Revista >> Martie 2020 [Nr. 222] >> Top Story

Consacrarea internațională a INFLPR prin cercetări de nivel mondial

Radu Ghitulescu

19 Martie 2020

Producția științifică a institutului, pe un curs calitativ și cantitativ ascendent

Prin valoarea specialiștilor săi și a productivității științifice, Institutul Național pentru Fizica Laserilor, Plasmei și Radiației (INFLPR) de la Măgurele este unul dintre cele mai mari entități de cercetare și dezvoltare din România, reușind în ultimii ani să se plaseze tot mai pronunțat în fluxul principal de cunoaștere. INFLPR îşi consolidează recunoaşterea pe plan mondial prin implicări în colaborări internaţionale semnificative, precum Laserlab, în domeniul laserilor, şi Euratom, în domeniul plasmei şi radiaţiei, dar şi prin lucrări ştiinţifice de o calitate remarcabilă, recunoscute şi promovate de mediul academic, ştiinţific şi tehnologic.

În perioada 2009-2020, INFLPR a realizat peste 4.780 lucrări ştiinţifice, înregistrate în baza de date Web of Science (WoS), în creştere permanentă, totalizând peste 79.000 citări şi un index Hirsh instituţional mai mare de 100 (Fig. 1).

Producţia ştiinţifică, stimulată de programele UEFISCDI, prin premierea rezultatelor cercetării, şi de doi ani de către Institut, prin introducerea unor obiective de performanţă, a atins în 2019 cea mai mare creştere şi valoare absolută din punct de vedere cantitativ (număr de lucrări cu factor de impact), dar mai ales calitativ: aproximativ 50% dintre aceste lucrări se regăsesc în prima quartilă (Q1), asociată de WoS. Astfel, ultimii ani au culminat cu rezultate ştiinţifice remarcabile, publicate în jurnale de mare impact în domeniu, şi promovate de reviste de specialitate apreciate.
Prezentăm în continuare patru studii recente, efectuate de cercetători consacraţi, dar şi de tineri ai INFLPR, în cadrul unor colaborări prestigioase sau al unor stagii de lucru în proiectul european Laserlab, care au sporit vizibilitatea Institutului şi recunoaşterea sa internaţională.

Pe coperta prestigioaselor reviste Nanoscale și Journal of Material Chemistry C
Dr. Carmen Tiseanu a condus o colaborare de succes între grupul de spectroscopie laser pe (nano)materiale avansate din INFLPR şi grupul de aplicaţii avansate de microscopie electronică din Thermo Fisher Scientific (FEI, Olanda), diseminată în articolul „Imaging dopant distribution across complete phase transformation by TEM and upconversion emission”, promovat pe coperta 1 a revistei Nanoscale (factor de impact 6.9), vol. 11, issue 36 (autori, drd. Daniel Avram, mrd. Claudiu Colbea, dr. Mihaela Florea, dr. Daniel Stroppa, dr. Sorin Lazar și dr. Carmen Tiseanu).
Scopul acestui studiu, realizat în cadrul proiectului PCE (IDEI, competiţia 2016), intitulat „Doped oxide nanoparticles: From local structure to long range perspective via luminescence” este de a descrie evoluţia distribuţiei dopantului într-o transformare completă de fază. Folosind un design inovator, s-au obţinut o serie de nanoparticule de zirconia care prezintă o tranziţie completă de faza fără stimulii tradiţionali, respectiv variaţia concentraţiei dopantului stabilizator (lantanid optic activ) sau a regimului de tratament termic. Toate „faţetele” semnificative ale distribuţiei unui dopant (omogenitate, diluție/îmbogăţire locală şi segregare), corelate cu semnătură optică (culoarea emisiei, intensitate, dinamică), au fost descrise prin tehnici de spectroscopie laser prin conversie superioară, folosite în grupul din INFLPR. Specialiştii de aplicaţie de la FEI au contribuit prin imagistica electronică de mare rezoluţie spaţială cu contrast de fază şi mapare elementală avansată.
Din perspectiva cercetării fundamentale, studiul are o dublă semnificaţie: răspunsul optic este sensibil la abateri subtile (1-2%) de la doparea uniformă considerată „ideală” pentru toate nanomaterialele funcţionale, dar şi la interacţiile la scală nano între dopanţi localizaţi în polimorfi distincţi ce coexistă în aceeaşi nanoparticulă. Din punct de vedere al aplicaţiilor, este remarcabil că producătorul de microscoape FEI a introdus deja aceste rezultate ca element semnificativ de marketing.

În cadrul aceluiași proiect IDEI, trei autori români (drd. Daniel Avram, mrd. Claudiu Colbea şi dr. Carmen Tiseanu) au publicat articolul „Effects of local symmetry on upconversion emission mechanisms under pulsed excitation”, promovat pe coperta 1 a jurnalului Journal of Material Chemistry C (factor de impact 6.6), vol. 7, issue 44, 2019. Studiul reprezintă o primă descriere a efectului simetriei structurii locale asupra proprietăților de emisie de conversie superioară în condiţii de excitare pulsată. În literatura de specialitate s-a stabilit că o vecinătate distorsionată în jurul ionilor optic activi (cum sunt lantanidele) induce o emisie mai intensă decât în cazul unei vecinătăţi mai simetrice, în cazul excitării laser în mod continuu. Pe de altă parte, tot mai multe studii recente evidenţiază avantajele regimului de excitare pulsat faţă de cel continuu: permite o densitate de energie mai mare a pulsului laser cu efecte minime asupra mediului biologic, un raport semnal/zgomot mai mare, iar prin corelare cu detecție de tip „time-gated” fluorescența parazită a mediului biologic este eliminată. De aceea, întrebarea pe care şi-au pus-o autorii în acest studiu este dacă simetria locală are acelaşi efect asupra intensităţii emisiei când se trece de la regimul de excitare în mod continuu la cel de excitare pulsată. Răspunsul este NU: deşi probabilitatea de emisie este mai mică într-o simetrie locală mai înaltă, timpii de viaţă mai lungi ai nivelelor excitate care alimentează emisia conduc la emisii care pot fi de ordine de mărime mai intense decât în cazul unei simetrii locale mai joase. Este foarte probabil ca utilizarea modului de excitare în regim pulsat să schimbe fundamental modul în care se selectează şi se optimizează nanoparticulele dopate cu ioni de lantanide pentru diverse aplicaţii de (bio)imagistică.

În Top 20 tehnologii fotonice pe 2019
Articolul „On the improvement by laser ignition of the performances of a passenger car gasoline engine”, publicat în Optics Express, Vol. 27, No. 8, A385 (2019), revistă cu factor de impact IF= 3.56, prezintă concluziile unor studii experimentale, efectuate pe un motor Renault de automobil cu patru cilindri (volum 1598 cm3). Acesta a fost operat în mod obișnuit, adică cu bujii clasice, precum și cu dispozitive de tip bujie laser, utilizând două amestecuri de combustibil aer-benzină, primul fiind cel stoichiometric (~1) folosit în mod normal, precum și un amestec cu conţinut mai sărac în benzină, = 1.25. Experimentele au fost efectuate la o turaţie a motorului de 2000 rpm și sarcină de 2 bar, aceste condiţii fiind similare traficului urban. Rezultatele au arătat că pentru operarea cu combustibil stoichiometric (~1), aprinderea cu bujii laser duce la o creștere a puterii motorului („engine break power”) cu 7.9%, în comparaţie cu puterea obţinută la aprinderea cu bujii electrice. Pentru amestecul de combustibil mai sărac în benzină, trecerea de la aprinderea cu bujii clasice la aprinderea cu bujii laser a condus la o creștere majoră, de 29%, a puterii motorului. La fel de important este faptul că, în comparaţie cu operarea cu bujii electrice, la utilizarea aprinderii cu bujii laser s-a observat o scădere a consumului de combustibil, de 7.4% pentru combustibilul normal și de 21% pentru operarea cu combustibil având = 1.25. În plus, prin utilizarea aprinderii cu bujii laser s-a îmbunătaţit stabilitatea în funcţionare a motorului, au fost reduse emisiile de CO, iar emisiile de THC au fost menținute la același nivel cu cele înregistate pentru operarea cu bujii clasice. Totuși, aprinderea cu bujii laser a condus la o creștere a emisiilor de NOx.
Cercetările s-au facut în cadrul contractului 157/12.07.2017, „Structuri avansate de laseri cu corp solid cu mai multe fascicule pentru aprinderea amestecurilor inflamabile cu concentrație scăzută de combustibil”, finanțat pe perioada 2017-2019 de către UEFISCDI, proiectul fiind condus de dr. Pavel Nicolaie. Acest studiu s-a desfășurat în colaborare cu Universitatea Politehnica din București, Centrul de Cercetări Termice al Facultății de Inginerie Mecanică și Mecatronică, și cu Renault Technologie Roumanie. Dispozitivele de tip bujie laser au fost realizate în Laboratorul Electronica Cuantică a Solidului din INFLPR, fiind și un rezultat al colaborării, pe perioada 2012-2016, cu Renault Technologie Roumanie. Menționăm și faptul că un rezultat notabil al acestei colaborări anterioare a fost rularea unui automobil Dacia cu un sistem integrat cu bujii laser, rezultatele fiind publicate în Optics Express Vol. 23, No. 6, 33028 (2015) și prezentate la conferința 5th Laser Ignition Conference, 20-23 iunie 2017, București, România.
Aceste cercetări au fost motivate de necesitatea îmbunătățirii performanțelor unui motor de automobil pe benzină, astfel încât impactul utilizării acestuia asupra mediului să fie redus în continuare, fiind de interes pentru industria constructoare de automobile. În consecință, rezultatele publicate în luna martie 2019 în Optics Express au fost incluse în revista Laser Focus World, numărul din luna mai 2019, la secțiunea World News, Lasers in Transportation, fiind preluate și de alte pagini web de specialitate (spre exemplu, ee NEWS Europe: https://www.eenewseurope.com/news/forget-spark-plug-use-laser-ignition-gasoline-ices). De asemenea, Advances In Engineering a consemnat rezultatele într-un articol, disponibil la https://advanceseng.com/gasoline-engine-operating-lean-air-fuel-mixture-laser-ignition/.
Realizarea sistemelor de tip bujie laser și rezultatele obținute prin operarea motorului cu benzină au fost selecţionate printre „Laser Focus World’s top 20 photonics technology picks for 2019”, articolul fiind inclus în numărul din decembrie 2019 al revistei Laser Focus World.

Colaborări de succes cu laboratoare din UE
Recent, o colaborare științifică desfășurată între INFLPR și Laboratorul de Laseri, Plasmă și Procedee Fotonice din Marsilia (LP3 - unitate de cercetare mixtă între CNRS și Universitatea Aix-Marseille - UMR 7341) în cadrul proiectului Laserlab Europe a condus la o serie de rezultate remarcabile, publicate în jurnale internaționale reputate. Scopul acestui studiu l-a reprezentat analiza compoziției chimice a unor materiale și filme subțiri obținute prin Depunere Laser Pulsată, realizate în INFLPR de către dr. Valentin Crăciun și dr. Emanuel Axente, prin tehnica de spectroscopie de străpungere optică indusă laser fără calibrare (CF-LIBS, abreviere din engleză pentru Calibration-Free Laser-Induced Breakdown Spectroscopy), dezvoltată de dr. Jörg Hermann (LP3).
Cercetările au evidențiat că plasma generată prin ablație laser, în condiții experimentale specifice, poate fi utilizată cu succes pentru analiza compozițională cantitativă rapidă a unor filme subțiri cu grosimi nanometrice (150 nm), însă cu precizie și acuratețe superioară față de metode convenționale de analiză ca EDX, RBS, XPS.
Avantajele tehnicii CF-LIBS sunt multiple: nu sunt necesare standarde de calibrare cu compoziție certificată, nu este necesară pregătirea preliminară a probei de analizat, nu este necesară obținerea unor condiții de vid avansat, iar costurile de operare sunt reduse. Analiza cantitativă se realizează cu un software brevetat de către dr. Hermann, ce are la bază compararea spectrului de emisie experimental al plasmei cu un spectru simulat teoretic.
In 2017, dr. Valentin Crăciun și dr. Emanuel Axente au demonstrat că plasmele generate cu pulsuri laser ns (266 nm) în atmosferă de argon prezintă proprietăți unice, ale unei plasme „ideale”: acestea combină uniformitatea spațială și echilibrul termodinamic local (ETL). Rezultatele au fost publicate in jurnalul Physical Review E, cu titlul: „Ideal radiation source for plasma spectroscopy generated by laser ablation” Vol. 96, Nr. 053210, împreună cu colaboratori din Franța, Germania și Serbia. Știrea a fost preluată la momentul respectiv pe site-ul Institutului de Științe și Ingineria Sistemelor al CNRS din Franța (https://insis.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/le-plasma-ideal-un-nouvel-atout-pour-la-spectrometrie).
În 2018, cei doi cercetători din INFLPR au evidențiat prezența ETL în plasmele laser observând saturația celor mai intense linii de emisie (atomi si ioni) la radianța corpului negru. Concluziile studiului se referă la perspective noi pentru analiza cantitativă a materialelor prin CF-LIBS, dar, mai mult, plasmele laser ar putea fi folosite ca standarde de radiație pentru calibrarea în intensitate a instrumentelor spectroscopice. Articolul „Local thermodynamic equilibrium in a laser-induced plasma evidenced by blackbody radiation”, publicat în Spectrochimica Acta Part B, Vol. 44 a fost desemnat în 2019 de către Editorii jurnalului drept cea mai bună lucrare publicată în 2018 (https://doi.org/10.1016/j.sab.2019.04.012).

Rezultatele anterioare, publicate în 2019 în articolul „Analysis of Multi-elemental Thin Films via Calibration-Free Laser-Induced Breakdown Spectroscopy” în jurnalul Analytical Chemistry, Vol. 91, Nr. 3, au stat la baza unei descoperiri remarcabile în domeniul analitic. Astfel, s-a demonstrat analiza cantitativă de mare precizie a unor filme subțiri nanometrice cu compoziție complexă (10 elemente chimice diferite), atât în fracții majoritare, cât și sub 1%, cu acuratețe ridicată.

Contribuții importante la dezvoltarea tehnologiei din sistemele laser de mare putere
În 2018, Premiul Nobel pentru fizică a fost acordat pentru invenții inovative în domeniul fizicii laserilor și împărțit între Arthur Ashkin (Bell Laboratories, SUA), pentru pensete optice și aplicarea lor în cadrul sistemelor biologice, și Gérard Mourou (École Polytechnique, Franța) și Donna Strickland (Universitatea din Waterloo, Canada), pentru amplificarea pulsurilor laser ultra-scurte. Metoda de amplificare a pulsurilor laser cu derivă temporală de frecvențe (Chirped Pulse Amplification - CPA) a permis creșterea puterii unui fascicul laser de la terawati (TW) la petawati (PW). Această metodă reprezintă și la momentul actual singura metodă prin care se pot obține intensității laser de până la 1024 W/cm2.
Din dorința de a obține intensități laser mai mari, Gérard Mourou a propus o metodă complementară tehnicii de amplificare a pulsurilor laser cu derivă temporală de frecvență, prin care durata pulsurilor laser emise să fie redusă până la o singură oscilație a câmpului electromagnetic, care în infraroșu este aproximativ 3 femtosecunde (1 fs = 10-15 s). Implementarea unei astfel de tehnologii în cadrul sistemelor laser de clasă PW ar conduce la o creștere a puterii optice de vârf cu cel puțin două ordine de mărime.

Încă din anul 2015, Gérard Mourou a colaborat cu cercetători din cadrul INFLPR, în special cu dr. Gabriel Cojocaru și dr. Răzvan Ungureanu, pentru testarea și implementarea noii metode. Facilitățile INFLPR care permit astfel de cercetări cuprind două sisteme laser cu pulsuri ultra-scurte și ultra-intense: sistemul laser TEWALAS cu putere până la 20 TW și sistemul laser CETAL-PW cu putere pană la 1 PW. Experimentele realizate de echipe franco-române s-au efectuat în două etape: mai întâi s-a urmărit găsirea parametrilor pentru lărgire spectrală a pulsurilor ultra-intense, iar apoi a fost realizată scurtarea temporală a duratei de puls prin compensarea dispersiei.
Facilitatea TEWALAS a fost utilizată pentru construirea unui montaj experimental de testare a filmelor subțiri ce au ca potențial lărgirea benzii spectrale a pulsurilor ultra-intense și identificarea procedurilor de testare și diagnosticare în condiții de vid a interacției filmelor cu pulsurile laser de mare intensitate. Astfel, au fost realizate studiile de fezabilitate necesare implementării conceptului de comprimare temporală pe bază de filme subțiri, „Thin Film Compressor” (TFC). Ulterior, testele s-au desfășurat la facilitatea laser CETAL-PW din cadrul INFLPR. Rezultatele experimentelor au demonstrat că există filme plastice cu grosimi de până la 0.5 mm, care în urma interacției cu fascicule laser colimate de intensități de aproximativ 1.5 TW/cm2 produc o lărgire satisfăcătoare a spectrului, prezentând o pierdere de energie mică. De asemenea, a fost conceput și implementat un prototip de compresor temporal bazat pe oglinzi cu dispersie (chirped mirrors) ce a permis reducerea duratei pulsului de la 45 fs la 29 fs. Rezultatele obținute au fost publicate în lucrarea „100 J-level pulse compression for peak power enhancement”, Quantum Electronics (https://iopscience.iop.org/article/10.1070/QEL16307/meta), dr. Gabriel Cojocaru și dr. Răzvan Ungureanu fiind co-autori, alături de prof. Gérard Mourou.
Ulterior, experimentele au fost reluate de aceeași echipă la facilitatea LASERIX din Franța, în cadrul unui proiect finanțat de programul internațional Laserlab. Rezultatele preliminare de la CETAL-PW au fost reproduse cu succes, arătând că în urma interacției cu aceste filme calitatea de focalizare a fasciculelor nu prezintă modificări semnificative. Aceste rezultate au fost publicate în lucrarea „Focusability of laser pulses at petawatt transport intensities in thin-film compression”, revista Journal of the Optical Society of America B (https://www.osapublishing.org/josab/abstract.cfm?uri=josab-36-2-A28).
În continuare, metoda TFC va fi scalată pe sistemele laser de la facilitatea ELI-NP, cu scopul de a contribui la dezvoltarea unor fascicule laser de mare putere, în domeniul exawati (1 EW = 1018 W).

Perspective
Prin toate aceste studii valoroase, publicate în jurnale internaţionale de top, INFLPR și-a confirmat competența științifică, punând totodată România pe harta producţiei editoriale relevante mondial. Cum s-a ajuns la aceste rezultate notabile, dar, mai ales, cum se va menține cursul ascendent al Institutului, pe termen mediu și lung? Un răspuns sintetic este oferit de dr. Ion Tiseanu,
directorul științific al INFLPR: „Dezvoltarea durabilă a Institutului depinde de mai mulţi factori, printre care resursa umană înalt calificată şi echipamentele de cercetare ultramoderne, corelate cu indicatorii ştiinţifici, reflectaţi prin lucrări ştiinţifice şi brevete. Printr-o politică susţinută de promovare și recompensare, în INFLPR s-a constituit relativ rapid o nouă generaţie de lideri ştiinţifici şi s-a reluat în forţă tendinţa de creştere cantitativă şi mai ales calitativă a producției ştiinţifice. În plus, INFLPR reușește să angajeze dintre cei mai buni studenți ai facultăților tehnice din Romania, să ofere stagii de perfecționare profesională în laboratoare din străinătate, în special masteranzilor și doctoranzilor, și să atragă tineri cu studii postuniversitare din diaspora, formând o noua generație de cercetători de elită”.
„În altă ordine de idei, misiunea institutului nostru trebuie corelată cu strategiile europene ale cercetării în vederea dezvoltării produselor şi tehnologiilor inovative pentru societate”, subliniază dr. Traian Dascălu, directorul general al INFLPR. „Astfel, investiţia masivă în noi centre de cercetare (CETAL şi IN2-FOTOPLASMAT) şi în infrastructura de cercetare complexă utilizată ca facilitate în ultimii ani a produs o creştere importantă a gradului de utilizare a echipamentelor. Obiectivul pe termen lung este diversificarea activităţilor de cercetare matură pentru generarea tehnologiilor neconvenţionale, în vederea apropierii şi cointeresării agenţilor economici din piaţă, strategie ce va conduce nu numai la dezvoltarea noastră instituțională durabilă, ci mai ales la creșterea valorii adăugate pe care, prin activitatea noastră, o restituim societății”.