Αρμάνδος-Παύλος Αλιβιζάτος: Ο «προφήτης» των νανοκρυστάλλων

Η δομή των κυλινδρικών νανοκρυστάλλων που υποκαθιστούν τη χλωροφύλλη. Η ενέργεια των φωτονίων (δεξιά επάνω) συνθέτει δύο μόρια μεθυλικής αλκοόλης από τέσσερα μόρια νερού και δύο μόρια διοξειδίου του άνθρακα, ενώ παράλληλα απελευθερώνει στην ατμόσφαιρα τρία μόρια οξυγόνου.

Στις 13 του προσεχούς Μαΐου ο πρόεδρος του Ισραήλ θα απονείμει στον ελληνοαμερικανό καθηγητή Αρμάνδο-Παύλο Αλιβιζάτο το εφετινό βραβείο Βολφ Χημείας, σε αναγνώριση της σημαντικότατης προσφοράς του στην παρασκευή και μελέτη νανοκρυσταλλικών υλικών. Οι εφαρμογές αυτών των υλικών εκτείνονται από τα φωτοβολταϊκά συστήματα ως την τεχνητή φωτοσύνθεση. Επομένως είναι ένα από τα βασικά στοιχεία οποιασδήποτε προσπάθειας για την υλοποίηση του στόχου της πράσινης ανάπτυξης.

Στην πεντάδα των κορυφαίων χημικών

Ο Παύλος Αλιβιζάτος γεννήθηκε το 1959 στο Σικάγο των ΗΠΑ, αλλά σε ηλικία 10 ετών έχασε τη μητέρα του και πέρασε τα εφηβικά του χρόνια στην Ελλάδα, στην οικογένεια ενός θείου του. Φοίτησε σε ελληνικά σχολεία και, αφού τελείωσε το λύκειο, επέστρεψε στις ΗΠΑ, όπου πήρε πτυχίο Χημείας από το Πανεπιστήμιο του Σικάγου το 1981 και Διδακτορικό στη Φυσική Χημεία από το Πανεπιστήμιο του Μπέρκλεϊ το 1986. Από την εποχή εκείνη η πρόοδός του ήταν αλματώδης έτσι ώστε σήμερα να βρίσκεται στην 5η θέση των 100 κορυφαίων χημικών της περασμένης δεκαετίας στη λίστα που έχει καταρτίσει η βιβλιομετρική εταιρεία Τόμσον-Ρόιτερς. Για όσους έχουν σχέση με τις μεθόδους ποσοτικής αποτίμησης του έργου των επιστημόνων, ο Αλιβιζάτος έχει δημοσιεύσει περισσότερα από 400 ερευνητικά άρθρα και έχει περισσότερες από 60.000 αναφορές στο έργο του με h-index (δείκτη Hirsch) ίσο με 107.

Οι «ιδιοτροπίες» των νανοκρυστάλλων

Ειδικότητα του καθηγητή Αλιβιζάτου είναι οι νανοκρύσταλλοι, δηλαδή μικροί κρύσταλλοι διάφορων υλικών με διαστάσεις μερικά νανόμετρα (1 νανόμετρο = 1 δισεκατομμυριοστό του μέτρου). Το ξεχωριστό ενδιαφέρον για τους νανοκρυστάλλους πηγάζει από το γεγονός ότι οι ιδιότητές τους δεν εξαρτώνται μόνο από το είδος του υλικού από το οποίο είναι κατασκευασμένοι αλλά και από το μέγεθος του νανοκρυστάλλου. Σύμφωνα με το παράδειγμα που φέρνει ο ίδιος, το σημείο τήξης του χρυσού μπορεί να το βρει κανείς σε οποιοδήποτε βιβλίο Χημείας ή στο Διαδίκτυο, το σημείο τήξης όμως ενός νανοκρυστάλλου χρυσού όχι, επειδή είναι διαφορετικό για διαφορετικά μεγέθη. Οι νανοκρύσταλλοι έχουν πολλές και σημαντικές εφαρμογές στην τεχνολογία, οι σημαντικότερες ίσως από τις οποίες είναι η κατασκευή φωτοβολταϊκών στοιχείων χαμηλού κόστους και συσκευών τεχνητής φωτοσύνθεσης.

Όσοι σκέφθηκαν να τοποθετήσουν φωτοβολταϊκά στοιχεία στο σπίτι τους για παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος από το ηλιακό φως γνωρίζουν πολύ καλά ότι το κόστος αυτών των συσκευών είναι πολύ μεγάλο. Ο λόγος είναι ότι τα σημερινά φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι κατασκευασμένα από κρυστάλλους πυριτίου, το κόστος των οποίων είναι υψηλό επειδή το πυρίτιο δεν είναι ανεξάντλητο στη φύση και έχει μεγάλη ζήτηση για την κατασκευή ολοκληρωμένων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Το κόστος ανεβαίνει επίσης επειδή η κατασκευή ενός μεγάλου κρυστάλλου είναι πολύ ακριβότερη από την κατασκευή πολλών μικρών. Ένα καλό παράδειγμα του καθηγητή Αλιβιζάτου για το δεύτερο σκέλος είναι το κόστος των διαμαντιών, τα οποία δεν είναι τίποτα περισσότερο από κρυσταλλικός άνθρακας. Ένα μεγάλο διαμάντι είναι ασύγκριτα ακριβότερο από πολλά μικρά ίσου βάρους επειδή είναι δύσκολο να βρει κανείς ένα μεγάλο διαμάντι χωρίς ελαττώματα.

Πώς θα αντικαταστήσουμε το πυρίτιο

Η εναλλακτική λύση που σήμερα αναπτύσσεται για αντικατάσταση των κρυστάλλων πυριτίου είναι η χρήση λεπτών στρωμάτων ημιαγωγών από ίνδιο, τελλούριο και γάλλιο πάνω σε ένα γυάλινο υπόστρωμα. Τα στοιχεία αυτά όμως είναι σπάνια στην επιφάνεια της Γης και, αν θελήσουμε να κατασκευάσουμε μεγάλες ποσότητες φωτοβολταϊκών στοιχείων με αυτή τη μέθοδο, το κόστος θα εκτοξευθεί σε επίπεδα πολύ υψηλότερα από αυτά της τεχνολογίας του πυριτίου. Η πρόταση του καθηγητή Αλιβιζάτου και της ομάδας του να χρησιμοποιηθούν νανοκρύσταλλοι από υλικά που υπάρχουν σε αφθονία στη Γη, όπως π.χ. ο σιδηροπυρίτης, ο θειούχος χαλκός και το οξείδιο του χαλκού, θα μπορούσε να οδηγήσει στη μαζική κατασκευή φωτοβολταϊκών στοιχείων με κόστος πολύ χαμηλότερο από το σημερινό.

Μια άλλη ενδιαφέρουσα εφαρμογή των νανοκρυστάλλων που έχει προτείνει ο καθηγητής Αλιβιζάτος είναι η απευθείας μετατροπή της ενέργειας του ηλιακού φωτός σε υγρό καύσιμο. Χρησιμοποιώντας νανοκρυσταλλικό οξείδιο του κοβαλτίου αντί για χλωροφύλλη, ο Αλιβιζάτος και η ομάδα του έδειξαν ότι είναι δυνατή η απευθείας παραγωγή μεθυλικής αλκοόλης (γνωστής πιο πολύ ως ξυλόπνευμα) από διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Με τον τρόπο αυτόν όχι μόνο αφαιρείται από την ατμόσφαιρα το διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο ευθύνεται βασικά για το φαινόμενο του θερμοκηπίου, και απελευθερώνεται οξυγόνο, αλλά παράγεται ταυτόχρονα και ένα υγρό καύσιμο που θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κίνηση οχημάτων.

Νέα ερευνητικά προγράμματα

Ο καθηγητής Αλιβιζάτος, πέρα από την καθηγητική έδρα Larry and Diane Bock του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ, κατέχει από το 2009 και τη θέση του διευθυντή του Εθνικού Εργαστηρίου Λόρενς στο Μπέρκλεϊ (Lawrence Berkeley National Laboratory, LBL). Ως διευθυντής του LBL ο Αλιβιζάτος προωθεί δύο μεγάλα ερευνητικά προγράμματα. Το πρώτο είναι ο «Κύκλος του άνθρακα 2.0», μια πολυεπιστημονική προσέγγιση για την επίλυση του φαινομένου του θερμοκηπίου. Το δεύτερο είναι η «Φωτεινή πηγή επόμενης γενιάς», που στοχεύει στην παραγωγή παλμών ακτίνων-Χ διάρκειας μόλις μερικών δισεκατομμυριοστών του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου, τόσο σύντομης που θα είναι ικανές να καταγράψουν την κίνηση των ηλεκτρονίων.

ΒΡΑΒΕΙΑ ΒΟΛΦ
Άνθη, σοκολατάκια και 100.000 δολάρια…

Ο Ρικάρντο Βολφ ήταν ένα γερμανοεβραίος εφευρέτης, γεννημένος το 1887, ο οποίος σε νεαρή ηλικία, πριν από τον Α’ Παγκόσμιο Πόλεμο, μετανάστευσε στην Κούβα। Εκεί επινόησε μια μέθοδο για την ανάκτηση του σιδήρου από τα υπολείμματα λειτουργίας των υψικαμίνων, από την εκμετάλλευση της οποίας απέκτησε μεγάλη περιουσία. Υποστήριξε τον Φιντέλ Κάστρο από τα πρώτα χρόνια της κουβανικής επανάστασης και μετά την επιτυχία της διορίστηκε πρεσβευτής της Κούβας στο Ισραήλ. Το 1975 δημιούργησε το Ιδρυμα Βολφ, το οποίο από το 1978 απονέμει τα ομώνυμα βραβεία σε επιστήμονες (φυσικούς, χημικούς, γεωπόνους και γιατρούς) και σε καλλιτέχνες (αρχιτέκτονες, μουσικούς, ζωγράφους και γλύπτες). Τα βραβεία, που απονέμονται από τον πρόεδρο του Ισραήλ σε μια τελετή που λαμβάνει χώρα στην ισραηλινή Βουλή, συνίστανται σε μια ανθοδέσμη από τριαντάφυλλα, ένα κουτί σοκολατάκια, ένα τιμητικό δίπλωμα και το ποσό των 100.000 δολαρίων. Η απονομή των βραβείων του 2012 θα γίνει στις 13 Μαΐου. [Χάρης Βάρβογλης, καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ, www.tovima.gr]

ΠΗΓΗ