Projekti / Programi
Nanostrukturne raziskave difuzijsko kontroliranih procesov med topotaksialnimi faznimi transformacijami v mineralih tipa rutil-korund
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.06.00 |
Naravoslovje |
Geologija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P420 |
Naravoslovno-matematične vede |
Petrologija, mineralogija, geokemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.05 |
Naravoslovne vede |
Zemlja in okolje |
orientirana rekristalizacija, difuzija v trdnem, Fe-Ti oksidi, petrologija, aplikativna mineralogija
Raziskovalci (14)
Organizacije (3)
Povzetek
Orientirana preraščanja mineralov se pojavljajo v vseh vrstah kamnin in vsebujejo pomembne indikacije o preteklih petrogenetskih procesih. Nastanejo med strukturno sorodnimi minerali (npr. rutilna-korundna struktura) kot rezultat topotaksialnih faznih transformacij (TFT) ali z epitaksialno rastjo na gostiteljski fazi. TFT so reakcije v trdnem, pri katerih pride do orientiranega izločanja sekundarne faze znotraj gostiteljskega kristala in posledično do nastanka 3D orientiranih preraščanj. Kombinacija geokemijskih in geofizikalnih sprememb sproži difuzijske procese v kristalu do vzpostavitve novega ravnotežnostnega stanja. Procesi se začnejo na atomarnem nivoju, vsled česar nanostrukturni pojavi kot so precipitati in fazne meje vsebujejo ključne strukturne in kemijske markerje, ki beležijo te procese.
Preraščanja, ki nastanejo s TFT so še posebno pogosta v skupni Fe-Ti oksidov, ki so izjemno aktualna skupina mineralov z vidika raziskav faznih transformacij v ultramafičnih magmatskih in metamorfnih kamninah v odvisnosti od fugativnosti kisika. Na podlagi naših predhodnih nanostrukturnih raziskav faznih mej, ki nastanejo tekom kompleksnih TFT pri rekristalizaciji hemo-ilmenita v bolj stabilne produkte smo ugotovili, da so TFT izjemno občutljive na temperaturo in vsebnost kisika. Pri različnih pogojih se med produkti TFT (npr. rutil/hematit) razvijejo različne orientacijske zveze ter različne kontaktne površine med fazami, kar lahko uporabimo za določitev pogojev rekristalizacije. V okviru predlaganega projekta bomo raziskovali mehanizme TFT na atomarnem nivoju, ki so slabo raziskani in pod različnimi pogoji vodijo v kristalografsko različna preraščanja.
Raziskave bomo izvajali na preraščanjih rutila s strukturno sorodnimi minerali, pretežno korundnega strukturnega tipa. Na voljo imamo obsežno zbirko vzorcev z različnim geološkim poreklom, ki vsebujejo kristale rutila premrežene po različnih kristalografskih zakonih in v kombinaciji z različnimi prekurzorskimi minerali. Raziskave bo usmerjene v potrditev naše raziskovalne hipoteze, da se pod različnimi geokemijskimi in geofizikalnimi pogoji razvijejo kristalografsko različna preraščanja. Poleg naravnih vzorcev bomo z rekristalizacijo različnih prekurzorskih mineralov študirali mehanizme TFT pod kontroliranimi laboratorijskimi pogoji. Rezultati bodo pomemben prispevek k razumevanju nastanka različnim vrst preraščanj med rekristalizacijo iz različnih prekurzorskih mineralov in poglobljenemu razumevanje procesov med petrogenezo različnih kamnin. Za karakterizacijo vzorcev in bomo uporabili napredne metode elektronske mikroskopije, ki z analizo na atomarnem nivoju omogočajo rekonstrukcijo procesov med orientirano rekristalizacijo. Tretji sklop raziskav v okviru projekta bo namenjen sintezi funkcionalnih materialov po principu TFT.
Glavni cilji projekta so: (1) Poglobljeno razumevanje procesov, ki vodijo v nastanek preraščanj rutila s strukturno sorodnimi minerali na atomarnem nivoju, (2) Interpretacija difuzijskih procesov znotraj različnih gostiteljskih kristalov med TFT v odvisnosti od pogojev rekristalizacije in (3) Implementacija mehanizmov TFT za kontrolirano izdelavo premreženih struktur za različne nanotehnološke potencialne aplikacije na področju energije in okolja. V projektu je vključena multidisciplinarna skupina strokovnjakov s področij kemije, mineralogije, petrologije in fizike s širokim znanjem elektronske mikroskopije, termodinamike in kristalografije za uspešno realizacijo zastavljenih raziskovalnih ciljev.
Pomen za razvoj znanosti
Raziskave dvojčenja, epitaksij in faznih transformacij v mineralih, ki jih naša raziskovalna skupina izvaja že vrsto let, predstavljajo enega temeljnih znanstvenih izzivov na področju študija kamninotvornih mehanizmov. Rezultati raziskav bodo predstavljali pomemben prispevek k razumevanju ključnih procesov pri izgradnji kamnin. Temelje za nanostrukturne raziskave s področja mineralogije v povezavi z znanostjo o materialih smo začrtali že tekom prejšnjih dveh raziskovalnih projektov, J1-4167 in J1-6742. Naš pristop k reševanju temeljnih izzivov s področja mineralogije je edinstven in kot takšen predstavlja novo raziskovalno smer. Tako doma kot tudi v tujini v raziskave postopoma vključujemo vse več raziskovalcev, s katerimi sistematično delamo na vedno novih sistemih ter tako gradimo trdne temelje za to, tudi v svetovnem merilu, novo področje raziskav, v okviru katerega rešujemo zahtevna temeljna vprašanja ne samo na področju petrologije, ampak tudi s področij kemije trdnega stanja in materialov. Rezultati naših raziskav predstavljajo pomemben prispevek k termodinamiki in kinetiki procesov, ki potekajo med rastjo kristalov in prispevajo k razumevanju gradnje trdnih snovi na atomarnem nivoju.
Topotaksialne fazne transformacije (TFT), ki jih bomo obravnavali v projektu so izjemnega pomena za razumevanje difuzijskih procesov in reakcij v mineralih, ki so ključne za interpretacijo nastanka in preoblikovanja magmatskih in metamorfnih kamnin. Procesi, ki jih zasledujemo so kompleksno zaporedje rekristalizacijskih dogodkov, ki nam vsak kaže na določeno spremembo v kemiji fluidov ter odhodu iz trenutnega ravnotežnega stanja. V okviru naših raziskav na izbranih modelnih sistemih bomo pričakujemo izvirne rezultate, ki so povezani predvsem z razumevanjem difuzijskih mehanizmov na atomarnem nivoju med orientirano rekristalizacijo rutila na različnih prekurzorjih. Rezultati bodo imeli pomembne implikacije v mineralogiji in petrologiji, sinteza 2D in 3D teksturiranih materialov za različne aplikacije pa predstavlja inovativen pristop v znanosti o materialih. Ti dosežki naše raziskovalne skupine ne bi bili mogoči brez uporabe mikroskopskih metod za nanostrukturno karakterizacijo. Tudi v okviru predlaganega projekta bomo za analize vzorcev uporabili najnaprednejše metode analitske mikroskopije na atomarnem nivoju. Znanje, ki ga bomo pridobili v okviru projekta bo neposredno uporabno za razvoj sodobnih materialov.
Slovensko znanje, ki bo izhajalo iz predlaganega projekta bomo promovirali skozi znanstvene publikacije, predavanja na konferencah in univerzah ter mednarodne izmenjave raziskovalcev. Dokaz za visoko kakovost našega dela so številne objave v svetovno priznanih revijah s področja mineralogije in materialov, vabljena predavanja na mednarodnih znanstvenih konferencah, ter v zadnjem obdobju, tudi vabila za sodelovanje na priznanih tujih univerzah in institucijah.
Pomen za razvoj Slovenije
Investigations of twinning, epitaxies and phase transformations in minerals that our research group has been conducting for many years, represent one of the fundamental scientific challenges in study of rock-forming mechanisms. The results of proposed research will be an important contribution to the understanding of key processes in the construction of rocks. The foundations for nanostructural investigations of phase transformations in minerals and their relation to materials science were outlined during our previous two research projects, J1-4167 and J1-6742. Our approach in solving fundamental challenges in the field of mineralogy is innovative and, as such, represents a new research direction. We involve more and more researchers from Slovenia and abroad, with whom we systematically extend our knowledge to new systems, thus building solid foundations for this new field of research on a global scale. We solve difficult fundamental questions, not only in the area of petrology, but also from the fields of solid state chemistry and materials. The results of our research represent an important contribution to thermodynamics and kinetics of processes that take place during the growth of crystals and contribute to our in–depth understanding of basic building principles in crystalline solids at the atomic scale.
Topotaxial phase transformations, which will be central to this project, are of key importance for understanding diffusion processes and reactions in minerals, crucial for correct interpretation of the formation and transformation of magmatic and metamorphic rocks. The studied phenomena are a result of a complex sequence of events, each pointing to a specific change in the chemistry of fluids and the departure from the current equilibrium state. In our studies of selected model systems, we expect fundamental insights related to better understanding of processes involved in oriented recrystallization of rutile on various precursors at the atomic scale. The results will have important implications in mineralogy and petrology, and represent and innovative approach to synthesis of textured functional materials. Our achievements would not be possible without the use of novel microscopy methods. Within the proposed project, advanced methods of analytical microscopy at the atomic level will be used, while the knowledge that will be gained through the project will be applicable to development of modern materials.
All new knowledge, that will emerge from the proposed project, will be promoted through scientific publications, lectures at conferences and universities, and international exchange of researchers. The proof of the high quality of our work are numerous publications in scientific journals in field of mineralogy and materials science, invited lectures at international scientific conferences, and in the recent period, also invitations for participation in mineralogy related research projects from renowned foreign universities and research institutions.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo
