu înclinarea probei, a condus la studii inovative în domeniului nanotehnologiei. Această configurație a permis un studiu sistematic al distribuției microstructurii materialelor de-a lungul direcției de creștere a nitrurii de galiu pe substrat de Al2O3. Am propus un formalism de investigare a distribuției densității de dislocații în nitruri, rezultatele finale fiind în curs de publicare. De asemenea, această configurație a permis obținerea de rezultate importante, ce au constat în elaborarea de noi formalisme teoretice pentru evaluarea distribuției porozității și proceselor de relaxare a stresului în materiale poroase, respectiv nanofire. Rezultatele remarcabile obținute prin această configurație au fost publicate în prestigiosul jurnal Journal of Applied Crystallography și revista americană Spectroscopy.
Din fericire, aceste studii nu ar fi fost posibile fără configurația „asymmetric skew” oferită de echipamentele Rigaku.
- Din punct de vedere tehnic, ce funcționalități ale echipamentelor Rigaku ți s-au părut cele mai inovative sau utile?
Din punct de vedere tehnic, cred că anodul rotitor de 9 kW și multitudinea gradelor de libertate sunt elementele inovative ce pot face diferența în raport cu alte echipamente de difracție de raze X. De asemenea, brațul in-plane pentru figuri de poli este foarte util pentru studii avansate a texturii materialelor. Trebuie menționat că în lipsa unui tub de raze X cu putere mare, este necesară scrierea unui proiect pentru a beneficia de o sursă sincrotron în studii ce implică filme subțiri, cu grosimi sub 50 nm.
- Ai întâmpinat provocări în procesul de învățare și utilizare a acestor
echipamente? Dacă da, cum le-ai depășit?
Am întâmpinat diferite provocări în utilizarea de noi configurații, dar participarea la diferite workshop-uri organizate de Rigaku și conferințe, cât și discuțiile cu alți cercetători cu interese științifice similare m-au ajutat să fac pași importanți în depășirea provocărilor de la acel moment.
Viziunea asupra carierei și sfaturi pentru alți tineri cercetător
- Ce sfaturi ai da unui student care alege să urmeze aceeași facultate pe care ai urmat-o tu?
Eu aș îndemna ca toți studenții să își urmeze obiectivele inițiale pe care le aveau în momentul înscrierii la facultate și „să nu se piardă pe drum” în momentul în care apar alte tentații, cum ar fi job-uri foarte ușor de accesat fără finalizarea studiilor. Ceva ce eu nu am știut la începutul facultății este că cercetarea este un cocktail de muncă individuală în laborator, descoperirea tainelor unui echipament, dar și de noi persoane, multă coordonare cu alți cercetători pentru proiecte, dar și expunere națională și internațională la conferințe și workshop-uri, nișate sau de interes general.
- Ce sfaturi ai oferi altor tineri cercetători care își doresc să utilizeze echipamente de cercetare avansate?
Cred că este important de menționat că în general utilizarea echipamentelor de cercetare avansate implică o serie de lucruri. Spre exemplu, costul ridicat de achiziție și mentenanță al acestor echipamente necesită o atenție sporită și multilaterală referitoare la diferitele componente tehnice. Totodată, obținerea de noi informații cu ajutorul acestor echipamente implică o documentare continuă în raport cu noile tendințe și cerințe din domeniul nanotehnologiei prin reviste de specialitate și participarea la conferințe internaționale, workshop-uri, stagii de perfecționare, școli și cursuri de specialitate. Cred că pentru toți tinerii cercetători ar fi un plus valoare să cunoască aceste aspecte, înainte de a știi ce li se potrivește cel mai bine.
- Cum vezi evoluția tehnologiei în sprijinirea domeniul de cercetare în care activezi?
Întrucât complexitatea materialelor crește constant de la an la an, ca urmare a creșterii complexității tehnicilor de creștere și depunere, este clar că este necesar un aport important al tehnologiei în sprijinul cercetării. Prin instalarea în ultimul deceniu a noii generații de detectori 2D este redus substanțial timpul de achiziție a hărților în spațiul reciproc pentru materiale epitaxiale, în timp ce softurile de analiză au adus contribuții importante în studii in-situ pentru baterii și supercapacitori sau rafinarea Rietveld în pulberi. Sunt convins că, și în viitor, cercetarea în diferite domenii, dar și inteligența artificială vor conduce la module de lucru și softuri de analiză cu capabilități superioare, ce se traduce în rezoluții mai bune și timpi de achiziție mai scurți.
Încheiem acest interviu inspirațional cu tânărul cercetător Cosmin Romanițan, care ne-a oferit o perspectivă profundă asupra importanței cercetării științifice și impactului noilor tehnologii în explorarea lumii nanomaterialelor. Mulțumim, Cosmin, pentru deschiderea și sfaturile valoroase împărtășite. Sperăm că această conversație a reușit să motiveze tinerii pasionați de știință să-și urmeze curiozitatea și să exploreze noi orizonturi în domeniul cercetării. Succes în continuare în proiectele tale inovatoare și în descoperirea „lumii care nu se vede”!
