Projekti / Programi
Mikro- in nanostrukturirani funkcionalni materiali: razvoj, fizikalno-kemijska karakterizacija in stimulacije procesov
01. januar 2004
- 31. december 2008
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.04.00 |
Naravoslovje |
Kemija |
|
| 2.04.00 |
Tehnika |
Materiali |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T152 |
Tehnološke vede |
Kompozitni materiali |
nanokompoziti, nanostrukture, shranjevanje energije, implantibilni materiali, kontrolirano sproščanje učinkovin, degradacija materiala, modeliranje strukture in reaktivnosti, elektronska stanja, fotodisociacija, katalitični procesi, lastnosti površin, znanost o površinah
Raziskovalci (22)
Organizacije (2)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
20.957 |
| 2. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
90.682 |
Povzetek
Predlagani program se osredotoča na interdisciplinarni študij nanostruktur, ki imajo nenavadne fizikalno-kemijske lastnosti in so uporabne za pripravo naslednje generacije materialov za energetski sektor, farmacijo, medicino in ekologijo.
Manjšanje velikosti delcev, ki sestavljajo zrnat material, in organizacija teh delcev na mezoskopskem nivoju vodi do nenavadnih in včasih zelo uporabnih fizikalno kemijskih lastnosti takih materialov. Pri tem ne gre samo za trivialne (geometrijske) efekte, kot sta povečanje skupne površine delcev ali skrajšanje transportnih poti pri kemijskih ali elektrokemijskih reakcijah v trdnih delcih. Ko delci postanejo dovolj majhni, pride do prepletanja pojavov, ki sicer sodijo na področje znanosti o materialih, kemije klastrov ter fizike nizkih dimezij. Nazoren primer je sprememba elektronske strukture snovi, ki se pojavi pri delcih, tipično manjših od 100 nm. Na še nižjih skalah (pod 10 nm) pričakujemo tudi spremembo ionskih lastnosti, reaktivnosti, in končno kemijske vezi (sprememba mehanskih lastnosti, temperature tališča). Prvi problem, ki ga bomo študirali v programu sodi na področje
NETRIVIALNIH EFEKTOV POSAMEZNIH DELCEV.
Opisanih je bilo že precejšnje število netrivialnih efektov, poleg zgoraj omenjenih tudi elektrokemijska aktivacija sicer neaktivnih materialov (na primer mešanice prahov Co plus Li2O). Ob množici teh pojavov se postavlja vprašanje, odkod njihova raznoterost oziroma, še pomembneje - ali imajo omenjeni pojavi morebitne skupne mehanizme. Prvi cilj programa je torej poiskati splošne zakonitosti (termodinamika, elektrokemijska kinetika), ki bi omogočale vsaj klasifikacijo efektov zaradi zmanjševanja velikosti delcev, potem pa tudi razumevanje izbranih efektov (kvantno-kemijske simulacije). Pri tem bomo nanodelce obravnavali kot samostojne delce oziroma kvečjemu kot posamezne delce v stiku s substratom. Praktični primeri študija bodo: heterogena kataliza, kontrolirano sproščanje zdravilnih učinkovin, biokompatibilnost, interakcija delcev s celicami ipd.
Naslednji mejnik v izvajanju programa predstavlja problem:
KAJ SE ZGODI, ČE NADODELCE POVEŽEMO TAKO, DA LAKO KOMUNICIRAJO MED SABO IN OKOLICO KAKO TAK MATERIAL SPLOH PRIPRAVITI PO TOP-DOWN METODI
Oglejmo si najpreprostejši primer povezave delcev, to je paralelno ožičenje, ki omogoča prenos elektro-kemijskih signalov. Na tem principu temeljijo vsi funkcionalni materiali (z izjemo monolitnih) v napravah za shranjevanje oziroma konverzijo električne energije, v širšem smislu to velja celo za oskrbo celic v živem organizmu. Priprava materialov z ožičenimi nanodelci s top-down tehnikami je šele v povojih, mehanizmi pa popolnoma nejasni. Nekateri preliminarni rezultati nedvomno dokazujejo, da gre za materiale z zelo izboljšanimi lastnostmi.
Najtežje, a hkrati dolgoročno najbolj relevantno, pa je vprašanje:
ALI JE MOŽNO S "TOP-DOWN" PRISTOPOM PRIPRAVITI NANOSTRUKTURIRAN MATERIAL, KI BO OMOGOČAL ADRESIRANJE POSAMEZNIH NANODELCEV
V takem materialu lahko energijo shranjujemo v izbranih delcih materiala - tako deluje umetni spomin. Doslej je človeku umetni spomin uspelo narediti le z "bottom-up" pristopom (polprevodniška tehnologija). Rezultat "top-down" pristopa poznamo le v naravi (spomin v živih organizmih). Za zdaj še ne razumemo povsem konceptov adresiranja v takih sistemih.
Pomen za razvoj znanosti
V raziskovalnem programu smo uspeli narediti nekaj pomembnih znanstvenih prebojev: 1. Izumili smo tri nove baterijske materiale (mangan silikati, mangan titanati in železo titanati). 2. Izumili smo dva nova postopka za povečanje moči baterijskih elektrod: ožičenje aktivnih delcev s sajami ter oplaščenje aktivnih delcev z nanometrskimi ogljikovimi filmi. 3. Pojasnili smo 3 mehanizme pri transportu mase in naboja v kompozitnih elektrodah (vpliv velikosti delcev, vpliv medfaznih kontaktov, vpliv poroznosti). 4. Odkrili smo dva nova zakona (zakon konstantnega naboja pri prehodu iz linearnega v nelinearen režim delovanja LiFePO4 katode, kvadratni zakon, ki povezuje upor elektrode in velikost aktivnih nanodelcev). 5. Identificirali smo nov način shranjevanja naboja na faznih mejah v nanokristaliničnih trdnih snoveh (interfacial storage) Komentar: zgornja odkritja so vodila v veliko mednarodno prepoznavnost programske skupine na področju baterij (v zadnjih dveh letih skupina dosega citiranost 200-300 citatov letno). Preboji na področjih raziskav površisnkih fenmenov: 6. Pojasnili smo naravo elektronskih prehodov in razložili fotodisociacijo. XNO2 in XONO (X=Cl,Br) 7. Pojasnili smo prisotnost nizkih vsebnosti CH3ONO2 v nižjih plasteh atmosfere. 8. Podrobno smo preučili geometrijo, položaj in naravo kemijske vezi N2O na monokristalnih površinah Pd in Rh. 9. Razložili smo mehanizem razpada N2O na površinah. 10. Razložili mehanizem epoksidacije etilena na površini Ag. 11. Razložili smo mehanizme korozijskega delovanja v zlitinah za tehnološke in biomedicinske aplikacije. Pri tehnoloških zlitinah je bil poudarek na zlitinah na osnovi bakra, aluminija in železa. Pri biomedicinskih zlitinah na osnovi kobalta, titana ter nerjavnega jekla. Preboji na področju materialov za zdravje: 12. V sodelovanju s farmacevtskima firmama Lek in Krka smo izumili več postopkov priprave kompozitnih materialov, s katerimi lahko bolj precizno sproščamo zdravilne učinkovine. 13. Izumili smo postopke oplaščenja delcev zdravilnih učinkovin z namenom prikrivanja neprijetnega okusa. 14. Teoretično smo pokazali, da lahko z ujetjem zdravilnih učinkovin v mikroporozne anorganske nosilce stabiliziramo amorfno obliko zdravila (kristalizacija ne poteče). 15. Stabilnost amorfnih oblik v mikroporah smo dokazali tudi eksperimentalno. Vsi navedeni preboji so bili objavljeni v revijah s srednjim (2-5) ali visokim faktorjem vpliva (nad 5).
Pomen za razvoj Slovenije
Razvoj znanosti je eden od najpomembnejših nosilcev napredka in razvoja družbe v celoti in se navezuje na številna področja gospodarskega in družbenega življenja v razvitem svetu, s tem pa seveda tudi v Sloveniji. Pomen inovativnih rešitev je med izvajanjem programa spoznalo več slovenskih podjetij, ki so so vedno intenzivneje navezovali stike s člani programske skupine. Tako je programska skupina sodelovala z različnimi slovenskimi podjetji: Krka, Lek, Iskratela, Atotech, Belinka, Jub. Ta in podobna podjetja so dajala konkretne pobude za raziskave izbranih materialov z izboljšanimi lastnostmi. Izkazalo se, da so za učinkovito reševanje konkretnih industrijskih problemov potrebna poglobljena znanja z danega področja, v našem primeru s področja materialov. Trditev lahko podpremo s konkretnim primerom: na osnovi poglobljenih in temeljitih raziskav mehanizmov v litijevih akumulatorjev smo uspeli rešiti konkreten problem slovenskega proizvajalca baterij, čeprav je šlo za alkalno baterijo z zračno depolarizacijo (osnovni mehanizmi so univerzalni in zato veljajo tudi za zelo različne materiale). Podobne interakcije so se dogajale s farmacevtsko in barvno industrijo. Poleg reševanja konkretnih industrijskih problemov, je program pomembno prispeval k izobraževanju mladih raziskovalcev in drugih mladih kadrov (diplomantov, podoktorskih študentov ipd.).
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
