Projekti / Programi
Študij strukture in kemijske sestave površin in ploskev z visokoločljivostno vrstično presevno elektronsko mikroskopijo na atomskem nivoju
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.00 |
Tehnika |
Materiali |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P351 |
Naravoslovno-matematične vede |
Strukturna kemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.10 |
Tehniške in tehnološke vede |
Nanotehnologija |
AR-STEM, presevna elektronska mikroskopija na atomskem nivoju, struktura površin in ploskev, kristalna struktura, mikroanaliza, energijska spektroskopija rentgenskih žarkov, spektroskopija izgub energije elektronov, gorivne celice, katalizatorji, fotokataliza
Raziskovalci (9)
Organizacije (2)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
20.982 |
| 2. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
90.706 |
Povzetek
Razvoj sodobnih tehnologij in področij, ki so zajeta v idejo trajnostnega razvoja, kot so obnovljivi viri energije, čiščenje in obdelava pitne in odpadne vode, nizkoogljične tehnologije, itd. zahteva istočasen razvoj in raziskave novih materialov. Pri študiju lastnosti teh materialov se izkaže, da imajo večkrat odločilen vpliv kemijska in kristalna sestava na zelo majhnih področjih, mnogokrat tudi na nivoju razporeditve posameznih atomov. V zadnjih desetletjih je vzporedno z razvojem novih materialov zato opazen tudi hiter razvoj naprav in metod, ki omogočajo opazovanje snovi na nanometerskih področjih, celo na atomskem nivoju. Kot vrhunski primer tovrstnega razvoja je vrstični presevni elektronski mikroskop s korektorjem sferičnih napak (AR-STEM), ki omogoča atomsko ločljivost.
S to, izredno kompleksno napravo lahko na posebej pripravljenem vzorcu opazujemo razporeditev posameznih skupin atomov, v določenih primerih tudi posamične atome. Iz razporeditve atomov lahko ugotovimo kristalno strukturo, s pomočjo spektroskopskih metod, kot sta energijska spektroskopija rentgenskih žarkov (EDXS) in spektroskopija energijskih izgub elektronov (EELS) pa določimo vrsto in količino atomov, njihovo lokalno vezavo, koordinacijo in valenčno stanje. S pomočjo vseh teh podatkov lahko skoraj v popolnosti opišemo strukturo nanodelcev, kristalnih mej in dvodimenzionalnih defektov, ipd. S pomočjo opazovanja vzorca pri različnih kotih, s tako imenovano tomografijo, lahko določimo tridimenzionalno obliko in sestavo delcev oziroma makromolekul in s tem ugotovimo njihovo strukturo. S posebnimi »in-situ« tehnikami in dodatki lahko znotraj mikroskopa vzorec segrevamo oziroma hladimo, ga mehansko obremenjujemo in merimo njegove mehanske in električne lastnosti pri različnih prednapetostih. V projektu bomo raziskali nekaj tehnološko zanimivih materialov, pri katerih so lastnosti odvisne od strukture in kemijske sestave površinskih plasti oziroma notranjih ploskev in ploskovnih napak.
Osredotočili se bomo na različne aktualne probleme pri razvoju alternativnih oblik pridobivanja, skladiščenja in uporabe energije, kot npr. na razporeditev atomov platine v zunanjih slojih nanodelcev Cu3Pt katalizatorjev, ki se uporabljajo v gorivnih celicah na osnovi polimerne membrane. Podoben primer je vpliv 1 – 2 nm debele amorfne plasti na površini anataznih in rutilnih nanodelcev na njihove fotokatalitske lastnosti. S podrobno analizo površine nanodelcev in s korelacijo pogojev priprave in končnih lastnosti bomo skušali ugotoviti sestavo amorfne faze in njeno optimalno debelino. S poznavanjem teh parametrov bomo lahko izboljšali fotokatalitske lastnosti, kar bo zelo zanimivo za slovensko industrijo (npr. Cinkarno Celje), ki zadnjih nekaj let proizvaja fotokatalitske dodatke in premaze na osnovi anataznih nanodelcev. Naslednji primer je struktura ploskovnih napak v ZnO, ki je zaradi svojih lastnosti komercialno zanimiv material, saj se uporablja kot polnilo pri polimernih materialih in kot absorber za UV svetlobo. Kaže tudi fotokatalitske lastnosti in je potencialen material za uporabo v optoelektričnih napravah, sončnih celicah, varistorjih, itd. Nenazadnje bomo študirali strukturo ploskovnih defektov in mej kot so napake zloga, feroelektrične domene, koherentne fazne meje v sodobnih materialih, kot so različni kobaltati pri visokotemperaturnih termoelektrikih, dopirani bizmutovi feritih, itd.
Pričakujemo, da bodo rezultati dela na projektu zanimivi za širši krog strokovne javnosti in s tem objavljivi v revijah zgornjega razreda. Ker bo uporabljena vrhunska oprema, ki je v svetu še vedno redkost, bo mogoče z uporabo direktnega opazovanja položajev posameznih atomov v različnih strukturah razložiti procese, ki nastopajo med pripravo materialov, kot tudi razumeti povezavo med mikrostrukturo in posameznimi lastnostmi. Rezultati projekta bodo imeli tudi močan vpliv tudi na industrijo in proizvajalce določenih sodobnih materialov.
Pomen za razvoj znanosti
Osnovna ideja projekta je bila podrobna študija strukture in kemijske sestave modelnih primerov na atomski ravni, kar omogoča vrhunski vrstični presevni elektronski mikroskop s korektorjem sferičnih napak (ARSTEM). Predlagani materiali, smo jih raziskovali so komercialno zanimivi in umeščeni v širši kontekst brezogljične trajnostne družbe. Prvi primer takega materiala so katalizatorji na osnovi bakra-platine. Ti katalizatorji so namenjeni za nizkotemperaturne gorivne celice, ki bi lahko bile osnova mobilnosti z ničnimi izpusti ogljikovega dioksida (v primeru, ko bi kot gorivo uporabljali vodik). Osnovno vodilo razvoja katalizatorjev za gorivne celice je znižanje cene (torej čim manjši delež platine) in povečanje učinkovitost ter stabilnost. V sistemu Cu3Pt, ki je celo bolj učinkovit kot sama platina bistveno vpliva na lastnosti kristalna struktura (urejenost), kemijska sestava (porazdelitev Pt in Cu v katalizatorskih nanodelcih) in prisotnost kristalnih defektov. S študijem mikrosktrukture na atomskem nivoju smo povezali procesne parametre pri sintezi materialov preko strukture in kemije na atomski ravni s končnimi lastnostmi. Pri delu smo odkrili, da povečano število lamelarnih (polisintetskih) dvojčkov pozitivno vpliva na lastnosti. Pri podrobni analizi teh dvojčkov smo prišli na idejo, da bi lahko normalizirano intenziteto posameznih kolon na HAADF slikah uporabili za določanje kemijske sestave posameznih kolon atomov. Podoben pristop v literaturi ni bil poznan, bilo je poročano zgolj o kvali ali semi-kvantitativnih pristopih oziroma o ocenitvi števila atomov v nanodelcih na osnovi intenzitete kolon. To metodo smo razširili na področje izoliranih atomov na oljikovih podlagah in določanja točkastih defektov (kationski vrzeli) v keramičnih multiferoikih. Z novo metodo za določanja kemijske sestave na osnovi intenzitet posameznih atomskih kolon smo dokazali in tudi kvantizirali delež bizmutovih vrzeli na domenskih stenah v BiFeO3. Paralelno smo dopolnili metodo določanja valenčnega stanja železa, ko je v 4+ stanju. V tem primeru niso uporabne običajne, v literaturi opisane metode. Z odkritjem, da se na domenski steni nahajajo bizmutove vrzeli in železo 4+ smo lahko razvozlali že desetletje staro uganko, zakaj domenske stene bolj prevajajo kot pa okolica. Delo smo objavili v prestižni reviji Nature Materials. Članek je imel velik odmev v širši raziskovalni skupnosti, kar se je odrazilo v velikem številu vabljenih predavanj, Web of Science pa je to delo uvrstil v kategorijo "Higly Cited", kar pomeni da je v zgornjem 1% citiranih del s področja znanosti o materialih (september/oktober 2017). Zanimivo je tudi to, da je delo v celoti nastalo v Sloveniji, od odkritja metode, ki je omogočila dokazovanje prisotnosti nabitih defektov na meji, preko eksperimentalnega dela, analize na atomskem nivoju pa do razlage mehanizma prevajanja. V projektu smo preiskovali tudi nanodelce, tanke filme in keramiko na osnovi cinkovega oksida. Ponovno smo povezali pripravo (pravzaprav prisotnost določenih nečistoč) in strukturne nepravilnosti in posledično spremembo lastnosti. Podobno smo tudi pri raziskovanju titanovega dioksida in njegovih fotokatalitskih lastnosti povezli obliko, strukturo in vrsto terminalnih ravnin s končnimi lastnostmi.
Pomen za razvoj Slovenije
Področje projekta je usklajeno s prioritetami nacionalnega raziskovalnega programa Republike Slovenije, kot so energija, nanomateriali in nanotehnologije ter ekologija in kvaliteta okolja (zemlja, voda, zrak). Ta področja so še posebno pomembna za Slovenijo in zahtevajo razširitev znanja ter znanstvene in ekonomske učinkovitosti. Skupna značilnost vseh materialov, ki smo jih raziskovali znotraj projekta je tudi trajnostni razvoj, brezogljične tehnologije in sodobno pridobivanje oziroma izraba energije. Katalizator za gorivne celice naj bi omogočil visoko učinkovito proizvodnjo električne energije in v primeru, da bi kot vhodna surovina bil vodik, bi tak generator imel ničelni ogljikov odtis. ZnO je zanimiv material zaradi svojih električnih in optičnih lastnosti. Z različnimi dodatki lahko v kristalni strukturi cinkovega oksida induciramo nastanek posebnih ploskovnih defektov – inverznih mej, ki imajo velik vpliv na rast kristalov in zrn v keramičnih materialih in s tem na električne lastnosti. S krojenjem oblike in kristalne strukture nanodelcev TiO2, lahko dosežemo izboljšanje fotokatalitskih lastnosti tega materiala. Fotokataliza in z njo povezani samočistilni sistemi in površine so namreč v zadnjem času ena od zelo pomembnih smeri pri trajnostnem razvoju. Rezultati, dobljeni pri raziskovalnem delu znotraj projekta so zelo zanimivi za industrijo, ki se že dolgo ukvarja s proizvodnjo tovrstnih materialov. Delo na fotokatalizi titanovega dioksida bi bilo zanimivo za enega največjih evropskih proizvajalcev pigmentnega TiO2 in v zadnjem času tudi nano-TiO2, to je Cinkarna Celje. Inducirani defekti v cinkovem oksidu so mogoče zanimivi za podjetje Varsi, ki že desetletja proizvaja varistorje na osnovi cinkovega oksida, v katerih igrajo ti defekti odločilno vlogo pri končnih lastnostih. S krojenjem teh lastnosti bi lahko bistveno izboljšali kvaliteto izdelkov in vpeljali nove. Podjetje Mebius, ki se ukvarja z razvojem in proizvodnjo gorivnih celic je lahko končni uporabnik novih izsledkov s področja katalizatorjev na osnovi Cu3Pt.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2015,
zaključno poročilo
