Projekti / Programi
Raziskave začetnih stopenj faznih transformacij v mineralih
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.06.00 |
Naravoslovje |
Geologija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P420 |
Naravoslovno-matematične vede |
Petrologija, mineralogija, geokemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.05 |
Naravoslovne vede |
Zemlja in okolje |
rastni dvojčki, kemijsko dvojčenje, transformacijske napake, politipizem, polisomatizem, fazne transformacije, epitaksije, atomarna struktura, minerali, magmatske in metamorfne kamnine
Raziskovalci (12)
Organizacije (4)
Povzetek
V naravi najdemo številne primere transformacijskih napak, politipnih struktur in epitaksialnih preraščanj mineralov, katerih razlogi za nastanek na atomarnem nivoju so slabo raziskani ter v splošnem nezadostno razumljeni. Med glavnimi razlogi za to sta dinamika in kompleksnost pogojev med rastjo v naravnih okoljih, ko so minerali izpostavljeni neprimerno bolj nepredvidljivim termodinamičnim pogojem in geokemijsko spremenljivemu okolju kot minerali, ki jih sintetiziramo v laboratoriju. Nastanek mineralov v naravi je pogosto posledica zaporednih temperaturno odvisnih faznih transformacij, ki se odražajo v lokalni kemijski sestavi in strukturi. V procesu rekonstrukcije teh procesov je v veliko pomoč natančna strukturna in kemijska karakterizacija vzorcev. Na osnovi nanostrukturnih raziskav ploskovnih napak, precipitatov in drugih produktov topotaksialnih reakcij lahko ne le rekonstruiramo dinamiko preteklih geokemijskih procesov, ki so sodelovali v procesu oblikovanja končnega produkta, ampak pridobimo tudi boljši vpogled v regionalne geološke procese, ki so bili aktivni med rastjo kristalov. Fazne transformacije so pomemben indikator geokemijskih in termodinamičnih sprememb med rastjo kristalov. V začetni stopnji pride do nastanka termodinamično ali kemijsko induciranih ploskovnih napak, kot so dvojčične, antifaze in inverzne meje. Na osnovi znanja kristalne kemije smo v okviru rezultatov naših preteklih raziskav predlagali, da je atomarna struktura teh ploskovnih napak neposredno povezana s strukturo obstoječe polimorfne modifikacije med osnovno fazo in dopantom, ki je povzročil nastanek defekta. Potrditev te teorije je omogočil šele razvoj sodobnih metod elektronske mikroskopije, ki omogočajo neposreden vpogled v lokalno atomarno strukturo in kemijsko sestavo ploskovnih napak. Nadaljevanje raziskav začetnih stopenj faznih transformacij v mineralih bo najpomembnejši cilj našega nadaljnjega dela. Pri tem se porajajo številne možnosti za boljše razumevanje osnovnih principov gradnje trdnih snovi in faznih transformacij v mineralih. Prva stopnja raziskav na posameznem mineralu/sistemu vključuje identifikacijo strukturnih in kemijskih elementov, ki vodijo do določene fazne transformacije in nastanka ploskovnih napak, v naslednji stopnji pa bomo rezultate preverili s simulacijo pogojev v laboratoriju, kot smo na nekaterih sistemih (cinkit, spinel) že uspešno pokazali.
Koncept kemijsko induciranih faznih transformacij v mineralih je inovativen pristop k razumevanju atomarnih principov nastanka novih faz in s tem povezane rasti kristalov; na tem področju je naša skupina vodilna v svetovnem merilu. Rezultati projekta bodo temeljni prispevek k osnovnemu znanju termodinamike in kinetike procesov v nukleacijski stopnji rasti kristalov, ko so bistvenega pomena za njihov nadaljnji razvoj procesi na atomarnem nivoju. Rezultati bodo prispevali k razumevanju geokemijskih procesov, imajo pa tudi izjemno perspektivo pri razvoju novih materialov s ciljanimi fizikalnimi lastnostmi na osnovi ugotovitev o bazičnih principih izgradnje snovi. Opazovanje in učenje od narave je od nekdaj najboljši način za ustvarjanje novih tehnoloških prebojev, zato smo za raziskave v okviru tega projekta izbrali sisteme, ki jih lahko potencialno uporabimo tudi kot tehnološko zanimive materiale: transformacija ilmenita v rutil (izdelava anorganskih fraktalnih nosilcev v separacijskih in katalitskih procesih; pridobivanje Ti oksida in Ti), rastni defekti in dvojčki v perovskitu (dielektrične in termoelektrične aplikacije) ter dvojčenje v diamantu (strukturne aplikacije) so med najpomembnejšimi. Rezultati naših predhodnih raziskav s področja kemijsko induciranega dvojčenja, strokovno znanje in bogate izkušnje članov raziskovalne skupine ter dostopnost vrhunske raziskovalne opreme, tudi v okviru uveljavljenih mednarodnih programov sodelovanja, so zagotovilo za uspešno uresničitev ambicioznih ciljev v okviru predlaganega raziskovalnega projekta.
Pomen za razvoj znanosti
Rezultati naših raziskav na področju kemijsko induciranega dvojčenja in topotaksialnih faznih transformacij reakcij na atomarnem nivoju, so prispevek k razumevanju temeljnih kristalno-kemijskih in termodinamskih principov izgradnje trdnih snovi. V naši skupini se z raziskavami vzrokov za nastanek rastnih dvojčkov in sorodnih orientiranih zraščanj mineralov ukvarjamo že vrsto let in na tem področju smo prispevali v svetovno zakladnico znanja nekaj pomembnih fundamentalnih znanstvenih spoznanj na področjih mineralogije, kristalografije in znanosti o materialih. Opisali smo koncept kemijsko induciranih faznih transformacij v mineralih in pokazali, nastanek rastnih dvojčkov ni posledica naključnega zraščanja, ampak je pogojen z ustrezno kombinacijo geokemijskih in geofizikalnih pogojev med nukleacijo kristalov. Pokazali smo, da je energija za izgradnjo kemijsko induciranih dvojčkov nižja celo od energije za izgradnjo gostiteljskega kristala, kar je pomemben prispevek na področju termodinamike trdnih snovi ter na področju raziskav dvojčkov (kristalografija, mineralogija). Poleg tega smo identificirali še drugačen mehanizem dvojčenja, ki je povezan s topotaksialno (orienitrano) rekristalizacijo prekurzorskega minerala in pokazali, da je orientacijska zveza med produkti odvisna od kinetike reakcije. Ker se kompleksna orientirana zraščanja mineralov pogosto pojavljajo v magmatskih in metamorfnih kamninah je razumevanje njihovega nastanka še posebej pomembno saj nosijo informacije o preteklih geoloških procesih, ki so jim bile kamnine izpostavljene. V tem delu so rezultati naših raziskav pomemben prispevek na področju petrologije. Vsi naši dosežki so tesno povezani z analizami na atomarnem nivoju z uporabo metod presevne elektronske mikroskopije. Pri analizi orientiranih zraščanj mineralov uporabljamo specifičen pristop z analizo atomarne strukture in kemijske sestave kontaktne ravnine v dveh pravokotnih orientacijah. Le tak pristop omogoči 3D rekonstrukcijo ploskovnega defekta ali teksturiranega vzorca. Za reševanje specifičnih problemov, ki so povezani z analizo ploskovnih defektov je večkrat potrebna uporaba inovativnih pristopov, ki pomenijo napredek na področju elektronske mikroskopije. Vsa naša spoznanja so rezultat obsežnih temeljnih raziskav številnih vzorcev in pomenijo pomemben prispevek z razumevanju procesov (re)kristalizacije v kamninah. Rekonstrukcija mehanizmov po katerih pride do nastanka orientiranih zraščanj mineralov v naravi pa poleg tega pomeni še, da lahko to znanje prenesemo v laboratorij in ga uporabimo za kontrolirano sintezo funkcionalnih materialov. Opazovanje in učenje od narave je od nekdaj najboljši način za ustvarjanje novih tehnoloških prebojev, kar smo pokazali na različnih primerih, kot je na primer sinteza fraktalno razvejanih struktur na osnovi rutila. Na tem področju so rezultati našega dela prispevek k napredku znanosti o materialih. Prednost našega raziskovalnega dela je multidisciplinarnost, združevanje strokovnjakov z različnih znanstveno-raziskovalnih področij in generira večji napredek na vsakem posameznem področju, ki je vključeno v tovrstne raziskave.
Pomen za razvoj Slovenije
Rezultati naših raziskav so prispevek k temeljnim znanjem s področja mineralogije, petrologije in sinteze funkcionalnih materialov. Na področju petrogeneze magmatskih in metamorfnih kamnin, kjer je še veliko odprtih vprašanj, slovenski raziskovalci prispevamo številna nova temeljna spoznanja z našimi specifičnimi znanji in izkušnjami, predvsem s področja nanostrukturne karakterizacije kamnin in mineralov. Na podlagi objav v uglednih znanstvenih revijah in predstavitev rezultatov našega dela na konferencah, je delo naše skupine v svetu vedno bolj prepoznano in cenjeno. To se kaže v naraščajočem številu mednarodnih povezav s skupinami iz Rusije, Francije, Avstrije, in številnih drugih držav, ki delujejo na področju mineralogije, petrologije in sinteze funkcionalnih materialov za različne aplikacije. Raziskovalci iz teh skupin so prepoznali potencial našega pristopa k raziskavam nanostrukturnih pojavov v mineralih ter se na nas obračajo zaradi sodelovanja na področju nanostrukturne karakterizacije različnih kompleksnih vzorcev z metodami presevne elektronske mikroskopije (TEM). Koristi takšnega mednarodnega povezovanja so za Slovenijo pridobivanje novih znanj na področju mineralogije, petrologije in funkcionalnih materialov, ter napredek na področju znanja in spretnosti v povezavi z uporabo TEM metod za analize tudi zelo zahtevnih vzorcev, pomenijo pa seveda tudi veliko promocijo slovenske znanosti v svetu. Odmevnost našega dela se odraža tudi v velikem številu vabil za predstavitve naših rezultatov na mednarodnih znanstvenih konferencah (6 v okviru tega projekta) in tujih univerzah in institutih (11 vezanih na ta projekt). Vsa vabila so neposredno priznanje našemu delu in pomenijo širjenje temeljnih spoznanj, ki so rezultat slovenskega znanja. Poleg tega se zavedamo, da je za prihodnost Slovenije izjemno pomembno izobraževanje mladih na področju geoloških znanosti, zato v naše delo in raziskave vključujemo diplomske študente geologije (v sodelovanju z NTF) in doktorske študente. Na tematikah, ki so povezane z orientiranimi preraščanji mineralov v naravi ter z aplikacijo spoznanj za sintezo funkcionalnih materialov sta doktorirali dve mladi raziskovalki, dve pa na tematikah v povezavi s tem projektom še delata.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
