Wykorzystanie nanotechnologii w nowoczesnych materiałach

Transkrypt

1 Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego Wykorzystanie nanotechnologii w nowoczesnych materiałach

2 Wrocławskie Centrum Badań EIT+ Sp. z o.o. Adres: ul. Stabłowicka 147/149, Wrocław, Polska tel , fax biuro@eitplus.pl,

3

4 Wrocławskie Centrum Badań EIT+ jest przedsięwzięciem integrującym potencjał naukowo-badawczy dolnośląskiego środowiska akademickiego. Celem strategicznym Spółki jest organizowanie i prowadzenie interdyscyplinarnych prac badawczych w zakresie biotechnologii, technologii medycznych, czystej energetyki, teleinformatyki, nanotechnologii oraz zaawansowanych materiałów. Pracom tym towarzyszą działania ukierunkowane na komercjalizację uzyskanych wyników. Ważnymi celami Spółki są zaawansowane formy edukacji studentów i doktorantów oraz kształcenie kadry dla transferu nowych technologii do przemysłu. Spółka analizując prognozy rozwoju rynku nowoczesnych technologii koncentruje badania oraz komercjalizuje wyniki w wybranych obszarach. We Wrocławiu został zainicjowany kompleksowy program wspierania innowacyjności oraz budowy konkurencyjnej Gospodarki Opartej na Wiedzy pod nazwą EIT+. Kluczowym elementem tego programu jest przygotowanie Miasta i Regionu do lokalizacji we Wrocławiu jednej ze Wspólnot Wiedzy i Innowacji Europejskiego Instytutu Innowacji i Technologii (EIT). W celu efektywnej realizacji programu EIT+ powołano w 2007 roku wyspecjalizowaną spółkę prawa handlowego pod nazwą Wrocławskie Centrum Badań EIT+. Udziałowcami Spółki są: Gmina Wrocław, Województwo Dolnośląskie oraz pięć wrocławskich uczelni: Politechnika Wrocławska, Uniwersytet Wrocławski, Akademia Medyczna, Uniwersytet Przyrodniczy i Uniwersytet Ekonomiczny. Wrocławskie Centrum Badań EIT+ jest odpowiedzialne za realizację projektu pod nazwą Dolnośląskie Centrum Materiałów i Biomateriałów DolBioMat, którego celem jest budowa i wyposażenie kampusu naukowo-technologicznego we wrocławskiej dzielnicy Pracze Odrzańskie. W ramach projektu powstanie sieć nowoczesnych, prezentujących światowy poziom laboratoriów badawczych, zlokalizowanych w kampusie Pracze oraz na wrocławskich uczelniach. Inicjatywa ta warta ponad 500 mln złotych służyć będzie integracji środowiska akademickiego oraz stanowić będzie ofertę dla lokalizacji we Wrocławiu Wspólnoty Wiedzy i Innowacji EIT. Wrocławskie Centrum Badań EIT+ do końca 2014 roku zrealizuje dwa duże projekty badawcze warte ponad 200 mln złotych finansowane z Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka. W obszarze biotechnologii i technologii medycznych realizowany jest projekt Biotechnologie i zaawansowane technologie medyczne BioMed. W strategicznym obszarze nanotechnologii i zaawansowanych materiałów Spółka realizuje projekt Wykorzystanie nanotechnologii w nowoczesnych materiałach NanoMat. W jego ramach przewiduje się prowadzenie badań naukowych, prac rozwojowych oraz wzmocnienie współpracy z innowacyjnymi podmiotami gospodarczymi. Przeprowadzone prace pozwolą na zastosowanie badanych materiałów w technice, medycynie i ochronie środowiska.

5 Wykorzystanie nanotechnologii w nowoczesnych materiałach NanoMat W ramach projektu NanoMat zrealizowanych zostanie dziewięć zadań badawczych: 1. Materiały i nanomateriały dla fotoniki, mikro- i nanoelektroniki oraz sensorów 2. Światłowodowe struktury fotoniczne do zastosowania w metrologii i telekomunikacji 3. Funkcjonalne materiały polimerowe 4. Nanokompozyty i materiały typu SMART 5. Pierwiastki rzadkie ich związki jako materiały wyjściowe do zastosowań w elektronice, fotonice i sensoryce 6. Materiały i technologie dla zaawansowanych systemów magazynowania i konwersji energii 7. Technologie generatywne dla wytwarzania wyrobów zindywidualizowanych i seryjnych 8. Technologie związane z mikroobróbką laserową i ich zastosowania 9. Nanomateriały wytwarzane technologią zol-żel przeznaczone do zastosowań medycznych i czujnikowych Wybrane cele projektu: opracowanie technologii wytwarzania nanostruktur półprzewodnikowych grupy w AIIIBV-N do konstrukcji systemów emiterów promieniowania oraz czujników gazów i płomienia do zastosowań w medycynie, optoelektronice, ochronie środowiska i dziedzinie bezpieczeństwa pracy, opracowanie innowacyjnych technologii wytwarzania światłowodów fotonicznych o ulepszonych właściwościach transmisyjnych do zastosowań w optyce nieliniowej i laserowej oraz metrologii i telekomunikacji,

6 powszechne wykorzystanie różnych form materiałów funkcjonalnych: nanowarstw polimerowych, nanosfer oraz materiałów hybrydowych zbudowanych z nanosfer rozproszonych w matrycy polimerowej, wytwarzanie nanokompozytów polimerowych i materiałów magnetycznych typu Smart w skali nano- i mikrometrycznej i ich zastosowanie w medycynie, telekomunikacji, elektrotechnice, optoelektronice i bioinżynierii, opracowanie nanokompozytowych materiałów magnetycznie twardych na bazie surowców krajowych, opracowanie ultrananoporowatego materiału węglowego o zdolności magazynowania wodoru na poziomie wymaganym dla praktycznego zastosowania, opracowanie generatywnych metod projektowania i wytwarzania wyrobów mikro- i nanotechnologicznych, opracowanie nowoczesnych technologii mikroobróbki laserowej ciał stałych, synteza nowych nanomateriałów wytwarzanych metodą zol-żel, opartych na ditlenku tytanu i krzemu, wykazujących właściwości fotokatalityczne i biologiczne, w tym bakteriostatyczne, mechaniczne, ochronne czy magnetyczne. Dane kontaktowe: Koordynator Programu Badawczego Prof. dr hab. inż. Jan Misiewicz jan.misiewicz@eitplus.pl Kierownik Portfela Projektów NanoMat Anna Szajdak anna.szajdak@eitplus.pl

7 Zadanie 1. Materiały i nanomateriały dla fotoniki, mikroi nanoelektroniki oraz sensorów Zadanie obejmuje wytwarzanie, charakteryzację i aplikację przyrządową złożonych nanostruktur do konstrukcji nowej generacji struktur fotonicznych i czujnikowych. W zakresie struktur półprzewodnikowych dotyczy to wytwarzania i zastosowania materiałów wieloskładnikowych (Ga,In,Al)(Sb,N) oraz (Al,In, Ga)N na różnych podłożach (również struktur niskowymiarowych jak studnie czy kropki kwantowe) przeznaczonych do zastosowań w konstrukcji czujników gazów, biosensorów oraz emiterów promieniowania. W zakresie materiałów nanokrystalicznych prace obejmują wytwarzanie nanokryształów luminescencyjnych o wysokiej wydajności emisji, niskim stopniu aglomeryzacji, a także zdolności tworzenia stabilnych roztworów koloidalnych oraz ich wykorzystanie jako nośników substancji bioaktywnych czy w optycznym zabezpieczeniu dokumentów. Równolegle zoptymalizowane zostaną techniki pomiarowe celem ich dostosowania do wydajnej, szybkiej i pełnej analizy nowego typu materiałów w zakresie zarówno tzw. charakteryzacji podstawowej koniecznej do bieżącej kontroli procesów technologicznych, jak i zaawansowanej, zorientowanej na badanie nowych własności fizycznych. Główne zadania technologiczne to: opracowanie technologii osadzania heterostruktur AIII-BV-N/podłoże, w tym z zastosowaniem techniki MBE, opracowanie technik niskotemperaturowego otrzymywania niezaglomeryzowanych nanokryształów materiałów tlenkowych domieszkowanych jonami lantanowców, opracowanie metod modyfikacji powierzchni nanokryształów luminescencyjnych grupami funkcyjnymi w procesie zol-żelowym, optymalizacja wydajności emisji nanoproszków luminoforów za pomocą modyfikowania morfologii pojedynczych cząstek oraz stężenia domieszek, opracowanie prototypowych urządzeń (demonstratorów) dla emiterów podczerwieni, czujników płomienia i gazów (organicznych i toksycznych) ze szczególnym uwzględnieniem układów pracujących w podwyższonych temperaturach.

8 Zadanie 2. Światłowodowe struktury fotoniczne do zastosowań w metrologii i telekomunikacji Zadanie poświęcone jest opracowaniu technologii wytwarzania światłowodów fotonicznych oraz konwencjonalnych światłowodów aktywnych (domieszkowanych pierwiastkami ziem rzadkich). Innym ważnym celem zadania jest wykorzystanie technologii do budowy laserów i wzmacniaczy światłowodowych, w tym przede wszystkim impulsowych laserów femtosekundowych oraz światłowodowych wzmacniaczy mocy znajdujących zastosowania w telekomunikacji i mikroobróbce laserowej. Główne zadania technologiczne to: opracowanie, wytworzenie i charakteryzację nowych typów światłowodów specjalnych o unikalnych właściwościach umożliwiających ich zastosowania w metrologii, optyce nieliniowej i laserowej, a także komunikacji optycznej, zbudowanie układów stabilizacji wzmacniaczy światłowodowych umożliwiające ich linearyzację i minimalizację stanów przejściowych, opracowanie optymalnych konstrukcji światłowodowych wzmacniaczy dużych mocy. Zadanie 3. Funkcjonalne materiały polimerowe Prace w zadaniu podzielone są na dwa etapy. W pierwszym z nich przeprowadzone zostanie rozpoznanie możliwości tworzenia specyficznych zero-, dwu- i trójwymiarowych nanomateriałów o określonych właściwościach. W drugim, technologicznym, określone zostaną warunki wytwarzania funkcjonalnych nanoobiektów polimerowych.

9 W przypadku nanosfer pracę będą się koncentrowały na opracowaniu założeń otrzymywania sfunkcjonalizowanych nośników polimerowych, które będzie można stosować jako komponenty przeciwnowotworowych leków o skierowanym działaniu. Planowane jest otrzymanie sfer nieorganicznych i organicznych, na powierzchni których osadzone zostaną warstwy polimerów funkcjonalnych spełniające rolę nośnika leku, jak i elementu umożliwiającego zakotwiczenia substancji rozpoznającej obszary nowotworowe. W przypadku nanowarstw prace będą ukierunkowane na opracowanie warunków nanoszenia warstw polimerów plazmowych oraz szczepienia na powierzchni szczotek polimerowych. W tym celu zastosowana będzie plazma niskotemperaturowa. Planowane jest otrzymanie separatorów stosowanych w ogniwach niklowo-kadmowych, niklowo-wodorkowych oraz litowo-wodorkowych, otrzymanie folii polimerowej z powierzchniami czułymi na bodźce zewnętrzne oraz nowej generacji membran polimerowych. W przypadku trójwymiarowych nanoobiektów polimerowych prace będą dotyczyły określenia unikatowych właściwości nanokompozytów oraz przygotowania założeń wstępnych do opracowania technologii ich uzyskiwania. Funkcjonalne materiały polimerowe będą stosowane do otrzymywania sensorów chemicznych, termicznych, mechanicznych oraz luminescencyjnych. Rozpoczęte zostaną prace nad tworzeniem polimerowych rusztów stosowanych w inżynierii tkankowej. Zadanie 4. Nanokompozyty i materiały typu SMART Zadanie podzielono na cztery obszary tematyczne: nanokompozyty polimerowo-cerramiczne, nanokompozyty i nanoceramika do zastosowań elektrotechnicznych, materiały magnetyczne typu SMART, polimery typu SMART w strukturach nanometrowych na powierzchniach stałych.

10 Celem pierwszego z nich jest wytworzenie, badania i optymalizacja właściwości oraz zastosowanie nowych nanonapełniaczy do różnych polimerów, w tym: termoplastów, żywic chemoutwardzalnych, lakierów oraz absorberów związków organicznych. Przy ich zastosowaniu powstaną polimerowe nanokompozyty o obniżonej palności, zwiększonej odporności na żar i polepszonych właściwościach barierowych. Badania obejmują także polimerowe nanokompozyty odznaczające się dobrymi właściwościami ferro- lub piezoelektrycznymi do zastosowań w czujnikach np. ciśnienia. Obszar nanokompozyty i nanoceramika do zastosowań elektrotechnicznych obejmuje wytworzenie polimerowych nanokompozytów przeznaczonych do produkcji wysokonapięciowych wyrobów izolacyjno-konstrukcyjnych, otrzymanie nanokompozytów ceramicznych do zastosowań elektrotechnicznych oraz opracowanie technologii wytwarzania nanokompozytowych lakierów elektroizolacyjnych. W ramach obszaru materiały magnetyczne typu SMART planuje się wytworzenie nowych rodzajów cieczy magneto- i ferroreologicznych oraz palety kompozytów z ich udziałem, jako kluczowych składników semiaktywnych tłumików w konstrukcjach militarnych i cywilnych, oraz inteligentnych nośników leków. Wytworzone zostaną nanoproszki ferromagnetyczne, z użyciem technologii zol-żel. Przewiduje się wykonanie nowych sensorów, tłumików i aktuatorów z wykorzystaniem magnetycznych materiałów typu SMART oraz wskazanie nowych aplikacji, głównie w obszarze konstrukcji mechanicznych. Celem ostatniego obszaru tematycznego jest otrzymanie funkcjonalizowanych polimerów typu SMART w strukturach nanometrowych na powierzchniach stałych, funkcjonalnych nanowarstw polimerowych oraz nośników do hodowli i wzrostu komórek neuronowych, otrzymywanych na materiałach polimerowych, na których uformowana została reliefowa siatka dyfrakcyjna.

11 Zadanie 5. Pierwiastki rzadkie i ich związki jako materiały wyjściowe do zastosowań w elektronice, fotonice i sensoryce Prace w ramach zadania dotyczyć będą wykorzystania pierwiastków ziem rzadkich (lantanowców) do wytwarzania zaawansowanych materiałów współczesnej inżynierii materiałowej. W szczególności dotyczy to badań technologicznych nad zastosowaniem lantanowców do produkcji magnesów stałych na bazie stopów neodym żelazo bor, nanokompozytowych proszków magnetycznych na bazie lantanowców, stopów międzymetalicznych pochłaniających wodór oraz detektorów i konwerterów promieniowania elektromagnetycznego dla cyfrowej diagnostyki medycznej i systemów zabezpieczania dokumentów i banknotów. Zadanie obejmuje dwa główne zagadnienia badawcze: współczesne technologie pozyskiwania i wykorzystania pierwiastków rzadkich, detektory i konwertery promieniowania elektromagnetycznego dla cyfrowej diagnostyki medycznej i systemów zabezpieczania dokumentów i banknotów. Jednym z celów zagadnienia 1 jest opracowanie technologii otrzymywania lantanowców i ich związków wysokiej czystości, które mogą być wykorzystane jako substancje wyjściowe do realizacji zagadnienia 2. Oczekuje się też, że wymienione wyżej materiały będą mogły być otrzymywane z krajowych surowców odpadowych zawierających lantanowce (zużyte baterie wodorkowe, odpady z hałdy w Wizowie), co jednocześnie przyczyni się do realizacji programu recyklingu odpadów. Pozostałe prace w ramach zagadnienia 1 (nowe technologie otrzymywania metali nieżelaznych i rzadkich metodami hydro- i biometalurgicznymi, nanowłókna ditlenku tytanu) realizowane będą w oparciu o lokalne zasoby i surowce dostępne na Dolnym Śląsku. W szczególności skupiono się na pierwiastkach i związkach, jakie mogą być wytwarzane w procesach przeróbki rud miedzi zagłębia lubińskiego lub odzyskiwane z odpadów tego przemysłu.

12 Zadanie 6. Materiały i technologie dla zaawansowanych systemów magazynowania i konwersji energii W ramach zadania prowadzone będą badania nad nowymi, bardziej efektywnymi materiałami dla wybranych procesów i systemów gromadzenia wodoru, magazynowania energii elektrycznej oraz konwersji energii w ogniwach paliwowych. Opracowanie efektywnych i bezpiecznych systemów magazynowania paliw gazowych oraz energii elektrycznej ma kluczowe znaczenie dla upowszechnienia alternatywnych źródeł zasilania pojazdów mechanicznych, agregatów prądotwórczych i urządzeń tzw. przenośnej elektroniki. Prace dotyczące gromadzenia wodoru prowadzone będą w kilku kierunkach: wysokociśnieniowych zbiorników, układów wodorkowych i nanoporowatych adsorbentów. Planowane są badania nad rozwojem materiałów i technologii konstrukcji wysokociśnieniowych, lekkich, kompozytowych zbiorników wykorzystujących wysokiej gęstości tworzywo sztuczne i włókna węglowe. Celem technicznym jest uzyskanie butli pracującej przy ciśnieniu roboczym MPa, a testowanej przy ciśnieniu do 200 MPa. Przewiduje się w tym celu opracowanie ultrananoporowatego adsorbentu węglowego o zdolności adsorpcji wodoru na poziomie 6% masowych, przy umiarkowanym ciśnieniu i w warunkach kriostatycznych. Alternatywnym rozwiązaniem będzie synteza kompozytu węgiel/metal łączącego zalety porowatej struktury materiału węglowego i zdolności metalu do tworzenia wodorków. Badania w zakresie ogniw paliwowych będą się koncentrować na ogniwach z membraną polimerową (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell PEMFC), pracujących w temperaturze < 200 o C i wysokotemperaturowych ogniwach tlenkowych (Solid Oxide Fuel Cell SOFC) o obniżonej do o C temperaturze pracy. Przewiduje się opracowanie technologii syntezy wybranych materiałów stosowanych do budowy tego typu ogniw, m.in. cienkich i ultracienkich warstw ceramicznych, polimerowych i kompozytowych materiałów jonoprzewodzących. Badania ukierunkowane są na rozwój technologii ogniw paliwowych o małej mocy z wykorzystaniem technologii LTCC.

13 Prowadzone też będą prace nad syntezą zaawansowanych nanostrukturalnych węglowych i kompozytowych materiałów anodowych dla ogniwa litowo-jonowego, przewyższających anodę grafitową pod względem zdolności inercji litu i wykazujących porównywalną cykliczność. Celem badań nad kondensatorem elektrochemicznym jest opracowanie asymetrycznego superkondensatora o zwiększonym oknie potencjału w elektrolicie wodnym, z wykorzystaniem węglowej elektrody ujemnej i tlenkowej lub kompozytowej pseudopojemnościowej elektrody dodatniej. Zadanie 7. Technologie generatywne dla wytwarzania wyrobów zindywidualizowanych i seryjnych Celem strategicznym zadania jest opracowywanie technologii umożliwiających komercjalizację nowoczesnych materiałów (w tym mikro- i nano-) oraz rozwiązań o cechach mikro-/nanotechnologicznych w formie technologii projektowania i wytwarzania produktów. Szczegółowe obszary badawcze odzwierciedlają cykl wytwarzania wyrobów dla techniki i medycyny z wykorzystaniem technologii laserowych: projektowanie materiałów wytwarzanych przy pomocy zaawansowanych technologii hybrydowych, w tym z wykorzystaniem nanomateriałów, z przeznaczeniem dla wyrobów seryjnych i indywidualizowanych, technologie wytwarzania materiałów na wyroby zindywidualizowane, innowacyjnych i zaawansowanych technologicznie, na bazie mikro- i nanomateriałów, metodami generatywnymi przy pomocy wiązki laserowej, kształtowanie własności mechanicznych metodami obróbki laserowej, laserowe nanoszenie powłok funkcjonalnych, uszlachetnianie powierzchni materiałów, optyczne pomiary statyczne i dynamiczne oraz opracowywanie urządzeń optomechatronicznych dla inspekcji jakości w celu doskonalenia wyrobów nanotechnologicznych i procesów ich wytwarzania.

14 Dla efektywnego osiągnięcia powyższych celów utworzone zostaną cztery pracownie: Pracownia Rozwoju Produktu, która przygotuje modele cyfrowe nowych materiałów i części oraz poprowadzi badania symulacyjne. Dzięki inżynierii odwrotnej i zaawansowanym narzędziom CAD możliwe będzie przeniesienie każdego pomysłu i produktu do postaci cyfrowej, Pracownia Wytwarzania Generatywnego wytwarzająca części metodami laserowymi, elektronowymi i spoinowymina bazie mikro- i nanomateriałów, Pracownia Powłok Laserowych wykorzystująca i rozwijająca laserowe technologie nanoszenia powłok funkcjonalnych i uszlachetniania powierzchni materiałów, Pracownia Pomiarów i Inspekcji Optycznej oferująca pomiary i badania dynamiczne nowo opracowanych wyrobów oraz inspekcję procesów wytwarzania. Zadanie 8. Technologie związane z mikroobróbką laserową i ich zastosowania Celem zadania jest opracowanie technologii mikroobróbki laserowej 2D oraz mikroobróbki 2.5D (mikrowiercenie, mikrocięcie, mikroznakowania itp) materiałów: półprzewodnikowych, metali, szkieł, ceramik oraz tworzyw sztucznych. Przeprowadzone zostaną badania na materiałach powierzonych przez naukowe ośrodki współpracujące. Na tej podstawie zostanie opracowana baza danych z charakterystyką technologii mikroobróbki każdego badanego materiału. Na przykład, opracowana zostanie bezdotykowa technologia czyszczenia powierzchni z wykorzystaniem na potrzeby przemysłu (na przykład samochodowego) i potrzeby konserwacji zabytków. Zostanie opracowanych i zbudowanych pięć stanowisk technologicznych do obróbki laserowej na osnowie laserów: na laserze na ciele stałym wraz z harmonicznymi (bliska podczerwień, promieniowania widzialne i ultrafiolet),

15 na laserze CO 2 (średnia podczerwień), na laserze ekscymerowym (promieniowanie ultrafioletowe), na laserze światłowodowym (bliska podczerwień), na laserze półprzewodnikowym sprzężonym ze światłowodem (bliska podczerwień). Zadanie 9. Nanomateriały wytwarzane metodą zol-żel do zastosowań biomedycznych, optycznych i włókienniczych Celem zadania jest opracowanie metod syntezy nowych nanomateriałów wytwarzanych metodą zol-żel, opartych na ditlenku tytanu i krzemu wykazujących właściwości fotokatalityczne, biologiczne (np. bakteriostatyczne), mechaniczne (np. wysoką wytrzymałość na ścieranie, na rozciąganie), ochronne czy magnetyczne. Otrzymane materiały będą miały postać warstw oraz nanokrystalicznych proszków o dużej powierzchni właściwej i wzmocnionych właściwościach magnetycznych, fotokatalitycznych i biologicznych. W pracy położony zostanie duży nacisk na opracowanie syntezy materiałów w sposób ograniczający ich agregację i pozwalający na uzyskanie dobrze rozdyspergowanych, jednorodnych ziaren. Istotną częścią projektu będzie także opracowanie technik otrzymywania stabilnych, czystych lub domieszkowanych warstw SiO 2, TiO 2 o pożądanych właściwościach. Pozwoli to znacznie rozszerzyć możliwości aplikacyjne tego typu materiałów.

16 Kampus Pracze

17