Projekti / Programi
Nov sintezni način za pripravo večje količine prevodnih podsteklometričnih volfram oksidnih nanožičk kot prekurzorjev za wssnanocevke
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.02 |
Tehnika |
Materiali |
Kovinski materiali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P360 |
Naravoslovno-matematične vede |
Anorganska kemija |
podstehiometrični volfram oksidi, nanožičke, volfram disulfid, nanocevke, fulereni, kemijska transportna reakcija, induktivno segrevanje, mikroskopija na atomsko silo, vrstična tunelska mikroskopija, sulfurizacija
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
20003 |
dr. Maja Mrak |
Fizika |
Vodja |
2007 |
39 |
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
90.742 |
Povzetek
Zanimanje za eno-dimenzionalne sisteme kot so nanožičke in nanocevke narašča predvsem zaradi njihove potencialne uporabe za osnovne gradnike nanonaprav v elektroniki in optoelektroniki, saj predstavljajo najmanjšo dimenzijo žic za učinkovit transport elektronov kot tudi izvor elektronov. Podstehiometričnih volframovi oksidi (WO3-x) so še posebno zanimivi oksidi kovin prehoda zato, ker so volfram in njegove spojine tehnološko uporabne in ker je stehiometrični oksid WO3 neprevoden in diamagneten. Poznanih je veliko strukturno različnih WO3-x faz , vendar v večini primerov nastanejo kot mešanica faz, z izjemo polprevodne W18O49 (WO2,72) faze, ki jo je mogoče pripraviti tudi v čisti obliki. Velik del tega projekta bo poleg sinteze WO3-x faz, usmerjen k pripravi večje količine W5O14 (WO2.8), ki ima kovinske lastnosti in zanimivo strukturo s 5- in 6-števnimi kanali. Njena struktura je bila določena že leta 1978 leta, vendar zaradi zelo majhne količine in ob prisotnosti drugih volframovih faz, njenih fizikalnih in kemijskih lastnosti kot tudi elementne sestave ni bilo mogoče določiti. Optimizacija sintez postehiometričnih oksidov za pripravo večje količine čim bolj fazno čistih WO3-x nanožičk, bo potekala na dva načina: s kemijsko transportno reakcijo z jodom in z induktivnim segrevanjem z visoko-frekvenčnim magnetnim poljem. Na sintetiziranih WO3-x nanožičkah bo nato sledila doslej prva natančna študija lastnosti površin z vrtično tunelsko mikroskopijo (STM) in mikroskopijo na atomsko silo (AFM) v ultra visokem vakuumu. Optimizirane podstehiometrične volfram oksidne nanožičke bodo na koncu uporabljene kot prekurzorji za sintezo večje količine WS2 nanocevk in/ali WS2 fulerenov v sulfurizirani?? (sulfurirajoči) atmosferi. Naše nanocevke bodo uporabili EU partnerji na projektu FOREMOST za maziva in olja, ki naj bi zmanjšala trenje in bi s tem dosegli manjšo porabo energije, daljšo življensko dobo ter produktivnost mehanskih sistemov.
Pomen za razvoj znanosti
Moj prispek k znanosti bo racionalna sinteza večje količine nanomaterialov s prevodnimi in polprevodnimi lastnosti. Sinteza W5O14 faze v gramskih količinah po tridesetih letih njenega odkritja odpira možnosti natančne določitev kemijskih in fizikalnih lastnostih, ki zaradi majhne količine do danes niso bile mogoče. Poleg tega je material termično zelo obstojen in je zaradi 5- in 6-števnih kanalov (veliko površino) uporaben za vgradnjo litija ali vodika. Sinteza WS2 nanocevk je omejena le na majhne količine in še to ne v čisti obliki. Sulfurizacija nanocev iz W5O14 faze v različnih stopnjah lahko omogoči nov vpogled v rast nanocevk. Če za EU partnerje razvijemo sintezo nanocevk v večjih količinah, bo več možnosti za razvoj inovativnih procesov za prevleke, vgradnih tehnik za proizvodnjo unikatnih nanokompozitov. Kemijska transportna reakcija in indukcijsko segrevanje odpira nove možnosti za pripravo večje količine nanožičk kot nanocevk v čisti obliki. Načrtovana optimizacija za sintezo nanožičk in nanocevk je nujna za testiranje vseh predvidenih uporab in za večino od teh za prve raziskave na uporabnih lastnostih.
Pomen za razvoj Slovenije
Asimilacija nanomaterialov v Evropski industriji (Renault, Rolls-Royce, EADS, etc.) in poredno tudi Slovenski bo omogočila znantno zmanjšanje v obrabi in trenju materialov, ki void do zmanjšanja izgube energije v mehanskih sistemih, kar pomeni manjše onesnaženje, manjša poraba surovih materialov in izdatek capital expenditures zaradi manjše obrabe, in povečanje zanesljivosti z dajšo življensko dobo materialov in povečanje produktivnosti.
Približno 25 % energije, ki se porabi na svetu se uporabi zaradi trošenja toplote zaradi obrabe materialov, kot je bilo ocenjeno iz različnih virov naj bi to pomenilo od 1.3 do 1.6% bruto nacinalnega proizvoda-prihodka v industrijsko razvitih državah (industrialized country). Stroški trenja, izrabe in namazanja ali naoljenja (vključno z zmanjšanjem življenske dobe, popravil in stroškov vzdrževanja) naj bi bilo ocenjeno na 350 x 109 Evrov/leto.
Analize proizvodnih sektorjev so pokazale, da so maksimalni stroški povezani s površinskim transportom (46.6%), pri industrijski proizvodnji in procesiranju (33%), dobaviteljih energije (6.8%), aeronavtiki (2.8%), gospodinjstvo (0.5%) in ostali sektorji 10.3%. Nove prevleke na podlagi WS2 nanocevk in fulerenov bodo znatno prispevale k zmanjšanju teh izgub.
Na primer, efektivni koeficient trenja (gear teeth) v oljno mazanih menjalnikih, ponavadi leži v območju med 0.04 in 0.08, kar povzroči izgube prenesene moči v območju pmed 0.3 % in 1.5 %.V primeru avtomobilskega menjalnika bi zmanjšanje koeficienta trenja za 20 % zaradi uporabe prevlek zmanjšalo izgube za 0.8% do 0.64%. To bi prihranilo 26 x 109 Evrov/leto samo pri površinskem transportu.
Če bi zunanjem menjalniku v aeronavtičnih motorjih uporabili na primer anorganske fullerene in nanocevke, bi zmanjšali izgubo moči zaradi trenja, kar bi lahko vplivalo na manjšo potrebo po pretoku olja in bi omogočilo manjše izgube zaradi vetra, zmanjšalo rezervoar za gorivo in težo motorja. Zmanjšanje trenja za velike menjalnike bo zmanjšalo energijske in toplotne izgube. Ob upoštevanja dejstva zmanjševanja svetovnih zalog nafte bodo lastnosti anorganskih nanocevk in fulerenov pripomogle k premiku porabe olj na podlagi nafte k oljem na podlagi olj iz kmetijskih pridelkov. Z zmanjševanjem odvisnosti od nafte za uporabo maziv bomo podaljšali življensko dobo svetovnih zalog nafte za kritične momente kot je na primer nujni transport v medicini. Zmanjšanje izgube zaradi trenja pripomore tudi k učinkovitejši uporabi goriva. Uspešne aplikacije nanocevk in fulerenov v prevlekah, masivnih materialih ali mazivih bo vodilo do preboja v zmanjšanju izgub zaradi trenja v določenih aplikacijih. Cestni transport doprinese približno 20 % k emisiji CO2 tako že eno procentno zmanjšanje pomeni prispevek 1.4 miljonov ton toplogrednega CO2 izpusta v ozračje v Evropi letno
