Magnetické kouzlo materiálů

Maria Aguiar, studentka MIT, vyrůstala v Coeur d’Alene v Idahu, kde její rodiče – oba inženýři – pracovali ve stříbrném dolu. To v ní vzbudilo raný zájem o materiály. Její oblíbený minerál, hvězdicový granát, je zároveň i středem její bakalářské práce.

Její výzkum se zaměřuje na manipulaci s magnetickými vlastnostmi tenkých vrstev granátu – práce, která může pomoci zlepšit technologie ukládání dat. Aguiar, studentka oboru materiálové vědy a inženýrství (DMSE), zdůrazňuje, že technologie a energetické aplikace stále více závisí na materiálech s příznivými elektronickými a magnetickými vlastnostmi.

Již na střední škole se vášnivě věnovala inženýrství (a sci-fi), a proto se přihlásila na MIT. O materiálovém inženýrství se dozvěděla až prostřednictvím vyhledávače Google. Předpokládala, že se bude věnovat leteckému inženýrství, astronomii nebo fyzice, oborům, které ji v minulosti zaujaly.

Aguiar se nějakou dobu nemohla rozhodnout, jaký obor studovat, ale nakonec si uvědomila, že ji vždycky budou zajímat materiály. „Když jsem navštívila letecké muzeum, více mě zajímaly dlaždice použité na raketoplánu pro odolnost vůči teplu. Zajímal mě proces konstrukce těchto materiálů,“ vzpomíná Aguiar.

Program pro předorientační přípravu (FPOP), navržený pro pomoc novým studentům s výběrem oboru, ji přesvědčil, že materiálové inženýrství je pro ni to pravé. Pomohlo i to, že studenti DMSE byli přátelští a přístupní. „Byli na svůj obor hrdí a s nadšením povídali o tom, co dělají,“ říká Aguiar.

Během FPOP se docent James LeBeau, expert DMSE na transmisní elektronovou mikroskopii, ptal studentů na jejich zájmy. Když Aguiar zmínila svou lásku k astronomii, LeBeau srovnal tento obor s mikroskopií.

„Elektronový mikroskop je jen obrácený teleskop,“ vzpomíná, jak jí to řekl. Místo pohledu na něco vzdáleného, se pohybujete od velkého k malému – přibližujete se, abyste viděli jemnější detaily. Toto srovnání Aguiar zaujalo a inspirovalo ji k prvnímu projektu v rámci programu pro bakalářský výzkum (UROP) s LeBeauem, kde se dozvěděla více o mikroskopii.

Přitažlivost magnetických materiálů

Předmět 3.152 (Magnetické materiály), vyučovaný profesorkou Caroline Ross, podnítil Aguiarův zájem o magnetické materiály. Aguiar říká, že daný předmět byl fascinující a věděla, že související výzkum přinese důležité příspěvky pro moderní technologie ukládání dat. Po zahájení UROP v Rossově laboratoři magnetických materiálů na jaře svého juniorského ročníku byla Aguiar nadšená a práce se nakonec proměnila v její bakalářskou práci s názvem „Vliv žíhání na atomární uspořádání a magnetickou anizotropii v tenkých vrstvách železitého granátu.“

Hlavním cílem její práce bylo porozumět tomu, jak manipulovat s magnetickými vlastnostmi materiálů, jako je anizotropie – tendence magnetických vlastností materiálu se měnit v závislosti na tom, ve kterém směru jsou měřeny. Ukázalo se, že změna umístění určitých atomů kovů – nebo kationtů – v krystalové struktuře granátu může ovlivnit toto směrové chování. Důkladným uspořádáním těchto atomů mohou vědci „ladit“ granátové filmy tak, aby poskytovaly nové magnetické vlastnosti, což umožňuje návrh pokročilých materiálů pro elektroniku.

Když se Aguiar připojila k laboratoři, začala pracovat s doktorandkou Allison Kaczmarekovou, která pro svou disertační práci zkoumala souvislost mezi uspořádáním kationtů a magnetickými vlastnostmi. Kaczmareková konkrétně studovala růst a charakterizaci granátových filmů a hodnotila různé způsoby, jak indukovat uspořádání kationtů, změnou parametrů v procesu pulzního laserového napařování – techniky, která vystřeluje laser na cílový materiál (v tomto případě granát), odpařuje ho, takže se usazuje na substrátu, jako je sklo. Úprava proměnných, jako je laserová energie, tlak a teplota, spolu se složením smíšených oxidů, může významně ovlivnit výsledný film.

Aguiar studovala jeden specifický parametr: žíhání – zahřátí materiálu na vysokou teplotu před ochlazením. Tato technika zpevnění se často používá ke změně způsobu uspořádání atomů v materiálu. „Zatím jsem zjistila, že když tyto filmy žíháme po dobu pouhých pěti minut, film se více přiklání k preferenci mimoosé magnetizace,“ říká Aguiar. Tato vlastnost, známá jako kolmá magnetická anizotropie, je významná pro aplikace magnetické paměti, protože nabízí výhody v oblasti výkonu, škálovatelnosti a energetické účinnosti.

„Maria byla velmi spolehlivá a rychle se osamostatnila. Rychle se učí a je velmi ohleduplná k tomu, co dělá,“ říká Kaczmareková. Tato ohleduplnost se ukázala hned na začátku. Když byla požádána o určení optimální teploty žíhání pro filmy, Aguiar neprováděla jen testy – nejprve provedla důkladnou rešerši literatury, aby pochopila, co již bylo zjištěno, a poté pečlivě testovala filmy při různých teplotách, aby našla tu nejvhodnější.

Kaczmareková se s Aguiar poprvé seznámila jako asistentka pro předmět 3.030 (Mikroskopická evoluce materiálů), vyučovaný profesorem Geoffreyem Beachem. Ještě předtím, než začala s UROP v Rossově laboratoři, Aguiar sdílela jasný výzkumný cíl: získat praktické zkušenosti s pokročilými technikami, jako je rentgenová difrakce, magnetometrie s vibrující vzorkem a ferom magnetická rezonance – nástroje typicky používané zkušenějšími výzkumníky. „Toho cíle určitě dosáhla,“ říká Kaczmareková.

Za hranicemi laboratoře, za hranicemi MIT

Mimo laboratoř Aguiar kombinuje svou lásku k materiálům s velkým smyslem pro komunitní osvětu a sociální soudržnost. Jako spoluředitelka Společnosti vysokoškolských materiálů vědců v DMSE pomáhá organizovat události, které činí oddělení inkluzivnějším. Večeře s třídou jsou skvělou zábavou – mnoho seniorů nedávno šlo do cambridgeské restaurace na sushi – a „Týden materiálů“ každý semestr funguje primárně jako náborová akce pro nové studenty. Akce s horkou čokoládou v blízkosti zimních svátků spojila vánoční veselí s hodnocením přednášek – pro některé bolestivé, ale nutné pro zlepšení výuky.

Po absolvování studia na jaře se Aguiar těší na studium na postgraduální škole na Stanfordské univerzitě a zaměřuje se na výuku. Měla ráda svou práci jako asistentka na oblíbených kurzech pro první ročník 3.091 (Úvod do chemie pevných látek) a 3.010 (Struktura materiálů), za což obdržela cenu za výuku pro studenty bakalářského studia.

Ross je přesvědčena, že Aguiar je silnou kandidátkou na postgraduální studium. „Pro postgraduální studium potřebujete akademickou excelenci a technické dovednosti, jako je dobrá práce v laboratoři, a Maria má obojí. Pak jsou tu měkké dovednosti, které souvisejí s tím, jak jste organizovaní, jak odolní, jak zvládáte různé povinnosti. Obvykle se studenti učí za pochodu, ale Maria je daleko napřed,“ říká Ross.

„Jedna věc, která mě naplňuje nadějí pro Mariino postgraduální studium, je to, že se velmi široce zajímá o mnoho aspektů materiálové vědy,“ dodává Kaczmareková.

Aguiarova vášeň pro daný předmět se přelila do zábavného vedlejšího projektu: tričko DMSE-exkluzivní „Meow-terials Science“, které navrhla – s kočkami provádějícími běžné laboratorní experimenty – bylo mezi studenty hitem.

Stále ji fascinují materiály kolem ní, dokonce i v lahvi s vodou, ze které každý den pije. „Studium materiálové vědy změnilo můj pohled na svět. Můžu vzít něco tak obyčejného, jako je tato lahev s vodou a přemýšlet o metalurgických procesech, které jsem se naučila ve svých hodinách. Prostě miluji, že se toho dá tolik naučit z každodenní reality.“