Projekti / Programi
Sodobni magnetni in večnamenski materiali
01. januar 2015
- 31. december 2019
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.00 |
Tehnika |
Materiali |
|
| 1.04.00 |
Naravoslovje |
Kemija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T153 |
Tehnološke vede |
Keramični materiali in praški |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
Sinteza, nanodelci, nanokompoziti, kompozitni nanodelci, kompleksni materiali, površinska funkcionalizacija, samourejanje / usmerjeno urejanje, magnetni, fluorescentni, večnamenski, biomedicinske uporabe, zdravljenje raka, hipertermija, fotonika, kataliza, polprevodne keramike.
Raziskovalci (13)
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
90.742 |
Povzetek
Programa je usmerjen v razvoj znanja za obvladovanje sinteze novih, kompleksnih nanomaterialov in znanja potrebnega za njihovo uporabo v biomedicini in tehniki, predvsem v biotehnologiji, kemijski tehnologiji, okoljskih tehnologijah in na področju ICT. Že v preteklem programu »Sodobni anorganski magnetni in polprevodni materiali« smo prešli iz raziskav keramik na področje nanotehnologije. V ospredju je bilo obvladovanje površinskih lastnosti nanodelcev (ND), ki omogoča njihovo uporabo v medicini ter njihovo sintezo v različne nanokompozitne materiale. V prihodnjem obdobju bomo nadaljevali začrtano pot v smeri sinteze kompleksnih nanomaterialov, zato smo naslov programa dopolnili v »Sodobni magnetni in večnamenski materiali«. Pri sintezi ND se bo pozornost iz magnetnih preusmerila še na druge, predvsem fluorescentne materiale. Za uporabo ND in njihovo sintezo v nanokompozite je ključno obvladovanje njihovih površinskih lastnosti z vezavo molekul na njihovo površino, t.i. funkcionalizacijo. Raziskave funkcionalizacije bodo usmerjene v vpliv površinskih lastnosti ND na njihovo obnašanje v bioloških sistemih in razvoj površinskih plasti optimiziranih za medicinsko uporabo. Poleg superparamagnetnih (SPM) ND bomo razvijali fluorescentne ND, halogenide in halkogenide, dopirane z redkimi zemljami. Pozornost bo na možnosti vzbujanja v bližnjem IR področju, ki omogoča globlje prodiranje svetlobe v tkivo, stabilnosti ND in izkoriščanju njihovega kontroliranega razpada za nov pristop k zdravljenju raka. S procesiranjem ND v suspenzijah bomo sintetizirali SPM nanoskupke (NS) in kompozitne ND. SPM NS so idealni za magnetno separacijo, ki je temelj novim tehnologijam od detekcije specifičnih molekul/celic do čiščenja težkih kovin iz vode. Z vezavo (bio)katalizatorjev na SPM NS omogočimo njihovo magnetno izločanje in tudi kontrolo samih kemijskih reakcij z našim izvirnim pristopom, ki temelji na lokalnem gretju katalizatorja ter usmerjanju transporta v reakcijski zmesi z magnetnim poljem. S suspendiranjem SPM NS ali ploščatih heksaferitnih ND v različne tekočine bomo razvili nove materiale za razvoj povsem novih tehnologij na področju fotonike in magneto-reologije. Z magnetnim poljem lahko, na primer, spreminjamo periodičnost strukture, ki se vzpostavi v suspenziji SPM NS in s tem valovno dolžino sipane svetlobe, kar je lahko osnova za razvoj novih prikazovalnikov, magnetno-nastavljivih uklonskih elementov in senzorjev. Pri raziskavah nanokompozitov bodo v ospredju kompozitni ND, v katerih so sklopljene različne magnetne lastnosti predvsem za uporabo v zdravljenju raka ali magnetne in feroelektrične lastnosti za nove magneto-elektrike. Med monolitnimi nanokompoziti bodo v ospredju kompoziti, ki imajo v optično prozornih, trdnih matricah dispergirane magnetne ND za magneto-optične uporabe ali fluorescentne ND za fotonske materiale. Predvsem v podporo industriji, pa ohranjamo raziskave polprevodnih keramik s pozitivnim temperaturnim koeficientom upornosti.
Pomen za razvoj znanosti
Pogosto je prav možnost priprave 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. Taka primer je sinteza ogljikovih nanocevk z določeno kiralnostjo, ki nedvomno omejuje razvoj nanoelektronike, ali pa prava eksplozije novih raziskav in izdelkov po odkritju sinteze grafena s preprosto razplastitvijo grafita. Znan je tudi primer feromagnetnih tekočih kristalov, katerih obstoj sta Brochard in de Gennes napovedala že pred več kot štirimi desetletji, vendar pa je šele naš razvoj sinteze magnetnih nanoploščic Ba-heksaferita omogočila prvi eksperimentalni dokaz njune teorije in bo, kar je še pomembneje, lahko omogočila nadaljnji znanstveni razvoj na področju in razvoj povsem novih tehnologij.
Program je usmerjen v sintezo novih, kompleksnih nanomaterialov. Specifične magnetne, električne, optične in kemijske lastnosti nanodelcev, kot osnovnih gradnikov nanokompozitov, lahko privedejo ob specifični hierarhični ali periodični strukturiranosti nanokompozitov in sklopitvi med različnimi lastnostmi v nanokompozitu do povsem novih lastnosti, ki so lahko temelj, tako za razvoj novih področji znanosti in tehnologije, kot za razvoj novih izdelkov in storitev. Izpostavimo naj naše originalne pristope k teranostiki raka, ki jih bo omogočil razvoj novih fluorescentnih in magnetnih nanodelcev. Z razvojem organskih prevlek, katerih vodotesnost bomo lahko kontrolirali z zunanjim impulzom (magnetno polje, NIR laser) bomo lahko omogočili kontroliran razpad nanodelcev za zdravljenje. Gre za originalen pristop, ki do sedaj še ni bil uporabljen. Razlikuje se ob uveljavljenega pristopa fotodinamične terapije, pri kateri izkoriščamo za uničenje rakavih celic strupene radikale, ki se tvorijo na površini nanodelcev pod vplivom laserskega obsevanja določene valovne dolžine. Z razvojem novih magnetnih nanoploščic z velikim magnetnim momentom bomo omogočili razvoj metode, ki temelji na zdravljenju raka s prenosom magnetne sile na rakave celice za njihovo mehansko uničenje, v kombinaciji z magnetno hipertermijo. Gre za nov pristop pri zdravljenju raka, ki lahko spodbudi raziskave v povsem novi smeri uporabe anizotropnih magnetnih nanodelcev tudi na drugih področjih medicine, na primer, v uporabah temelječih na magnetnem usmerjanju.
Vezava (bio)katalizatorjev na superparamagnetne nanoskupke bo omogočila povsem nov pristop k katalizi, ki bo osnovana na posredni kontroli (bio)kemijskih reakcij z magnetnim poljem. Osnova za te povsem izvirne raziskave je sinteza ustreznih magnetnih, katalitskih materialov, njihov vpliv pa bo pomemben na širokem področju kemijske tehnologije, biotehnologije, kemijskega inženirstva in okoljskih tehnologij.
Sinteza stabilnih suspenzij superparamagnetnih nanoskupkov z ozko porazdelitvijo velikosti bo omogočila nove pristope k kontroli optičnih lastnosti (magneto-optika) in s tem nove smeri razvoja fotonike. Po originalnem sinteznem postopku smo kot druga skupina na svetu (prvi so bili raziskovalci pod vodstvom Yadong Yin-a s Kalifornijske univerze) že uspeli sintetizirati take magneto-optične suspenzije, pri čemer pa naša metoda omogoča mnogo lažjo proizvodnjo večjih količin. Raziskave uporabe naših materialov na različnih področjih fotonike bodo tako lahko imele zelo velik odziv v raziskovalni sferi. Razen v fotoniki so suspenzije zelo zanimive tudi za uporabe povezane z njihovim magneto-reološkim učinkom. Ta je posebno velik, če nanskupke med seboj povežemo v verižne aglomerate kontrolirane dolžine. Ta pristop je originalen in lahko pomembno pospeši raziskave na področju magneto-reologije, ki so se zaradi pomanjkanja novih materialov zreducirale predvsem na teoretične študije, kljub velikem tehnološkem potecialu.
Naše raziskave na področju sinteze,
Pomen za razvoj Slovenije
Glavnina raziskav je 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 firmami, 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 že sodelujemo s tovarno Cinkarna Celje. Z raziskavami se tako tvorno vključujemo 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. Na področju magnetne separacije mikroorganizmov se že vključujemo v razvoj novih pristopov v vinarstvu in pivovarstvu, v prihodnje želimo tematiko razvoja razširiti še na druge uporabe, na primer v mlekarstvu in proizvodnji sokov. Podobno bo znanje o novih fluorescentnih nanodelcih za uporabo v medicini praktično izkoriščeno na področju tehnologije, na primer za razvoj fluorescentnih optičnih vlaken za senzoriko, kjer tesno sodelujemo s tovarno Optacore. Del naših raziskav je posvečen raziskavam keramik s pozitivnim temperaturnim koeficientom upornosti (PTKU), kjer že dolgo sodelujemo s tovarno Stelem. PTKU materiale lahko pripravimo tudi z dispergiranjem prevodnih nanodelcev v izolatorsko matrico, na primer polimer. Taki materiali bi se lahko uporabljali za cenene grelce, ki ne potrebujejo regulacije temperature, saj se ta uravnava na osnovi učinka PTKU. Taki materiali so zanimivi za slovensko industrijo polimerov, kot je na primer tovarna Akripol, s katero smo v preteklosti že sodelovali.
Da bi še pospešili prehod rezultatov naših raziskav v praktično uporabo smo pred kratkim 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 program s svojo tematiko orje 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 s tremi habilitiranimi visokošolskimi učitelji prispeva k dvigu pedagoške ravni. Člani programa se vključujemo v pedagoški proces na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerzi v Mariboru (predmet: Kemija nanomaterialov), Medicinski fakulteti Univerze v Mariboru (Nanodelci v medicini) in Mednarodni podiplomski šoli Jožefa Stefana (Fizikalno-kemijske lastnosti nanodelcev). Nanomateriale sintetizirane v okviru programa uporabljajo v raziskavah številne druge slovenske raziskovalne skupine, predvsem s področja biologije, nanotoksikologije, fizike, elektrotehnike in biotehnologije. Sodelujemo celo pri razvoju nove likovno umetniške tehnike v sodelovanju z Likovno akademijo Univerze v Ljubljani, ki temelji na manipulaciji s suspenzijo magnetnih nanodelcev v m
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2015,
vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2015,
vmesno poročilo,
zaključno poročilo
