Projekti / Programi
Vzorci, strukturna samo-organizacija ter magnetoelektriki v mešanicah nano-delcev in tekočih kristalov
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.00 |
Naravoslovje |
Fizika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P250 |
Naravoslovno-matematične vede |
Kondenzirane snovi: struktura, termične in mehanske lastnosti, kristalografija, fazno ravnovesje |
mešanice, nanodelci, tekoči kristali, multiferoiki, feromagnetne tekočine, samoorganizacija, fazno obnašanje, strukturni prehodi, površinski pojavi, nered, stohastična resonanca, topološki defekti, domenski razvoj
Raziskovalci (12)
Organizacije (3)
Povzetek
Eksperimentalno in teoretično bomo preučevali materialne, strukturne in samourejevalne lastnosti mešanic različnih nanodelcev (ND) in termotropnih tekočih kristalov (TK). Nekateri ND bodo površinsko obdelani. Statične strukturne in fazne lastnosti, kot tudi dinamične lastnosti mešanic, bomo opazovali s kalometričnimi meritvami, dielektrično spektroskopijo, vrstično in transmisijsko elektronsko mikroskopijo, polarizacijsko optično mikroskopijo, z magnetnimi meritvami in s sipanjem x-žarkov. Teoretične raziskave bodo osnovane na makroskopskih, mezoskopskih in semi-mikroskopskih modelih. Izdelali bomo minimalne modele, ki bodo pojasnjevali izmerjene lastnosti na kvalitativnem in tudi kvantitativnem nivoju. Izvedli bomo obsežne numerične simulacije. Naša slovenska projektna skupina ima bogate izkušnje na omenjenih in sorodnih področjih, tako s področja sinteze različnih ND, priprave vzorcev, izvedbe eksperimentov, teoretičnega modeliranja in numeričnih simulacij. Poleg tega bodo naše projektne aktivnosti močno povezane z vrsto evropskih uveljavljenih eksperimentalnih in teoretičnih skupin, večinoma preko bilateralnih povezav. Naši osnovni cilji so naslednji: 1) iskali bomo primerne kombinacije ND+TK z izrazito kvantitativno poudarjenimi ali popolnoma novimi lastnostmi glede na obnašanje izoliranih sestavnih komponent, 2) preučili bomo pogoje homogenega mešanja ter fazne separacije mešanic, 3) raziskali bomo neravnovesne lastnosti naključno motenih sistemov, 4) iskali bomo kombinacije ND+TK, ki so izjemno občutljive na spremembe zunanjih parametrov, 5) kontrolirali bomo geometrijo, materialne in površinske lastnosti ND, 6) razvili bomo relativno enostavne in ponovljive metode urejanja anizotropnih ND, 7) razvili bomo nove mehanizme organizacije nano-razsežnih objektov v večje in urejene strukture. Med drugim nameravamo narediti nove magnetoelektrične materiale in ferromagnetne tekočine. Prvi bomo 1) sintetizirali in preučevali magnetoelektrike v homogeni mešanici ferromagnetnih ND in feroelektričnih TK, 2) preučevali termične lastnosti nano-ferromagnetnih tekočin, kjer vlogo tekočine igra TK faza, 3) preučevali preobleko domenskih sten TK faze z nanodelci, 4) raziskovali mešanice enoosnih in dvoosnih termotropnih TK in 5) raziskovali stohastično resonanco v mehkih sistemih. Pričakujemo, da bodo sistemi naših preučevanj igrali pomembno vlogo na področju nanotehnologije, nano-osnovane mikroelektronike in računalnikov, v energijsko varčnih TK pripravah, izjemno občutljivih detektorjih, pri učinkovitem prevajanju (odvajanju) toplote in pri razumevanju obnašanja splošnih kompozitov. Poteg tega bomo prispevali pomembne prispevke k bazičnem razumevanju fizike statičnega nereda, dinamičnega razvoja domen in topoloških defektov.
Pomen za razvoj znanosti
Kot prvi smo eksperimentalno pokazali obstoj stabilnega mehkega magnetoelektrika. Ta rezultat predstavlja pomemben začetni korak pri razvoju bodočih štiribitnih računalnikov. Od magnetoelektričnih elementov se pričakuje, da bodo hkrati omogočali računske operacije in shranjevanje podatkov. Mehki magnetoelektriki so zanimivi, ker so zaradi svoje »mehkobe« izjemno občutljivi na zunanje motnje. To lastnost bi lahko izkoristili za relativno energijsko ceneno delovanje.
Kot prvi smo razvili mezoskopski model, s katerim smo preučili vpliv različnih parametrov na tekoče-kristalno (TK) vodeno orientacijsko urejanje nanocevk. Pokazali smo, da lahko dosežemo izjemno orientacijsko urejenost tudi v primerih, kjer je sklopitev med tekočimi kristali in nanocevkami relativno šibka. Naši modeli bodo npr. uporabni kot orodje za razvoj TK vodenih kreacij različnih vzorcev nanocevk s specifičnimi anizotropnimi lastnostmi. Npr., orientacijsko urejenost tekočih kristalov lahko relativno enostavno krmilimo z zunanjimi polji ali s primerno oblikovano ali obdelano površino. Poleg tega znotraj dane TK faze obstaja vrsta različnih struktur. Slednjo pestrost bi lahko izrabili kot vzorčne matrike za urejanje različnih konfiguracij nanocevk.
Kot prvi smo numerično simulirali jedro površinskega topološkega defekta (boojum), ki ne more zapustiti površine. Slednja fizika je izjemno univerzalna in zato uporabna tudi za druga področja fizike (npr. prva teorija topoloških defektov je bila razvita v kozmologiji). Poleg tega smo pokazali, pod kakšnimi pogoji se lahko nanodelci v splošnem učinkovito ujamejo v jedra defektov. Omenjeno spoznanje bi lahko v bodoče izkoriščali za pozicijsko usmerjanje nanodelcev indirektno preko pomikanja topoloških defektov. Omenjeni mehanizem predstavlja novo možnost pri kontrolirani prostorski postavitvi nanodelcev.
Za napredek splošne znanosti je pomembno tudi naše eksperimentalno in teoretično delo, v katerem smo dokazali, da lahko primerno površinsko obdelani nanodelci povečajo temperaturno stabilnost modrih faz za red velikosti. Slednje faze so izjemno zanimive za različne elektrooptične aplikacije zaradi njihovih izjemnih optičnih lastnosti. Poleg tega smo pokazali, da lahko področje temperaturne stabilnosti z dodajanjem ustreznih nanodelcev približamo sobnim temperaturam. Naša spoznanja lahko vodijo do razvoja robustnih prikazalnikov osnovanih na modrih fazah, ki delujejo pri sobnih temperaturah. Bistvena prednost takšnih prikazalnikov je relativno nezahtevna obdelava površin, ki obdajajo tekoče kristalno fazo.
Kot prvi smo pokazali, pod kakšnimi pogoji se naključno moteni sistemi pokoravajo teoremu Imry-Ma, ki predstavlja enega od ključnih elementov statistične termodinamike nereda. Teorem je bil originalno izpeljan na področju magnetizma. Toda njegova veljavnost je izrazito univerzalna, saj zahteva v sistemu le obstoj Goldstonovega nihajnega načina v spremenljivki, ki je sklopljena z naključnim poljem. Goldstonov nihajni način je nujna posledica zloma zvezne simetrije v faznem prehodu, pri katerem se vzpostavi urejenost v nemotenem sistemu. Slednji pojav je izjemno pogost v naravi in posledično je preučevan pojav izjemno univerzalen.
Kot prvi smo demonstrirali, da bi lahko statični nered v mehkih sistemih izkoristili za ojačitev vhodnih signalov z uporabo stohastične resonance. To spoznanje bi lahko vodilo do razvoja občutljivih detektorjev, ki izkoriščajo kombinirano izjemno občutljivost stohastične resonance in mehkih materialov.
Kot prvi smo demonstrirali, v kakšnem področju bi lahko primerne mešanice tekočih kristalov in nanodelcev uporabili kot spominske elemente. Poleg tega smo pokazali, da je lahko vpliv nanodelcev na tekoče kristale podoben kot vpliv zunanjega ujetega (quenched) naključnega polja. Slednja analogija še ni bila znana in predstavlja možno eksperimentalno realizacijo sistema, kjer lahko eksperimentalno preučujemo pojave v naključno motenih sistemov.
Pomen za razvoj Slovenije
Številne firme v Sloveniji se ukvarjajo z nanotehnologijo. Posebno so npr. zanimivi ferofluidi. Naše raziskave podajajo splošen vpogled, v katerih razmerah so lahko stabilne mešanice različnih izotropnih ali anizotropnih tekočin in nanodelcev. Poleg tega naše raziskave nakazujejo vrsto novih možnih aplikacij (urejanje nanocevk, razvoj občutljivih detektorjev osnovani na mehkih materialih in stohastični resonanci, mehki spominski elementi), ki se bi lahko razvile v Sloveniji.
V projektu so sodelovali številni mladi raziskovalci, ki so pridobili raznovrstne izkušnje s področja fizike, matematike, računalništva in kemije (neposredno v projektu sta bila Marko Jagodič in Sašo Gyergyek, v nekaterih raziskavah pa so sodelovali tudi Brigita Rožic, Dalija Jesenek, Matej Cvetko in Marko Gosak). Projekt je bit izrazito interdisciplinaren in interinstitucionalen. Med sodelujočimi institucijami se je preko projekta vzpostavilo trdnejše sodelovanje na področju raziskav in tudi na področju izobraževanja.
Nova spoznanja, ki so posledica raziskav v projektu, se vključujejo v vsebine številnih predmetov univerzitetnih in doktorskih študijev. Primeri so npr. predmeti Kompleksne mešanice, Modeliranje v fiziki mehke snovi, Pregled moderne fizike, Sodobni pogled na fiziko na doktorskem študiju na Fakulteti za naravoslovje in matematiko Univerze v Mariboru in Tekoči kristali ter Mehki materiali na Mednarodni podiplomski šoli Jožefa Stefana ter drugi predmeti na prvi in drugi bolonjski stopnji.
V projektu so sodelovale številne ugledne raziskovalne skupine v tujini (Leuven, Pavia, Bukarešta, Atene), kar utrjujeje vpetost slovenskih raziskovalcev v mednarodne raziskovalne mreže.
Člani projekta smo organizirali 11th European Conference on Liquid Crystal, ki je potekala v Mariboru v času med 6.2 in 11.2. 2011. Konferenco je vodil vodja projekta S. Kralj. Generalni pokrovitelj konference je bil predsednika republike dr. Danilo Türk. Konference, ki je potekala brez zapletov, se je udeležilo 250 vodilnih raziskovalcev s celega sveta. Večinski delež konferenčnih prispevkov je bil na temo kompozitov različnih tekoče kristalnih faz in nanodelcev, kar priča o aktualnosti tematike projekta. Poleg tega so člani projekta v okviru konference prvič v zgodovini evropskih tekoče-kristalnih konferenc organizirali pedagoško sekcijo. V okviru slednje sekcije so številni vrhunski raziskovalci predstavili aktualne raziskovalne tematike slovenskim srednješolskim učiteljem. Na ta način smo prenesli nova spoznanja na področju mehke snovi na širšo javnost. Konferenca je bila deležna številnih pohval in tako prispevala k ohranjanju izjemnega ugleda, ki ga imamo slovenski raziskovalci na področju raziskav tekočih kristalov.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2008,
2009,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2008,
2009,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
