Projekti / Programi
Napredni materiali za nizkoogljično in trajnostno družbo
01. januar 2015
- 31. december 2021
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.00 |
Tehnika |
Materiali |
|
| 1.04.00 |
Naravoslovje |
Kemija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T152 |
Tehnološke vede |
Kompozitni materiali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
napredni materiali, obnovljiva energija, nizkoogljičnost, solarne tehnologije, spektralno selektivni premazi, ionske tekočine, baterije, gorivne celice, elektrokataliza, korozijska zaščita, fotoelektrokataliza, implantati, materiali za biomedicino
Raziskovalci (83)
Organizacije (3)
Povzetek
Program se osredotoča na sintezo, karakterizacijo, razumevanje in praktično uporabo novih materialov za trajnostni razvoj. Poudarek je na materialih, katerih uporaba vodi do zmanjševanja človekovega škodljivega vpliva na okolje ter materialih, ki izboljšujejo kvaliteto človekovega življenja. Primer prvega sklopa so materiali za uporabo v nizkoogljičnih (nefosilnih) virih energije, primer drugega materiali za zdravje ipd. Materiali, ki bodo dosegali izjemno visoke zahteve naprednih trajnostnih tehnologij, bodo morali izpolnjevati vsaj naslednje kriterije: a) multifunkcionalnost, b) stabilnost skozi ves čas uporabe, c) varnost, d) okoljsko sprejemljivost. Vsi ti kriteriji so tesno povezani z nanoarhitekturo (praviloma sestavljeno iz več faz). Dobro definirane nanoarhitekture bomo kreirali Končni cilj, torej dobro definirane nanoarhitekture, ki bodo prevladovale v celotnem makroskopskem materilu, bomo dosegli s sintezo na atomskem ali molekularnem nivoju, podrobnim razumevanjem korelacije med sestavo nanofaz, nanostrukturo in makroskopskimi lastnostmi materiala ter razumevanjem in obvladovanjem degradacijskih procesov med uporabo takšnih materialov. Eksperimentalne metode bomo sistematično nadgrajevali s teoretičnimi spoznanji. Omenjene principe bomo uporabili na več sklopih materialov s področja naprednih materialov za trajnostni razvoj: A) premazih oziroma tehnologijah za izkoriščanje sončne energije, B) materialih za shranjevanje energije (litij-ionske, žveplove in magnezijeve), C) materialih za konverzijo energije (elektrokatalizatorje za gorivne celice), D) površinah materialov s povečano stabilnostjo in E) materialih za boljše zdravje ter čistejše okolje. Programska skupina razpolaga z najsodobnejšo opremo za karakterizacijo materialov z vseh aspektov. Prav tako so v programsko skupino vključeni strokovnjaki, ki obvladajo ab-initio modeliranje, pa tudi modeliranje na kontinuum nivoju in lahko dodatno prispevajo k razumevanju lastnosti pripravljenih multifaznih nanostruktur. Kombiniranje modeliranja z modelskimi eksperimenti, ki je bilo podlaga za pomembne preboje že v preteklosti, bo tudi vnaprej ena od najpomembnejših usmeritev pri bazičnih raziskavah. Visok nivo raziskav bomo vzdrževali z intenzivnim sodelovanjem z najuglednejšimi raziskovalnimi inštitucijami po svetu. Nadalje bo program veliko pozornost namenjal vzgoji mlajših kadrov pa tudi izpopolnjevanju kadrov, ki prihajajo iz gospodarstva. Uporabne rezultate bomo tako kot doslej prenašali v gospodarstvo – bodisi v Sloveniji ali pa na mednarodnem nivoju.
Pomen za razvoj znanosti
Predpogoj za pripravo materialov z boljšo funkcionalnostjo (oziroma multifunkcionalnostjo), z višjo stopnjo zanesljivosti ter izboljšano trajnostjo je obvladovanje arhitekture materialov na nanoskopskem nivoju. V zadnjih letih smo bili priča zelo velikemu napredku pri izdelavi dobro definiranih nanoarhitektur, in to pri zelo različnih tipih materialov, vključno na področjih, ki jih zajema naš program: materiali za energetski sektor, materiali za zdravje in drugi napredni materiali za trajnostni razvoj. Vendar je pri tem treba poudariti, da nanoarhitekturo zaenkrat obvladujemo le na zelo majhnih velikostnih skalah, denimo v primeru posamičnih nanobjektov, medfaz ali površin zelo reda velikosti nekaj kvadratnih mikrometrov ter kompozitov, ki imajo zelo majhen volumen. Če želimo storiti korak naprej, je nujno razširiti značilnosti »idealne nanoarhitekture« na makroskopske dimenzije. Za to pa potrebujemo nove sintezne pristope, izboljšati moramo razumevanje procesov, ki se dogajajo med sintezo in poglobiti znanje o interakcijah med različnimi fazami/elementi, ki sestavljajo nanoarhitekuro.
Vsi navedeni aspekti so sistematično vsebovani v pričujočem načrtu programskih aktivnosti. Na primer na področju sinteze že nekaj let sistematično uporabljamo nove pristope, kjer potek reakcij spremljamo z uporabo različnih in situ tehnik. Podobno uporabljamo različne kombinacije tehnik za spremljanje obnašanja materialov v določenem časovnem obdobju oziroma za spremljanje njihove funkcionalnosti pri različnih zunanjih pogojih. Ob tem smo že uvedli več novih ex- oziroma in-situ tehnik za spremljanje strukturnih, morfoloških in kompozicijskih sprememb. V vseh navedenih primerih pogosto uporabimo tudi različne računske metode (od atomističnega do kontinuum nivoja). Na osnovi takšnega pristopa smo že objavili več člankov v najprestižnejših revijah, kot so Nature Materials, Angewandte Chemie, Advanced Material, JACS, Physical Review Letters, ACS Nano ipd.
Pričakujemo, da bomo v nadaljevanju programskih aktivnosti prišli do pomembnih novih spoznanj na podoben način kot v dosedanjem obdobju. Ocenjujemo, da bomo izumili vsaj 5 popolnoma novih materialov, do 15 materialov z izboljšano funkcionalnostjo ter dobili nov vpogled v vsaj 10 mehanizmov oziroma naravnih zakonov, ki so povezani z lastnostmi nanostrukturiranih materialov.
Visoke standarde raziskav bomo, med drugim, vzdrževali tudi tako, da bomo še naprej sodelovali z najuglednejšimi raziskovalnimi inštitucijami v Evropi, kot so 3 Max-Planck inštituti (Sttuttgart, Potsdam, Dusseldorf), Univerza v Uppsali, Frauenhofer inštitut, CEA in CNRS v Franciji, TU Delft pa tudi drugimi iništituti po svetu (predvsem Argonne National Lab, Chicago). Sodelovanje bo obsegalo vse aspekte, od živahne izmenjave študentov (v obe smeri) do udeležbi v večjih ali pa bilateralnih projektih ter nenazadnje tudi v novih oblikah sodelovanja, ki ga uvaja EU (Teaming, Twinning ipd.).
Osnovna znanja bodo, tako kot doslej, redno prehajala v izbrane industrijsko pomembne aplikacije, bodisi v Sloveniji ali pa v mednarodnem prostoru. Trenutno imamo 6 večjih neposrednih pogodb z industrijo, s 13 partnerji pa sodelujemo pri manjših raziskavah tekoče problematike, povezane z obstoječimi industrijskimi izdelki.
Pomen za razvoj Slovenije
Program se osredotoča na robne tekoče probleme v znanosti o materialih. Še posebej se osredotoča na največje izzive na področju obnovljivih virov oziroma nizkoogljičnih tehnologij. V programske aktivnosti smo že doslej uspešno vključevali različne industrijske partnerje s tega področja: Mebius, Inea, Domel, TEŠ, Petrol, Holding slovenske elektrarne, Silkem, Cinkarna, Iskra sistemi in še nekatere druge predvsem s področja avtomobilske industrije. Kemijski inštitut pravzaprav že 4 leta koordinira konzorcij, v katerega so vključena omenjena podjetja (Center odličnosti nizkoogljične tehnologije, CO NOT). Znotraj konzorcija so programske aktivnosti že doživele nekatere tržne aplikacije (v točki 14 podajamo seznam patentov, poročil ter nagrad na to temo). Ocenjujemo, da bomo v naslednjih letih z uveljavitvijo nizkoogljičnih in ostalih obnovljivih tehnologij pri omenjenem prenosu še uspešnejši. Naš cilj je, da vsaj nekateri partnerji postanejo vodilni v izbranih nišah s področja naprednih obnovljivih tehnologij.
Poleg litijevih in vodikovih tehnologij s slovenskimi partnerji razvijamo tudi materiale za barve (Helios, Jub), materiale za prirejeno sproščanje zdravil (Lek), na področju implantatov sodelujemo celo z eno od slovenskih bolnšnic (Valdoltra).
Nadalje se program izrazito posveča tudi vzgoji mladih inženirjev in raziskovalcev. Čeprav niti Kemijski inštitut niti IJS nista izobraževalni ustanovi, je v programske aktivnosti nenehno vključenih med 20 in 25 mladih raziskovalcev pa tudi raziskovalcev iz industrije/gospodarstva. Diplome jim ob koncu študija podelijo naši partnerji (Univerza v Ljubljani, MPŠ, UNG ipd).
Nenazadnje je potrebno omeniti naše intenzivno vključevanje v raziskave v evropskem prostoru. Vključeni smo v številne projekte, skrbimo za redno izmenjavo študentov med našimi inštitucijami in tujino, v program vključujemo sodelavce iz industrijskih razvojnih oddelkov.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2015,
vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2015,
vmesno poročilo
