Projekti / Programi
Karakterizacija fraktalnih struktur in povečevalni kriteriji njihove sinteze
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.02.00 |
Tehnika |
Kemijsko inženirstvo |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T350 |
Tehnološke vede |
Kemijska tehnologija in inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.04 |
Tehniške in tehnološke vede |
Kemijsko inženirstvo |
kristalni dvojčni, večgeneracijski dvojčki, fraktalne strukture, hidrodinamika s CFD, adsorpcija in ločba bioloških makromolekul
Raziskovalci (12)
Organizacije (3)
Povzetek
Na mnogih področjih znanosti in tehnike, kot je npr. kataliza, separacijski procesi, senzorika, imobilizirani bioreaktorji, itd., želimo imeti materiale z zelo visoko specifično površino, visoko poroznostjo in ustrezno strukturo lahko dostopnih por. Idealna struktura takega materiala bi bila popolnoma geometrijsko definirana že na nanonivoju in bi jo lahko prilagajali specifični aplikaciji. Če se učimo iz narave, lahko ugotovimo, da obstajajo strukture, ki izpolnjujejo željene pogoje in so pravzaprav dokaj pogoste. Gre za dvojčičenje kristalov. V splošnem lahko definiramo dvojčičenje kristalov kot geometrijsko operacijo, pri kateri se dva ali več kristalov stikata oziroma preraščata po točno določenem, ponovljivem pravilu. Ker so pravila dvojčičenja definirana s kristalno rešetko samega minerala, lahko take strukture nastopajo v nanometerskih, mikrometerskih pa tudi makrometerskih dimenzijah. V primeru nastopanja dvojčičenja v več generacijah, nastanejo samopodobne strukture preko različnih velikostnih redov. Gre torej za naravne fraktalne strukture s popolno geometrijsko definiranostjo glede na zakone dvojčičenja. Vendar pa so znanstveniki šele pred kratkim uspeli sintetizirati dvojčke več generacij in s tem fraktalne strukture v laboratoriju. Prav zmožnost priprave tovrstnih fraktalnih struktur pa osmišlja natančno karakterizacijo njihovih lastnosti, saj se s tem odpirajo možnosti njihove uporabe na različnih področjih.
Tekom projekta bomo tako združili znanja iz različnih področij s ciljem določitve in sinteze optimalne strukture dvojčičnih kristalov tvorjenih v več generacijah - krajše kristalnih fraktalnih struktur (KFS), za specifično aplikacijo. Na osnovi poznavanja atomske strukture posameznega minerala bomo določili možne tipe kontaktnih dvojčkov ter pogostost njihovega pojavljanja. Najpogostejšim bomo določili morfološke lastnosti KFS s pomočjo fraktalnega opisa in v sodelovanju z avstrijskim partnerjem, s pomočjo računalniške simulacije gibanja toka tekočine (CFD) skozi KFS, določili hidrodinamske lastnosti. Vzporedno bo potekala sinteza KFS v večjem merilu kar bo omogočilo primerjavo teoretičnih lastnosti z eksperimentalnimi rezultati. V primerih, ko bo to potrebno, bomo KFS tudi funkcionalizirali in s tem spremeniti njihove površinske lastnosti, kar bo omogočilo testirati vezavo in ločbo različno velikih bioloških molekul. Celoten postopek bomo izvajali na več različnih mineralih, kar bo omogočilo postavitev splošne metodologije načrtovanje in priprav tovrstnih struktur za različne aplikacije.
Pomen za razvoj znanosti
Rezultati raziskav bodo odprli popolnoma nove koncepte načrtovanja različnih vrst katalizatorjev, nosilcev za rast celic, imobilizacijo encimov pa tudi separacijskih medijev. Koncept fraktalnih struktur na osnovi dvojčičenja dosedaj še ni bil opisan in gre za popolnoma nov in izviren pristop. Raznolikosti možnih geometrij, v katerih lahko tako pripravljene strukture nastopajo, omogoča praktično neomejeno možnost načrtovanja in prilagajanja specifičnim aplikacijam, kar daje izjemno fleksibilnost in široko uporabo omenjenemu pristopu. Teoretični koncept določanja optimalnih geometrij, ki jih bomo razvili tekom projekta, so prav tako izvirni, saj združujejo simetrijske operacije s katerimi kreiramo predlagane strukture temelječe na strukturi kristalne rešetke in morfologije kristalov, s hidrodinamiko, omogoča napoved njihovih lastnosti v pretočnih sistemih in specifičnih aplikacijah in-siliko.
Pomen za razvoj Slovenije
Outcomes of proposed projects will provide novel concepts in design of catalysts, cell scaffolds, immobilized enzyme bioreactors and separation media. Concept of fractal structure formation based on twinning law was so far not explored, therefore proposed topic is novel and original. Variability of possible geometries enable almost unlimited combinations in design and optimization for particular application, making proposed approach attractive in many areas of technology and research. Proposed theoretical concepts for derivation of optimal fractal structure geometry are also novel, as they combine symmetry operations on the crystals deriving from crystal structure lattice and morphology with hydrodynamics of formed structures. As such, one would be able to predict performance of fractal structures in particular flow-through applications in-silico.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo
