Instytut Fizyki Molekularnej PAN w Poznaniu – historia, badania

Instytut Fizyki Molekularnej PAN w Poznaniu to jednostka, która od dziesięcioleci łączy zaawansowaną fizykę teoretyczną z bardzo konkretnymi zastosowaniami – od materiałów dla fotoniki po rozwiązania dla energetyki odnawialnej. To miejsce, gdzie powstają zarówno nowe koncepcje, jak i aparatura badawcza używana w wielu laboratoriach w Polsce. Jeśli chcesz lepiej poznać jego historię oraz główne kierunki badań, przeczytaj dalszą część artykułu.

Jak powstał Instytut Fizyki Molekularnej PAN w Poznaniu?

Rok 1952 był momentem, gdy Polska Akademia Nauk zaczęła intensywnie budować sieć instytutów naukowych, także poza Warszawą. W tym procesie w Poznaniu stopniowo krystalizowało się środowisko fizyków zajmujących się strukturą materii, własnościami dielektryków i fizyką ciała stałego. Z czasem powstała jednostka, która po kilku reorganizacjach przyjęła nazwę Instytut Fizyki Molekularnej PAN i wyspecjalizowała się w badaniach na styku fizyki molekularnej, kondensatu materii oraz nowoczesnych materiałów funkcjonalnych. Od początku duże znaczenie miała ścisła współpraca z Uniwersytetem im. Adama Mickiewicza oraz z przemysłem chemicznym i elektronicznym regionu.

W pierwszych dekadach działalności rozwijały się głównie klasyczne kierunki: dielektryki stałe, ciekłe i ciekłokrystaliczne, spektroskopia molekularna, a także magnetyzm i rezonans magnetyczny. Ten profil – mocno zakorzeniony w precyzyjnych pomiarach właściwości fizycznych – w naturalny sposób przygotował grunt pod późniejsze wejście w tematykę fotoniki, elektroniki organicznej i materiałów dla energetyki. Po 1989 roku, wraz z łatwiejszym dostępem do aparatury i funduszy międzynarodowych, instytut zaczął intensywnie modernizować laboratoria, inwestując w układy próżniowe, komory kriogeniczne, a także systemy do badań struktur cienkowarstwowych.

Wejście Polski do Unii Europejskiej otworzyło drogę do dużych projektów infrastrukturalnych, w których instytut brał udział jako partner wiodący lub specjalistyczny. Powstawały laboratoria dedykowane nowym klasom materiałów: dielektrykom polimerowym, nanokompozytom, strukturom hybrydowym organiczno-nieorganicznym czy warstwom przeznaczonym do konwersji energii. Część tych badań szybko znalazła zastosowanie w technologiach takich jak Solar Photovoltaic (PV), gdzie precyzyjna kontrola struktury na poziomie nanometrów decyduje o sprawności przetwarzania światła na prąd.

Jakie główne kierunki badań rozwija instytut?

Aktualny profil badawczy instytutu obejmuje zarówno fizykę podstawową, jak i obszary mocno zorientowane na zastosowania. Ważnym nurtem są badania własności dielektryków – od prostych związków molekularnych po złożone układy polimerowe i kompozytowe – prowadzone w szerokim zakresie temperatur i częstotliwości. Innym filarem są badania nad materiałami magnetycznymi, nadprzewodzącymi oraz nad strukturami o złożonej topologii, gdzie liczą się nie tylko parametry materialowe, ale także kontrola defektów, domen i granic ziaren. Coraz większą część aktywności stanowią też materiały i układy dla elektroniki molekularnej, sensoryki oraz konwersji energii promieniowania elektromagnetycznego.

Fizyka dielektryków i materiały polimerowe

Poznański ośrodek jest znany z bardzo dokładnych badań relaksacji dielektrycznej, czyli sposobu, w jaki molekuły i dipole elektryczne reagują na zmienne pole. Takie pomiary – prowadzone w szerokim pasmie częstotliwości – pozwalają określić strukturę dynamiczną materiału, jego stabilność, procesy zeszklenia i przewodnictwo jonowe. W przypadku polimerów czy cieczy jonowych te dane są niezbędne, jeśli myśli się o zastosowaniu w kondensatorach wysokonapięciowych, izolacjach kabli wysokiego napięcia czy warstwach dielektrycznych w tranzystorach cienkowarstwowych. W instytucie bada się zarówno proste układy laboratoryjne, jak i tworzywa stosowane w przemyśle, analizując ich starzenie, wpływ wilgotności oraz pola elektrycznego o dużej intensywności.

Dielektryki pojawiają się także w energetyce odnawialnej, choć często w mniej widoczny sposób. W instalacjach Solar Photovoltaic (PV) materiały izolacyjne decydują o bezpieczeństwie modułów, ich odporności na warunki środowiskowe i długoterminową stabilność parametrów. Badania prowadzone w Poznaniu dotyczą więc nie tylko samych warstw czynnych, ale i całego otoczenia elektrycznego – od folii enkapsulacyjnych po powłoki antyrefleksyjne. Dzięki analizie strat dielektrycznych i zjawisk polaryzacyjnych można wskazać, które kombinacje materiałów zapewniają lepszą Energy Efficiency całego systemu i mniejsze ryzyko degradacji w czasie eksploatacji.

Materiały magnetyczne, nadprzewodniki i badania niskotemperaturowe

Drugi mocny nurt to fizyka magnetyzmu w materiałach stałych i złożonych. W instytucie bada się zarówno klasyczne ferromagnetyki, jak i bardziej złożone układy: ferrimagnetyki, szkła spinowe, materiały o niejednorodnej strukturze domenowej czy układy wielowarstwowe. Ważną rolę odgrywa tu magnetometria precyzyjna, pomiary podatności magnetycznej w funkcji temperatury i pola, a także spektroskopia rezonansu magnetycznego. Dane te są istotne nie tylko dla konstrukcji głowic zapisujących czy czujników pola, lecz także dla materiałów, które mogą pracować w ekstremalnych warunkach – na przykład w magnesach dla kriogeniki lub w układach chłodzenia magnetokalorycznego.

W badaniach niskotemperaturowych – sięgających pojedynczych kelwinów – analizuje się ponadto nadprzewodniki i materiały z silnymi korelacjami elektronowymi. Takie układy są testowane pod kątem ich potencjału w systemach, w których liczy się niska strata energii, wysoka gęstość prądu i miniaturyzacja elementów. Choć bezpośrednie powiązanie z instalacjami fotowoltaicznymi wydaje się odległe, w praktyce te materiały mogą wchodzić w skład elementów mocy, przetwornic czy czujników monitorujących pracę sieci energetycznych, w których efektywność energetyczna staje się coraz ważniejszym parametrem projektowym.

Fotonika, optoelektronika i konwersja energii

Od kilku lat silnie rośnie znaczenie badań fotonicznych – od klasycznej spektroskopii molekularnej po projektowanie struktur fotonicznych o zadanych własnościach. W instytucie pracuje się nad warstwami i strukturami, które mogą pełnić funkcję absorberów światła, prowadnic falowych czy elementów modulujących wiązkę. Tego typu materiały stają się bazą dla detektorów promieniowania, czujników środowiskowych, ale także dla warstw czynnych w urządzeniach konwertujących światło na energię elektryczną. W przypadku technologii Solar Photovoltaic (PV) ważna jest nie tylko sama warstwa półprzewodnikowa, lecz także układ optyczny: teksturowanie powierzchni, powłoki antyrefleksyjne, rozpraszanie światła i zarządzanie jego polaryzacją.

Prowadzone są prace nad materiałami hybrydowymi – łączącymi własności związków organicznych i nieorganicznych – które można nanosić technikami cienkowarstwowymi o niskim koszcie, na przykład metodą sol-gel lub metodami drukowania. Takie podejście otwiera drogę do elastycznych modułów fotowoltaicznych, ogniw barwnikowych czy struktur perowskitowych. Badania koncentrują się na stabilności warstw, ich odporności na wilgoć i promieniowanie UV oraz na procesach degradacji prowadzących do spadku sprawności. Dzięki temu można ocenić, które kombinacje składu i struktury realnie poprawiają Energy Efficiency urządzeń i dają szansę na długotrwałą pracę w warunkach zewnętrznych.

Materiały opracowywane w Instytucie Fizyki Molekularnej PAN trafiają do układów, które zwiększają sprawność konwersji światła na prąd oraz poprawiają trwałość modułów fotowoltaicznych w warunkach pracy w terenie.

Jak instytut wpisuje się w energetykę odnawialną i modernizację sieci?

Rosnący udział źródeł odnawialnych sprawia, że fizyka materiałowa zaczyna bezpośrednio wpływać na infrastrukturę energetyczną. W obszarze technologii Solar Photovoltaic (PV) instytut zajmuje się zarówno materiałami do samych modułów, jak i komponentami obecnymi w elementach mocy, inwerterach oraz systemach monitorujących. Badacze pracują nad warstwami o mniejszych stratach dielektrycznych, nad odpornością materiałów na przebicie oraz nad procesami starzenia w warunkach długotrwałego obciążenia elektrycznego. Dzięki połączeniu badań struktury (np. dyfrakcja rentgenowska, mikroskopia elektronowa) z testami elektrycznymi można śledzić, jak mikrodefekty przekładają się na awarie w skali całego urządzenia.

W energetyce opartej na słońcu istotne stają się także magazyny energii. Technologie takie jak Battery Storage pozwalają kompensować zmienną generację – w słoneczne południe nadwyżka jest gromadzona, by wieczorem można ją było oddać do sieci. Z punktu widzenia fizyki molekularnej oznacza to potrzebę zrozumienia procesów zachodzących na granicy elektrolit–elektroda, migracji jonów, tworzenia się warstwy pasywującej i zjawisk degradacyjnych. W instytucie analizuje się elektrolity stałe i ciekłe, materiały katodowe i anodowe, ich stabilność w cyklach ładowania oraz wpływ temperatury na sprawność i bezpieczeństwo magazynowania. Dzięki tym badaniom można dobrać układy, które lepiej integrują się z fotowoltaiką, bo obsługują większą liczbę cykli przy niższych stratach energii.

Integracja z infrastrukturą sieciową

Nowa generacja źródeł energii wymaga także zmian w systemach przesyłu i dystrybucji. Modernizacja Grid Infrastructure to nie tylko wymiana przewodów, ale także wprowadzenie czujników, układów pomiarowych i systemów automatyki, które potrafią pracować w warunkach dużej zmienności przepływów mocy. Badania prowadzone w instytucie — na przykład nad materiałami do czujników prądu i napięcia, dielektrykami do izolatorów oraz materiałami o kontrolowanej przewodności powierzchniowej — mogą bezpośrednio zasilać projekty modernizacyjne. Dzięki temu sieć staje się bardziej odporna na przepięcia, lepiej radzi sobie z obciążeniami dynamicznymi i zużywa mniej energii na straty przesyłowe, co przekłada się na wyższą Energy Efficiency całego systemu.

W tle tych działań stoi coraz silniejsza presja regulacyjna. Pojęcie Carbon Neutrality – z docelowym rokiem 2050 – zaczyna przenikać do dokumentów strategicznych państw i operatorów. Modernizowana Grid Infrastructure ma więc spełniać nie tylko wymogi techniczne, ale także normy związane z emisją gazów cieplarnianych. W tym kontekście rozwój materiałów o mniejszych stratach, dłuższej żywotności i wyższej odporności środowiskowej staje się bezpośrednim narzędziem realizacji tych celów. Badania nad modułami PV z bardziej trwałymi warstwami, nad magazynami energii o większej gęstości i mniejszej degradacji czy nad komponentami sieci o obniżonych stratach wpisują się w szerszą strategię dojścia do neutralności węglowej.

Nowe materiały do modułów PV, magazynów energii i elementów sieci przesyłowej pomagają obniżać emisję CO₂ systemowo – od miejsca wytwarzania prądu aż po gniazdko u odbiorcy.

Jak badania wpływają na efektywność energetyczną?

Pojęcie Energy Efficiency stało się wspólnym mianownikiem wielu projektów realizowanych w instytucie. W fotowoltaice chodzi o lepsze wykorzystanie energii promieniowania słonecznego, mniejsze straty na przejściach międzywarstwowych i w wiązkach przewodzących, a także o ograniczenie strat termicznych. W magazynowaniu – o jak najmniejszy spadek pojemności i sprawności wraz z liczbą cykli oraz o redukcję strat własnych, które pojawiają się podczas przechowywania energii. W sieci przesyłowej – o ograniczenie nagrzewania się elementów, poprawę parametrów izolatorów i optymalizację pracy urządzeń wykonawczych. Wszystkie te aspekty łączy wspólna baza: dokładne rozpoznanie procesów fizycznych zachodzących w materiałach i na ich granicach.

Instytut angażuje się w prace, w których mierzy się nie tylko klasyczne parametry materiałowe, lecz także ich zachowanie w realistycznych warunkach użytkowania. Przykładowo, w ogniwach PV testuje się warstwy poddawane przyspieszonemu starzeniu pod wpływem światła i wilgoci. W bateriach analizuje się zmiany struktury elektrod po setkach cykli, a w komponentach sieci – wpływ długotrwałego obciążenia i przepięć. Taki sposób prowadzenia badań pozwala lepiej oceniać, jak te materiały zachowają się w prawdziwych instalacjach, a nie tylko w warunkach laboratoryjnych.

Jak wygląda współpraca międzynarodowa i projekty infrastrukturalne?

Instytut Fizyki Molekularnej PAN uczestniczy w wielu konsorcjach krajowych i zagranicznych, w których łączą się kompetencje z zakresu fizyki, chemii materiałów, inżynierii i energetyki. Współpraca z ośrodkami zagranicznymi – od uczelni technicznych po laboratoria narodowe – pozwala testować opracowane materiały w rzeczywistych urządzeniach: modułach PV montowanych w instalacjach polowych, prototypach magazynów energii czy elementach nowoczesnych stacji transformatorowych. Takie projekty dają też dostęp do dużych infrastruktur badawczych, jak synchrotrony czy źródła neutronów, gdzie można precyzyjnie badać strukturę materiałów pod obciążeniem.

W ramach projektów infrastrukturalnych rozwijane są także krajowe laboratoria referencyjne. Ich zadaniem jest nie tylko prowadzenie badań naukowych, lecz także opracowywanie metod pomiarowych i standardów, które potem mogą zostać wykorzystane przez przemysł. Przykładem mogą być procedury oceny trwałości materiałów dla fotowoltaiki, metody pomiaru strat dielektrycznych w izolacjach stosowanych w sieciach wysokiego napięcia czy protokoły testowania żywotności magazynów energii. Dzięki temu fizyka molekularna wychodzi poza mury instytutu i staje się narzędziem regulacyjnym oraz projektowym dla całej branży energetycznej.

Wspólne projekty z partnerami z Europy i świata sprawiają, że wyniki badań z Poznania trafiają do standardów testowania i projektowania nowoczesnych urządzeń energetycznych.

Jak instytut wpływa na kształcenie i rozwój kadry?

Historia instytutu to także historia wielu pokoleń badaczy, doktorantów i inżynierów, którzy później trafiają do przemysłu energetycznego, firm technologicznych czy innych jednostek naukowych. Dzięki współpracy z uczelniami w Poznaniu i poza nim studenci fizyki, inżynierii materiałowej czy elektroniki mogą realizować prace dyplomowe w laboratoriach instytutu, korzystając z zaawansowanej aparatury pomiarowej. W ten sposób uczą się nie tylko teorii, ale także pracy z realnym materiałem – jego przygotowaniem, charakteryzacją i analizą danych.

Ta wymiana kadry – od studentów przez doktorantów aż po doświadczonych specjalistów – wzmacnia pozycję Poznania na mapie badań nad materiałami dla energetyki odnawialnej i infrastruktury sieciowej. Projekty łączące fotowoltaikę, magazyny energii, modernizację sieci i cele związane z Carbon Neutrality zyskują dzięki temu zaplecze w postaci ludzi, którzy rozumieją procesy fizyczne w skali molekularnej i potrafią przełożyć je na parametry pracy całych instalacji. Dla polskiego systemu energetycznego to realny zysk w postaci lepiej zaprojektowanych urządzeń, mniejszych strat i większej niezawodności.