Projekti / Programi
Sodobni anorganski magnetni in polprevodni materiali
01. januar 2009
- 31. december 2014
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.00 |
Tehnika |
Materiali |
|
| 1.04.00 |
Naravoslovje |
Kemija |
|
| 2.09.00 |
Tehnika |
Elektronske komponente in tehnologije |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T150 |
Tehnološke vede |
Tehnologija materialov |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
keramika, sinteze materialov, magnetni materiali, mikrovalovni feriti, magnetni nanodelci, polprevona keramika, PTCR termistorji
Raziskovalci (18)
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
90.742 |
Povzetek
Program predvideva raziskave mikrovalovnih materialov na osnovi magnetnih spinelov, granatov in heksagonalnih feritov. Poudarek raziskav bo usmerjen v skupino heksagonalnih feritov, ki imajo zapleteno kristalno zgradbo. Uporabili bomo posebne metode, pri katerih lahko kontroliramo sintezo ustrezne strukture na nano nivoju: mehanokemijske sinteze, sol-gel postopek ter hidrotermalne sinteze so se že izkazali za ustrezne. Pripravljenim materialom bomo karakterizirali strukturo na nano nivoju z uporabo modernih elektronsko-mikroskopskih tehnik (SEM, EDXS, TEM, HREM, STEM, HAADF, EELS, ...) in rentgenske difraktometrije (XRD) v kombinaciji s specialnimi tehnikami, kot je Moessbauerjeva spektroskopija.
Poleg tega so v okviru predlaganih raziskav zajeti kompozitni nanodeleci, t. j. nanodelci sestavljeni iz plasti različnih materialov. Primer kompozitnih nanodelcev so magnetni delci, prevlečeni s tankimi plastmi, ki služijo različnim namenom, od možnosti dispergiranja delcev v nosilni tekočini do zaščite delcev pred kemijsko reakcijo z okoljem ter prevleke delcev z aktivno snovjo (npr. zdravilom). Velik del raziskav bo posvečen sintezi novih kompozitnih nanodelcev, sestavljenih iz različnih funkcionalnih materialov, npr. iz magnetnih in feroelektričnih materialov ali magnetnih in izolacijckih materialov.
Pomen za razvoj znanosti
Program P2-0089 je posvečen predvsem raziskavam sinteze novih materialov. Pogosto je prav možnost sinteze ustreznega materiala ovira pri razvoju nekega znanstvenega ali tehnološkega področja. Poznamo primere, kjer so znani osnovni principi razvoja nekega znanstvenega področja, pa ni na voljo zahtevanega materiala. V teh primerih lahko znanje o sintezi ustreznih materialov omogoči pravo eksplozijo raziskav, novih izdelkov in tehnologij. Tak primer so na primer feromagnetni tekoči kristali, katerih obstoj sta Brochard in de Gennes napovedala že pred več kot štirimi desetletji, vendar pa je šele naš razvoj sinteze magnetnih nanoploščic BaFe12O19 omogočila prvi eksperimentalni dokaz njune teorije in bo, kar je še pomembneje, lahko omogočil nadaljnji znanstveni razvoj na področju in razvoj povsem novih tehnologij. Pozornost raziskav je bila posvečena predvsem kontrolirani sintezi nanodelcev, uravnavanju njihovih površinskih lastnosti, ter njihovemu spajanju v nove nanokompozitne materiale. Razvijali smo materiale na osnovi magnetnih nanodelcev, predvsem za uporabo v biomedicini, magnetne feritne materiale za visokofrekvenčno uporabo ter polprevodne feroelektrične keramike. Izpostavim lahko, da smo kot prvi uspeli sintetizirati zelo majhne nanodelcev heksaferitov. To je že omogočilo razvoj novih nanokompozitnih materialov, kot so zgoraj omenjeni feromagnetni tekoči kristali, seveda pa razvoj z uporabo nanodelcev sintetiziranih po naših metodah poteka tudi drugje v svetu. Razvili smo nove metode, ki omogočajo kontrolo površinskih lastnosti (funkcionalizacijo) nanodelcev. Pridobljeno znanje je osnova, tako za sintezo koloidnih suspenzij nanodelcev in za njihovo uporabo v medicini, kot tudi za njihovo nadaljnje spajanje v nanoskupke in nanokompozitne materiale. Sinteza stabilnih suspenzij superparamagnetnih nanoskupkov z ozko porazdelitvijo velikosti bo omogočila nove pristope k kontroli optičnih lastnosti suspenzij (magneto-optika) in s tem nove smeri razvoja fotonike. Po originalnem sinteznem postopku smo kot druga skupina na svetu (prvi so bili raziskovalci s Kalifornijske univerze) uspeli sintetizirati take magneto-optične suspenzije, pri čemer pa naša metoda omogoča mnogo lažjo proizvodnjo večjih količin. Razen v fotoniki so suspenzije superparamagnetnih nanoskupkov zelo zanimive tudi za uporabe povezane z njihovim magneto-reološkim učinkom. Naše raziskave na področju sinteze, funkcionalizacije in lastnosti nanodelcev so pomembno prispevale tudi k razumevanju vpliva nanodelcev na žive sisteme in so s tem pomembne za razvoj nanobiomedicine na eni strani in nanotoksikologije na drugi. Osnovno znanje pridobljeno z našimi raziskavami na področju mikrovalovnih magnetnih materialov bo vse bolj pomembno v bližnji prihodnosti, ko se bo meja delovnih frekvenc elektromagnetnih sistemov dvignila v območje milimetrskih valov (30-300 GHz). Pri tako visokih frekvencah lastne magnetne lastnosti običajnih materialov večinoma odpovedo, zato je potrebno razviti postopke za pripravo novih materialov. Tudi v tem primeru lahko pričakujemo, da bo uspešna rešitev problema ustreznih materialov privedla do splošnega dviga znanstvenega nivoja na področju, na primer, pri nadaljnjem razvoju nerecipročnih naprav. Naš viden prispevek na tem področju so metode za pripravo magnetno usmerjenih plasti barijevega heksaferita. Za njihov nanos iz stabilnih suspenzij je bilo potrebno preučiti sile, ki delujejo med magnetnimi nanodelci v suspenziji in z ustrezno površinsko obdelavo preprečiti magnetno aglomeracijo nanodelcev. Pridobljeno znanje bo osnova za razvoj številnih novih kompozitnih materialov, ki v plasti spajajo magnetne materiale z drugimi uporabnimi materiali. Posebno zanimivi so kompoziti, pri katerih sta dve uporabne lastnosti med seboj sklopljene, kot je to na primer pri magnetoelektričnih kompozitih, v katerih so sklopljene magnetne in feroelektrične lastnosti.
Pomen za razvoj Slovenije
Glavnina raziskav je bila usmerjena k sintezi kompleksnih nanomaterialov in njihovi uporabi v medicini in tehniki. Metode, ki jih uporabljamo pri sintezi novih nanomaterialov ne temeljijo na uporabi drage opreme, ampak na izvirnih pristopih in poglobljenem znanju o osnovnih kemijskih mehanizmih postopkov. Pri razvoju novih metod sinteze materialov smo pozorni na to, da omogočajo relativno preprost prenos v industrijsko proizvodnjo. Tako imajo naše raziskave veliko uporabno vrednost za slovensko industrijo. Čeprav so raziskave na področju medicine predvsem temeljne, dejanska uporaba pa precej oddaljena, je lahko pridobljeno znanje praktično pomembno v sodelovanju s slovenskimi farmacevtskimi podjetji in manjšimi podjetji, ki zagotavljajo specializirane storitve v raziskavah na področju medicine. S tovarno Lek že uspešno sodelujemo pri razvoju zdravil na osnovi nanodelcev. Seveda pa bo znanje razvito v povezavi z medicino praktično uporabno tudi za razvoj novih tehnologij, izdelkov in storitev. Tu naj izpostavimo uporabo magnetne separacije v čiščenju vode, kjer smo sodelovali s tovarno Cinkarna Celje. Z raziskavami smo se tako tvorno vključevali v reševanje okoljske problematike čiščenja voda, ki je vse bolj pereča tudi v Sloveniji. Magnetna separacija je pomembna tudi v biotehnologiji in kemijski tehnologiji, na primer za nove magnetno izločljive (bio)katalizatorje, ki lahko zelo hitro najdejo uporabo v industriji, od proizvajalcev osnovnih kemikalij, preko biotehnologije in farmacije, do živilske tehnologije. Pripravili smo prve magnetne katalitzatorje in jih testiramo v relevantnih kemijskih procesih. Na področju magnetne separacije mikroorganizmov smo se vključili v razvoj novih pristopov v vinarstvu in pivovarstvu. Del naših raziskav je posvečen raziskavam keramik s pozitivnim temperaturnim koeficientom upornosti (PTKU), kjer že dolgo sodelujemo s tovarno Stelem. Raziskave povezane z magnetnimi in optičnimi materiali za optična vlakna pa smo izpeljali v sodelovanju s podjetjem Optacore. Da bi še pospešili prehod rezultatov naših raziskav v praktično uporabo smo ustanovili odcepljeno podjetje Nanos Scientificae d.o.o in pravno uredili njegove razmerje z IJS. V začetni stopnji bo podjetje tržilo naše znanje o funkcionalizaciji magnetnih nanodelcev predvsem v mednarodni raziskovalni sferi na področju biomedicine in fotonike. Ustanovljeno odcepljeno podjetje nam daje veliko možnosti za prenos novih tehnologij na tržišče. Ne nazadnje je program s svojo tematiko oral ledino v Sloveniji na področju nanomaterialov. Znanje, ki ga razširjamo v raziskovalno, pedagoško, industrijsko in družbeno okolje je pomembno za tehnološki in družbeni razvoj Slovenije. Program je z več (3-5, odvisno od obdobja) habilitiranimi visokošolskimi učitelji prispeval k dvigu pedagoške ravni. Člani programa se vključujemo v pedagoški proces na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerzi v Mariboru, Medicinski fakulteti Univerze v Mariboru in Mednarodni podiplomski šoli Jožefa Stefana. Nanomateriale sintetizirane v okviru programa uporabljajo v raziskavah številne druge slovenske raziskovalne skupine, predvsem s področja biologije, nanotoksikologije, fizike, elektrotehnike in biotehnologije. Sodelovali smo celo pri razvoju nove likovno umetniške tehnike v sodelovanju z Likovno akademijo Univerze v Ljubljani, ki temelji na manipulaciji suspenzije magnetnih nanodelcev v monomeru, pri čemer lahko obliko ohranimo s polimerizacijo.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
