Projekti / Programi
01. januar 2004
- 31. december 2008
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.00 |
Tehnika |
Materiali |
|
| 1.02.00 |
Naravoslovje |
Fizika |
|
| 1.04.00 |
Naravoslovje |
Kemija |
|
| 1.08.00 |
Naravoslovje |
Varstvo okolja |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T150 |
Tehnološke vede |
Tehnologija materialov |
nanostrukturni materiali, funkcionalno gradientni materiali, elektronska keramika, magnetni materiali, heterostrukture, nanotehnologije, spintronika, koloidno procesiranje, shranjevanje vodika, kemija in fizika trdnega stanja, strukturne napake, rast zrn, anizotropija, koercitivnost, električne in magnetne lastnosti, elektronska mikroskopija, elektronska mikroanaliza, modeliranje ab initio
Raziskovalci (22)
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
90.753 |
Povzetek
Predlagani raziskovalni program vsebuje raziskave in razvoj modernih materialov, ki so uporabni v nanotehnologiji. Osnovan je na t.i. "bottom-up" pristopu in je usmerjen v krojenje materialov ter njihovih lastnosti z gradnjo iz elementov na atomarnem nivoju. Tehnološki potencial nanotehnologije izvira iz kompleksnosti materialov, ki je posledica njihove komplicirane kemijske strukture, zmanjšanih dimenzij (tanki filmi, nanožice) in onejenem številu gradnikov (nano klastri). Zato uspešen prehod na področje nanotehnologij zahteva povezavo v interdisciplinarne študije s področja znanosti o materialih, kemije in fizike.
Aktivnosti znotraj predlaganega programa obsegajo eksperimentale in teoretične usmerjene raziskave struktur, analizo kemijske sestave na atomarnem nivoju, meritve in izračune fizikalnih lastnosti ter pripravo nanostrukturnih materialov. Poudarek raziskav bo na t.i. nanostrukturnih elementih t.j. strukturnih in kemijskih elementih na nano nivoju z namenom karakterizacije meteriala - nanokristalitov, planarnih napak, amorfnih plasti, mejnih površin, segregatov,.. Glavni cilj programa je iskati povezavo med nanostrukturnimi elementi, strukturo materiala in posledično fizikalnimi lastnostmi le tega. Povdarek bo na naslednjih materialih: intermetalne zlitine redkih zemelj in elementov prehoda z aplikacijo v visokenergijskih trajnih magnetih in materialih za shranjevanje vodika, naravnih in sintetičnih mineralih (amorfni in nanokristalinični prahovi), keramičnih senzorjih, materialih za ekstremne pogoje, SiC, Si3N4, varistorjih (nano amorfne plasti v polikristalinični keramiki), magnetnih tankih filmih, kvazi kristalih, materialih za spintroniko, ZnO, perovskitih in funkiconalno gradientnih materialih. Končni cilj je doseči sposobnost kreiranja kovinskih in keramičnih materialov z odličnimi lastnostmi in sicer z izboljšanjem že obstoječih materialov in tehnologij ali pa z razvojem popolnoma novih materialov oziroma novih (nano)tehnologij.
Pomen za razvoj znanosti
Rezultati raziskovalnega programa so prispevali k osnovnim znanjem termodinamike in kinetike med nukleacijo in rastjo kristalov na atomarnem nivoju. Študij kristalnih defektov je omogočil dragoceno spoznavanje osnovnih principov v kristaliničnih materialih in prispeval k razumevanju problemov v znanosti o materialih. Nanokristali so zelo mnogostranski materiali; njihove fizikalno-kemijske lastnosti je mogoče usklajevati s kontroliranjem njihove oblike, velikosti in sestave. Organizirati jih je mogoče v kompleksne, kontrolirane geometrije na večjih površinah s t.i. samo-urejanjem (»bottom-up«), ki predstavljajo model za študij, po katerem delujejo kemijske in fizikalne interakcije med nanokristali. K študiju mehanizmov rasti nanokristalov in filmov smo prispevali z uporabo pulzne laserske depozicije (PLD) ter določali korelacije med procesnimi parametri in končnimi fizikalnimi lastnostmi. Z alternativnima kemijskima metodama, elektrolitsko depozicijo (ELD) in elektroforetsko depozicijo (EPD) pa smo krojili sestavo in lastnosti materialov. Poznavanje procesa že samo po sebi omogoča optimizacijo lastnosti in povečanje produkcije kovinskih, intermetalnih in keramičnih nanostruktur. K svetovni zakladnici znanja smo prispevali tudi s predlaganim mehanizmom nastanka anizotropije v nanokristaliničnih Nd-Fe-B prahovih, izdelanih po postopku HDDR (hidriranje-disproporcionacija-desorbcija-rekombinacija). Z vibracijskim magnetometrom, ki smo ga nadgradili, smo s študijem faze disproporcionacije v HDDR postopku in potekom nitriranja Sm-Fe zlitin in-situ prispevali k razumevanju teh procesov. Kot rezultat sistematičnega poglobljenega študija postopka elektrodepozicije smo sintetizirali tanke filme Co-Pt z najvišjo do sedaj znano koercitivnostjo v filmih, kjer ni izmenjalne sklopitve. Na področju magnetokaloričnih materialov smo prvi v svetu razložili različen vpliv dodatka Fe na zmanjšanje histereznih izgub Gd5Si2Ge2 zlitin z visokim magnetokaloričnim učinkom glede na to, ali se v strukturi zamenja Si ali Ge. V sistemu Ti-Zr-Ni pa smo odkrili novo spojino z visoko vsebnostjo ikozaedrične faze za shranjevanje vodika. Kot prvi smo na področju varistorske keramike pojasnili mehanizem rasti ZnO zrn, s katerim lahko v celoti kontroliramo razvoj mikrostrukture. Na atomarnem nivoju smo pokazali, da so inverzne meje (IB) v ZnO zrnih rastni defekti, ki jih uporabimo za nadziranje rasti kristalov. Pri študiju anizotropne in abnormalne rasti kristalov smo ugotovili, da je eden od glavnih razlogov za to formacija koherentnih 2D-nanofaznih plasti znotraj prizadetega kristala, znanih kot politipne napake ali posebne meje. Pokazali smo, da sta atomska struktura in kemizem 2D-nanofaznih plasti zelo tesno povezani z binarnimi spojinami, ki se nahajajo med glavno fazo in dodatki. Razvoj naprednih tehnik v visokoločljivostni elektronski mikroskopiji nam je omogočil kvantitativno interpretacijo strukturnih napak na atomarnem nivoju. Demonstrirali smo, da je mogoče določiti vezi in elektronska stanja posameznih atomov z uporabo EELS/ELNES. Taka analiza je izjemnega pomena pri karakterizaciji nanomaterialov in iskanju direktne povezave med strukturnimi napakami in lastnostmi vezi med atomi ter končnimi fizikalnimi lastnostmi ter tako pomembno prispeva k znanosti o materialih. Izdali smo znanstveno monografijo »Nahajališča mineralov v Sloveniji«, ki je rezultat multidisciplinarnih raziskav pri študiju procesov rasti kristalov. Knjiga bo služila kot eno temeljnih gradiv za univerzitetni študij in je dragocen vir podatkov za geologe, mineraloge, kemike in naravovarstvenike. Sinergija med eksperimentom in teorijo predstavlja obetavno pot h krojenju tehnološko pomembnih lastnosti obstoječih materialov in krojenju nekaterih izjemnih lastnosti popolnoma novih materialov. Pri odkrivanju novega znanja o materialih smo poleg izboljšave znanih računalniških metod razvili tudi nove pristope in metode.
Pomen za razvoj Slovenije
Od leta 2004 je programska skupina udeležena v evropskem fuzijskem programu in je dosegla zelo pomembne uspehe (sodelovala je tudi pri ustanovitvi Slovenske fuzijske asociacije). V času začetne konstrukcije eksperimentalnega reaktorja ITER smo aktivno udeleženi v enem od največjih svetovnih projektov (takoj za mednarodno vesoljsko postajo). Raziskave na področju SiC/SiC kompozitov za uporabo v fuzijskem reaktorju DEMO nas uvrščajo med redke skupine v svetu, ki se ukvarjajo s tovrstnimi materiali in so močno utrdile naš položaj v Evropskem Fuzijskem programu EURATOM. Produkt naših raziskav v okviru evropskega projekta Biograd (6.OP) je razvoj in izdelava nove vrste keramičnih glavic za kolčne sklepe. S funkcionalno gradientno sestavo t.j. bioaktivna in obrabno odporna površina in trdno jedro, obogateno s cirkonijevim oksidom, smo dosegli bistveno boljše lastnosti, kot so jih imele konvencionalne keramične glavice. Rezultati te raziskave so bili izbrani kot primer zelo uspešne evropske raziskave in so objavljeni na CORDIS-ovi marketinški strani. Neposredni pomen za gospodarstvo in družbo se kaže v dolgoletni sodelavi z industrijskimi partnerji, za katere smo razvijali materiale in tehnologije in sodelovali tudi pri prenosu v proizvodnjo. Več kot dvajsetletno sodelovanje s tovarno Magneti d.d., Ljubljana se je nadaljevalo tudi v preteklem programskem obdobju. Kot končni produkt projekta NATO SfP smo v proizvodnjo vpeljali novo tehnologijo izdelave plastomagnetov z injekcijskim brizganjem. V okviru centra odličnosti “Materiali za elektroniko naslednje generacije ter drugih prihajajočih tehnologij” smo razvili najmodernejše visokoenergijske magnete za visoko temperaturno uporabo in v okviru mreže odličnosti »Complex Metallic Alloys« tehnologijo izdelave zlitin za materiale za shranjevanje vodika. Kot nadaljevanje uspešnih raziskav v laboratoriju smo konstruirali in izdelali pilotno napravo za tretiranje trde vode, ki deluje na fizikalnem principu. Delovanje omogoča konstrukcija trajnih magnetov z jakostjo polja 600 mT. Količina oborjenih delcev kalcijevega karbonata v kristalni obliki kalcita, ki tvori trdne kalcitne obloge in s tem zmanjšuje prenos toplote, je med 18 in 21 ut. % (v netretirani vodi je kalcita ~ 80 %). Preostanek je vaterit, ki je bistveno bolj topen kot kalcit ali celo aragonit; se ne aglomerira in se odplavlja s površin, izpostavljenih trdi vodi ter je nastanek oblog drastično zmanjšan. Rezultat kombinacije osnovnih in aplikativnih raziskav je ekološko neoporečna alternativna metoda kemijski, ki smo jo uspešno implementirali v hladilni sistem Termoelektrarne-Toplarne Ljubljana ter jo bo mogoče uporabiti tudi v drugi industriji povsod tam, kjer so potrebni sistemi s hladilno vodo. Skozi dolgo obdobje ima skupina tesno sodelavo s tovarno varistorjev Varsi, ki proizvaja različne tipe varistorjev z lastnostmi, ki jih zahteva trg in ki so bili razviti v skupnem razvoju raziskovalcev programske skupine in razvijalcev v tovarni. Razvoj varistorjev je tesno povezan tudi s proizvajalci zaščitnih naprav, kot sta Iskra Zaščite in ETI Izlake zato je njihov razvoj povezan tudi z zahtevami teh proizvajalcev in nastopamo skupaj tako v evropskih kot tudi domačih vojaških projektih. Nacionalni raziskovalni program “Nanostrukturni materiali” s posredovanjem najnovejših dognanj s tega področja znanosti vključuje v svoje aktivnosti tudi izobraževanje in usposabljanje mladih raziskovalcev in tako aktivno prispeva k širjenju stroke na področju naravoslovnih ved ter z širjenjem inženirske prakse pripeva k tehnološkemu znanju slovenske družbe. Kontinuiteta in neposredni pomen programa v izobraževanju je razvidna iz podatka, da je od leta 1998 v okviru programa zaključilo izobraževanje deset mladih raziskovalcev, od katerih je bila dvema podeljena Humboldt-ova štipendija (Matej Komelj, Nina Daneu) in eni mladi raziskovalki (Nina Daneu) Zlati znak »Jožefa Stefana« za najodmevnejši doktorat.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
