Projekti / Programi
Sodobni magnetni in večnamenski materiali
01. januar 2020
- 31. december 2027
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.00 |
Tehnika |
Materiali |
|
| 1.04.00 |
Naravoslovje |
Kemija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T153 |
Tehnološke vede |
Keramični materiali in praški |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
| 1.04 |
Naravoslovne vede |
Kemija |
Sinteza materialov, nanodelci, funkconalizacija površine, nanokompoziti, kompozitni nanodelci, Janusovi nanodelci, kompleksni nanomateriali, samourejanje in usmerjeno urejanje, magnetni, večnamenski, biomedicinske uporabe, magneto mehanska terapija, magnetno posredovana kataliza, hibridni materiali.
Podatki za zadnjih 5 let (citati za zadnjih 10 let) na dan
07. maj 2024;
A3 za obdobje
2018-2022
| Baza |
Povezani zapisi |
Citati |
Čisti citati |
Povprečje čistih citatov |
| WoS |
437 |
9.818 |
8.434 |
19,3 |
| Scopus |
442 |
10.699 |
9.266 |
20,96 |
Raziskovalci (15)
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
90.812 |
Povzetek
Raziskovalni program je v letih obstoja sledil logičnemu prehodu od raziskav keramike k sintezi in funkcionalizaciji nanodelcev (ND) in urejanju ND v nove kompleksne nanomateriale. Nadaljevali bomo s kontrolirano sintezo novih nanomaterialov, še posebej oksidnih materialov, katerih lastnosti izvirajo iz specifične strukturiranosti v nano nivoju. V ospredju raziskav bodo magnetni materiali in njihove kombinacije z drugimi materiali, ki skupaj sestavljajo večnamenski nanokompozit. Poseben poudarek bo namenjen sintezi kompozitnih nanodelcev na raznih faznih mejah, kjer bomo uravnavali urejanje ND v enosloju na fazni meji med dvema tekočinama, pri čemer bo kemijska reakcija potekala zgolj v eni izmed tekočin. Predvidene reakcije bodo vključevale funkcionalizacijo površin, nanašanje plasti ali vezavo drugih ND. Tak pristop bo omogočal pripravo Janusovih (nano)delcev, saj bo izkzoval tak ND dve različne fizikalne lastnosti na različnih površinah. Načrtovan razvoj Janusovih ND izkazuje velik potencial za nove preboje v znanosti in sicer na področju večnamenskih nanohibridov, kjer so fizikalno-kemijske lastnosti odvisne od orientacije ND. Primeri so magnetna (in električna) optična stikala, kemijski reaktorji in senzorji, brezstični modulatorji signalov, brezkontaktne črpalke v mikrofluidiki in podobno. Razvijali bomo nove makroskopske kompozite, ki bodo pripravljeni z magnetnim urejanjem ND v periodične strukture znotraj transparentnih polimerov po zamreženju monomera. Hitro polimerizacijo kompozita po celotnem volumnu bomo dosegli z razvojem nove metod, ki bo temeljila na segrevanju magnetnih ND v izmeničnem magnetnem polju.
Vzporedno z razvojem sintez novih materialov bomo razvijali znanje, ki je potrebno pri njihovi uporabi. Nov koncept pretvorbe magnetne energije v mehansko bomo razširili iz obstoječih raziskav zdravljenja raka na neurodegenerativne (NB) in kardiovaskularne bolezni (KB). Z magnetno mehanskim pristopom, ki temelji na aktiviranju anizotropnih magnetnih ND, bomo skušali razgrajevati agregate proteinov, ki jih povezujejo s številnimi NB. Anizotropne ND bomo razvijali v smer dostavnih sistemov za učinkovine, ki bodo razgrajevale krvne strdke, pri čemer se bomo strdek istočasno pomagali razbiti s pomočjo magnetno mehanske aktivacije. V okviru tehnoloških aplikacij bomo razvijali magnetno posredovano katalizo. Nova metoda bo omogočala selektivno gretje katalizatorja z uporabo AC magnetnega polja. To omogoča napredek, predvsem pri večji selektivnosti katalitskega procesa ki vključuje termolabilne produkte. Aspekt trajnosti in smotrne uporabe energije lahko zasledujemo z izkoriščanjem vrhov v proizvodnji električne energije, ki jih uporabimo za sintezo kemikalij (Power2Chemicals). Razvijali bomo magnetno izločljive se katalizatorje na osnovi frustriranih Lewis parov na prevlekah AlF3, predvsem v pri procesih valorizacije lesne biomase.
Pomen za razvoj znanosti
Dostopnost do ustreznih materialov je pogosto glavna ovira pri razvoju novega področja znanosti in tehnologije. Znanstvena načela, ki narekujejo razvoj na določenem področju znanosti, so pogosto dobro znana, vendar pa je razvoj pogosto omejen s pomanjkanjem primernih sinteznih metod za pripravo ustreznega materiala. V takih razmerah lahko znanje, ki omogoča sintezo ustreznega materiala, olajša razcvet raziskav in novih izdelkov. Dober primer so feromagnetni tekoči kristali, katerih obstoj sta napovedala že Brochard in de Gennes pred več kot štirimi desetletji, vendar je šele naš razvoj sinteze magnetnih nanoploščic barijevega heksaferita omogočil prvi eksperimentalni dokaz (Nature 2013). Morda še pomembneje, odkritje je privedlo do nadaljnjih raziskav in novih spoznanj v fiziki in tehnologiji (naša skupina je sodelovali pri objavah 10 člankov na temo lastnosti in uporabe feromagnetnih tekočin). Nadaljnje raziskave so privedle do razvoja feromagnetnih ferofluidov na osnovi koncentriranih suspenzij nanoploščic v izotropnih nosilnih tekočinah (Nature Comm. 2016), ki bodo nadalje razširile začete raziskave na feromagnetnih tekočinah.
Program je usmerjen v sintezo novih, kompleksnih nanomaterialov, ki imajo izjemen potencial za nove preboje v znanosti, kar pa nadalje vodi k novim tehnologijam. Pomemben napredek pričakujemo raziskavah reakcij na faznih mejah. To bo privedlo do razvoja znanj o sintezi magnetnih Janusovih nanoploščic, ki bodo izkazovale različne fizikalne lastnosti v odvisnosti od orientacije ploščice. Taki materiali so pomembni kot temelj za razvoj novih naprav in senzorjev, npr. brezkontaktnih ventilov in črpalk, mikromotorjev, magnetometrov in senzorjev (na primer, rotacijskih senzorjev, senzorjev električnega polja, senzorjev sile), ki so miniaturni, vse-optični in omogočajo brezkontaktni prenos signala pri gibljivih delih robotov in v biomedicinskih naprav. Vse to je potrebno za našo prihodnjo avtonomno industrijo in promet, pametne hiše in mesta in posledično za višjo kakovost življenja. Med materiali z izjemnim potencialom za znanstvene preboje na omenjenih področjih moramo omeniti tudi kompozite s periodično strukturiranimi nanodelci znotraj prozornih polimernih matric. Take nanokompozite pripravljamo z magnetno usmerjenim urejanjem nanodelcev v suspenzijah monomera, ki predstavljajo magnetno vodljive fotonske kristale.
Na nekaterih področjih naših raziskav poteka razvoj materialov vzporedno z razvojem novih konceptov njegove uporabe. Naš novi koncept magneto-mehanskega zdravljenja raka bomo razširili še na zdravljenje nevrodegenerativnih bolezni in bolezni srca in ožilja. Na področju ohranjanja trajnosti okolja, »zelene« kemije in biotehnologije razvijamo nov pristop v katalizi, t.i., magnetno-posredovano katalizo, ki temelji na selektivnem segrevanju katalizatorja z izmeničnim magnetnim poljem. Segrevanje s poljem je prav tako ključno za naše nove pristope neposredne pretvorbe električne energije za sintezo kemikalij (Power-to-Chemicals) in materialov (Power-to-Materials). Omenjeni novi pristopi uporabe magnetnih nanomaterialov bodo sprožili nadaljnje interdisciplinarne raziskave preko celotne inovacijske verige od materialov do njihove končne uporabe.
Pomen za razvoj Slovenije
Glavnina naših raziskav je usmerjena v ustvarjanje temeljev za nadaljnji razvoj novih izdelkov, tehnologij in storitev. V ospredju raziskav v okviru programa je generiranje znanja, ki omogoča kontrolirano sintezo novih materialov in znanja, ki omogoča njihovo uporabo v medicini in različnih tehnologijah. Osnova je razvoj sinteznih metod, ki so preproste in ne zahtevajo drage opreme, to pa omogoča hiter prenos v množično proizvodnjo. Naše raziskave so tako vse bolj pomembne za slovensko industrijo. V zadnjem času smo bili vpeti predvsem v raziskave sinteze in končne karakterizacije nebioloških kompleksnih zdravil na osnovi nanodelcev v neposrednem financiranju tovarne Lek. Del naših raziskav je posvečen tudi uporom s pozitivnim temperaturnim koeficientom upornosti (PTCR), kjer tradicionalno sodelujemo s podjetjem Stelem.
Pred kratkim smo še dodatno okrepili prenos rezultatov naših raziskav v praktično uporabo, saj smo ustanovili dve odcepljeni podjetji. Nanos Scientificae d.o.o. razvija in trži materiale na osnovi magnetnih nanodelcev, ki se uporabljajo v nadaljnjih biomedicinskih raziskavah in fotoniki. InoVine d.o.o. razvija novo tehnologijo, ki temelji na našem izumu nove metode za proizvodnjo penečih vin s hitro magnetno separacijo. Podjetje zaposluje raziskovalce in s tem prispevamo k odpiranju novih delovnih mest.
Raziskovalni program prispeva k visokošolskemu izobraževanju s štirimi habilitiranimi profesorji, ki so tudi mentorji študentom. Člani programa so vključeni v pedagoški proces (na podiplomski in podiplomski ravni) na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Mariboru, Medicinski fakulteti Univerze v Mariboru, na Mednarodni podiplomski šoli Jožefa Stefana in na Fakulteti za farmacijo Univerze v Ljubljani. Člani programa prispevamo tudi k srednješolskemu izobraževanju z mentoriranjem učencev v srednjih šolah v njihovih raziskovalnih projektih, kot je primer program SKOZ. Naši bivši doktorandi so delali/delajo na priznanih znanstvenih inštitucijah v svetu, na primer ETH Zurich, EPFL Luzana, Imperial College London (ZK), University of California, Berkeley (ZDA), etc.
Naše raziskave prispevajo tudi k razvoju medicine predvsem s prenosom našega znanja o nanodelcih in z razvojem novih materialov, ki se bodo uporabljali v medicini, npr. zdravil. Postavili smo tudi osnovo za nov pristop k zdravljenju raka, ki temelji na magnetno-mehanskem aktiviranju anizotropnih magnetnih nanodelcev. S svojim strokovnim znanjem o nanodelcih sodelujemo tudi v raziskavah na področju nanotoksikologije, ki predstavlja pomemben vidik proizvodnje inženirskih nanodelcev. Prispevali smo k objavi več kot 20 člankov s področja nanotoksikologije (predvsem v sodelovanju z Biotehniško fakulteto Univerze v Ljubljani). K ekologiji smo prispevali tudi z razvojem novih materialov za čiščenje vode, npr. magnetno-izločljivih (foto)katalizatorjev in adsorbentov težkih kovin, ter z razvojem katalizatorjev za proizvodnjo zelenih kemikalij, npr. pri valorizaciji lesne biomase.
Prispevali smo celo k razvoju umetnosti. Z Likovno akademijo Univerze v Ljubljani smo sodelovali pri razvoju novih umetniških tehnik, ki temeljijo na manipulaciji z suspenzijo magnetnih nanodelcev.
S široko mrežo raziskovalnega sodelovanja po vsem svetu smo prispevali tudi k dostopu do tujega znanja.
