Projekti / Programi
Hibridni nanomateriali za samo-mazalne kompozite in za pretvorbo energije
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.01 |
Naravoslovje |
Fizika |
Fizika kondenzirane materije |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
Raziskovalci (17)
Organizacije (2)
Pomen za razvoj znanosti
Projekt je omogočil raziskave novih nanohibridov na osnovi nanocevk MoS2 in WS2, ki so bile prvič sintetizirane na Institutu Jožef Stefan in katerih sintezo smo uspeli patentno zaščititi z mednarodnimi patenti. Gre za edinstvene nanostrukture, kot so nanobrstiči WS2, pri katerih nanokroglice WS2 rastejo na površini nanocevk MoS2, "mama"-tube, kot smo poimenovali nanocevke MoS2, v katere so vgrajene MoS2 nanokroglice, koaksialne nanocevke MoS2, kjer so cevke znotraj cevk in tudi nanocevke MoS2 s kontrolirano velikostjo, ki zaradi velike količine defektov kažejo kovinsko obnašanje za razliko od poleprevodniškega MoS2. Glavni cilj tega projekta je bil razumeti mehanizme rasti hibridnih nanomaterialov, njihovo interakcijo s polimerno matriko ter oceniti možne smeri uporabe teh novih materialov za varčevanje z energijo zaradi zmanjševanja izgub, ki jih povzroča trenje, za proizvodnjo energije s fotovoltaiko ter za shranjevanje energije z interkalacijo vodika in litija.
Vsi ti cilji so bili doseženi in smeri nadaljnih raziskav s tem odprte.
Trenje je staro področje raziskav in njegova kontrola je velikega pomena za tehnologijo, še posebej pri nedavnih težnjah po učinkovitejši rabi fosilnih goriv za manjši porabi energije. Medtem ko je mogoče makroskopsko trenje pripisati kolektivnim pojavom zaradi hrapavosti in so tovrstne študije tradicionalno spadale na strojno fakulteto, se je mogoče z uporabo mikroskopije na atomsko silo sfokusirati na posamezno izboklinico kot dela hrapave površine, kar pa zahteva znanje fizike. Nadalje, atomska ločljivost pri meritvah trenja omogoča kontrolo AFM tipala in hkrati razkriva detajlnjo strukturo opazovanega objekta. Medtem ko je bila prvotna želja pri razvoju meritev trenja z AFM študirati posledice lokalne obrabe, kar ni bilo možno z makroskopskimi napravami, so nanomateriali v vlogi lubrikantov odprli nove perspektive pri merjenju trenja na površini posamezne nanocevke oz. fulerenom-podobne nanokroglice.
In to nam je v projektu uspelo. Kot prvi na svetu smo izmerili trenje na površini posamezne nanocevke in posamezne nanokroglice MoS2. Potrdili smo skoraj četrt stoletja staro ugotovitev, da je trenje pri zdrsu med plastmi večje kot pri zdrsu med posameznimi kristali in pojav razložili z o,ejeno disipacijo energije. Uporaba ultra-visokega vakuuma kot eksperimentalnega okolja nam je omogočila izogib vplivom zračne vlage ali tveganja za oksidacijo, ki zameglita osnovne procese trenja med drse.
Poznavanje medsebojne iterakcije nanoobjektov z različnimi tehnološko pomembnimi polimeri za specialne namene je pomembno za razvoj milti-funkcionalnih prevlek. Pripravili smo prevleke na osnovi vodotopnega in biokompatibilnega polyetilen oksida (PEO), pri katerih smo eksperimentalno ugotovili 75 % zmanjšanje obrabe pri dodatku 25 ut.% nanocevk glede na maso polimera. Vmešavanje nanocevk MoS2 v kemijsko in temperaturno zelo obstojen polimer PVDF je povzročilo stabilizacijo nove konformacije tega polimera, ki do sedaj še ni bila poznana, čeprav je PVDF eden najbolj raziskanih polimerov nasploh. Že 1 ut.% nanocevk v PVDF povzroči zmanjšanje trenja za 50 %. Dokazali smo tvorbo tribo-filma pri mehanskih strižnih obremenitvah med tribološkim testiranjem PAO olja z vmešanimi nanocevkami MoS2, ki zmanjša obrabo na jeklenem kontaktu do 90 % napram čistemu olju.
Razslojevanje nanocevk na kontaktu je mehanski ekvivalent kemijski eksfoliaciji, s katero smo sintetizirali MoS2 monoplasti, ki predstavljajo analogijo grafenu. Sintezna pot, ki smo jo izbrali kot razslojevanje nanocevk MoS2 in ne običajnih plastnih kristalov, preprečuje hitro samourejanje in omogoča študij na posameznih plasteh. Ugotovili smo močan kvantni efekt zaradi majhne debeline monoplasti. Iz premika ramanskih vrhov smo sklepali na podobno kvantno omejenost v plasteh tribo-filma.
Na osnovi tankih lusk MoS2 in WS2 smo v sodelovanju naredli prvi poljski transistor na osnovi naših nanomaterialov.
Pomen za razvoj Slovenije
Pomen projekta je v tem, da smo z njim poglobili naše poznavanje lastnosti materiala, ki je bil odkrit v Sloveniji in ustrezno patentno zaščiten v Evropi in ZDA. Poleg promocije Slovenije na tehnološko pomembnem področju nanotehnologije in nanoelektronike, smo z rezultati projekta razpoznali možne smeri uporabe nanocevk MoS2. Tu gre predvsem za izrazito povečano samomazalno funkcijo tehnoloških polimerov, v katere so vgrajene nanocevke MoS2, kot so PVDF, PEO in iPP. Z metodo mikroskopije na atomsko silo smo na posameznih nanocevkah dokazali, da imajo cevke manjše trenje kot običajni plastni kristali MoS2 in v sodelovanju s Fakulteto za strojništvo naredili testiranja tudi v oljih in masteh. Material je izjemen in je pripravljen za tehnološko uporabo. Za to sta potreba še dva aplikativna koraka: razvoj tehnologije za povečanje proizvodnje in razvoj končnega izdelka. Oba koraka presegata doseg tega projekta in čakata na ustrezne razvojne razpise oz. investicije.
Projekt je bil povezovalne narave, saj je združeval raziskovalce s področja tehnike in naravoslovja in postavil fiziko v center najsodobnejših raziskav materialov pomembnih za industrijske aplikacije. Sodelovanje s Fakulteto za strojništvo ni naključje, saj je dr. Kalin mednarodno priznan strokovnjak za tribologijo in so-urednik knjige: Tribology of mechanical systems : a guide to present and future technologies. New York: ASME Press, 2004. Neformalno sodelovanje se je v tem projektu formaliziralo in upamo, da se bo tudi nadaljevalo po koncu tega projekta. Na temi projekta je bil opravljen en doktorat, dva sta še v teku in narejena tri diplomska dela.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
