Temat 3. BADANIA FAZY SKONDENSOWANEJ MATERII

Transkrypt

1 Temat 3. BADANIA FAZY SKONDENSOWANEJ MATERII Prace eksperymentalne w tej dziedzinie prowadzone były w Zakładach NZ31, NZ34, NZ35 a teoretyczne w NZ33 i NZ31. Wyniki badań fazy skondensowanej materii zaowocowały w 2018 roku 74 publikacjami w czasopismach objętych wykazem Journal Citation Reports (JCR). Zakład NZ31 zadanie 1. Badania strukturalnych i dynamicznych własności materiałów naturalnych i syntetycznych w różnych skalach wielkości i czasu 1. Modele struktury i dynamiki układów z powierzchniami i złączami oraz układów niskowymiarowych. 2. Modelowanie wpływu powierzchni i złączy materiałów na ich strukturę i wzbudzenia elementarne ze szczególnym uwzględnieniem fal i rezonansów powierzchniowych. Projektowanie eksperymentów na takich układach w różnych skalach wielkości. 3. Kwantowo-mechaniczne obliczenia własności materiałów i nanomateriałów. 4. Obliczenia stabilności oraz mechanizmu transportu jonów metali alkalicznych w wybranych borowodorkach i boranach. Badania struktur i nano-struktur krystalicznych metodami mechaniki kwantowej we współpracy z ośrodkami doświadczalnymi. 5. Badanie przemian fazowych, amorfizacji oraz morfologii i ruchów molekularnych w materiałach feroicznych i mezogenach we współpracy z Consiglio Nazionale delle Ricerche, Area della Ricerca di Pisa (ICCOM-CNR U.O.S. di Pisa) i Uniwersytetem w Pizie. 6. Interpretacja i wyjaśnienie doświadczalnych zależności wielkości fizycznych (takich jak polaryzacja, gęstość, lepkość, odkształcenie, podatność i przenikalność elektryczna, ciepło właściwe, entropia) jako funkcji temperatury, ciśnienia, pola elektrycznego na gruncie analiz teoretycznych opartych na modelach fenomenologicznych. 7. Badanie i modelowanie zjawisk związanych z propagacją sygnałów akustycznych, elektrycznych i chemicznych w wybranych narządach i układach organizmu. 8. Konstruowanie modeli hemodynamicznych, wraz z algorytmami i symulacjami komputerowymi, do badań stanów fizjologicznych i patologicznych układu krążenia we współpracy m.in. z Uniwersytetem w Ferrarze. Opis i symulacje percepcji skrajnie krótkich sygnałów akustycznych, we współpracy m.in. z Laboratorium Akustyki Technicznej AGH i Zakładem Kognitywistyki UJ. 9. Modelowanie struktur i badanie wzbudzeń powierzchniowych w wybranych układach niskowymiarowych we współpracy m.in. z Uniwersytetem w Ferrarze. 10. Komputerowe symulacje i wizualizacja własności magnetycznych nanostrukturyzowanych cienkich warstw oraz układów makrospinowych, m.in. domen magnetycznych, histerezy, wpływu zewnętrznych pól i temperatury. Poszukując jak najlepszych stałych przewodników superjonowych, przeanalizowano możliwości i ograniczenia opisu boranów metali alkalicznych metodami dft i podjęto badania teoretyczne w celu lepszego zrozumienia procesów dyfuzji jonów Na, Li, i Mg, istotnych dla nowej generacji akumulatorów. Do opisu procesów relaksacyjnych w różnych fazach termodynamicznych (cieczopodobnych i kryształo-podobnych) zaproponowano uogólnione skalowanie odpowiedzi dielektrycznej, co pozwoliło na stwierdzenie ścisłej zależności pomiędzy procesem głównym, a drugorzędowym. Sformułowany został matematyczny model, który pozwala na symulacje procesów przepływu w krwioobiegu. Przedstawiono czynniki istotne w procesie fizjologicznym 20

2 i patologicznym oraz uzyskano zgodność z danymi doświadczalnymi (Eur. J. Appl. Physiology). Metodą macierzy dynamicznej przeprowadzono obliczenia, które pozwalają zrozumieć, istotne dla urządzeń spintronicznych, rozchodzenie się fal spinowych w łańcuchu makrospinów w formie cylindrów o przekroju eliptycznym, przy ferromagnetycznych lub antyferromagnetycznych konfiguracjach magnetyzacji (J. Appl. Phys., ). Zaproponowano, drogą symulacji mikromagnetycznych, model nanostrukturyzowanej wielowarstwy polikrystalicznej Co/Pd, z prostopadłą anizotropią magnetyczną, który potwierdził występowanie kotwiczenia domen. Zbadano wpływ periodu układu antykropek oraz ich wielkości i rozkładu na pole koercji oraz magnetyczną anizotropię efektywną. Decydujący wpływ na proces przemagnesowania układu ma zdefektowana faza magnetyczna, na krawędziach antykropek. Opublikowano w 2018 roku 9 artykułów w czasopismach wyróżnionych w JCR z tego zadania oraz kilka innych publikacji. Zakład NZ31 zadanie 2. Badania fazy skondensowanej metodą spektroskopii jądrowej; anihilacja pozytonów 1. Badania defektów sieci krystalicznej generowanych wskutek odkształcenia plastycznego w metalach i stopach. Badania będą dotyczyć warstwy wierzchniej materiału powstałej wskutek tarcia jak i modyfikacji powierzchni za pomocą obróbki różnymi metodami np. piaskowania, obróbki laserowej. Przewidziane są badania stabilności termicznej wprowadzonych defektów z uwzględnieniem przemian fazowych, rekrystalizacji i innych procesów zachodzących podczas wygrzewania. Do badań wykorzystane będą techniki pomiarów czasów życia pozytonów, spektroskopia poszerzenia dopplerowskiego, koincydencyjnego poszerzenia dopplerowskiego, mikrotwardości, XRD, a także wiązki powolnych pozytonów. 2. Badania obszaru zdefektowanego tuż pod powierzchnią z użyciem techniki wiązki powolnych pozytonów dla metali takich jak Nb, Bi, Mo poddanych naświetlaniu wysokoenergetycznymi jonami w Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych w Dubnej w Rosji. Celem będzie określenie przydatności techniki powolnych pozytonów w badaniach uszkodzeń radiacyjnych ciężkimi jonami. 3. Obliczenia ab initio charakterystyk anihilacji pozytonów metodą ATSUP dla metali Bi, Ag, Mo. Dalsze prace nad stworzeniem kodu komputerowego do opracowania zależności parametru kształtu linii anihilacyjnej od energii pozytonów, jakie otrzymujemy z badań na wiązkach powolnych pozytonów. 4. Pomiary objętości swobodnych w materiałach molekularnych i polimerach metodą anihilacji. Opis lokalnych właściwości mikroskopowych dla wysoko uporządkowanych faz ciekłokrystalicznych wybranych materiałów oraz kryształów plastycznych, w tym substancji mających zastosowania w farmaceutyce (współpraca z Wydziałem Chemii Uniwersytetu w Coimbrze, Portugalia). Do badań wykorzystane będą techniki pomiarów czasów życia pozytonów, spektroskopia poszerzenia dopplerowskiego, koincydencyjnego poszerzenia dopplerowskiego. Przeprowadzono temperaturowe pomiary charakterystyk anihilacyjnych w próbkach metali Nb i Zr poddanych głębokiemu odkształceniu plastycznemu w celu określenia temperatury rekrystalizacji tych metali. Prowadzono także analogiczne pomiary na próbkach czystego Fe 21

3 i Ag poddanych naświetlaniu jonami Xe 26+ o energii ok. 167 MeV. Pokazano, że tzw. efekt dalekozasięgowy zależy od energii implantowanych jonów i podobnie jak w innych metalach rozciąga się na głębokość ok. dwukrotnie większą od zasięgu implantacji jonów. Takiej zależności nie stwierdzono w przypadku czystego Ti. Dla próbek czystych metali: Fe, Cu i Ag pokazano (Tribology International 131), że głębokość warstwy wierzchniej, jaka powstaje podczas długotrwałego kontaktu ślizgowego tuż przy powierzchni stykających się ciał i ma zasadnicze znaczenie dla procesu zużycia, sięga ok. 10 µm i zawiera duże skupiska wakancji i wysoką koncentrację dyslokacji (ta własność stwierdzona również dla stopu Ag i stali nierdzewnej). Taką tribo-warstwę przebadano przy pomocy metody anihilacji pozytonów po raz pierwszy. Pokazano znaczącą redukcję średnicy objętości swobodnych wraz ze wzrostem stopnia usieciowania elastomerów. Wykorzystano tu pomiary długożyciowej składowej w widmach czasu życia pozytonów. W roku 2018 opublikowano 4 prace w czasopismach wyróżnionych w JCR, dotyczących badań w omawianym zadaniu oraz kilka innych publikacji. Zakład NZ34 Zadanie 3. Struktura, własności magnetyczne, magnetotermodynamiczne i magnetotransportowe układów molekularnych i nanostruktur metalicznych 1. Badanie struktury i własności magnetycznych cienkowarstwowych stopów i nanomateriałów nanostrukturyzowanych metodami chemicznymi, wiązkami jonowymi i wiązką lasera (współpraca z Uniwersytetem w Augsburgu, Instytutem Technologicznym w Karlsruhe, Centrum Helmholtza Drezno-Rosendorf i Uniwersytetem w Mińsku). 2. Otrzymywanie metodą elektrodepozycji magnetycznych nanodrutów oraz analiza ich morfologii, własności strukturalnych, magnetycznych i magnetotransportowych. 3. Synteza nanokompozytowych cząstek magnetycznych metodą naświetlania laserem impulsowym (nanosekundowym i pikosekundowym) oraz badanie ich własności strukturalnych, optycznych i magnetycznych (współpraca z Instytutem Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego). 4. Wytwarzanie bioceramicznych powłok na tytanie i jego stopach metodą hydrotermalną. Badanie ich struktury, morfologii i funkcjonalności dla zastosowań implantologicznych (współpraca z Katedrą Biomateriałów AGH). 5. Synteza powłok diamentowych i modyfikacja ich własności optycznych poprzez implantację domieszek (współpraca z Instytutem Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego). 6. Otrzymywanie metodami jonowymi, laserowymi i plazmowymi złożonych wielopierwiastkowych wielowarstwowych powłok węglowych i badanie ich własności chemicznych, strukturalnych i mechanicznych. 7. Przejścia fazowe, efekt magnetokaloryczny i badanie wpływu czynników fizycznych (ciśnienie, światło) na własności magnetyków molekularnych. 8. Synteza, charakteryzacja i badanie magnetycznych cienkich warstw molekularnych i krzemionkowych. 9. Relaksacje magnetyczne niskowymiarowych magnetyków molekularnych. 10. Analiza teoretyczna oraz symulacje kwantowe właściwości magnetycznych układów molekularnych o różnej wymiarowości. Przeprowadzono analizę teoretyczną efektu fotomagnetycznego dla nowego trójcentrowego 22

4 kompleksu z jonami miedzi i molibdenu, mostkowanego grupami cyjankowymi. Model, ujmujący dwa niezależne procesy indukowane światłem (przeniesienie ładunku z metalu na metal oraz pułapkowanie spinowego stanu wzbudzonego), pozwolił na odtworzenie wyników pomiarów, opisał dynamikę tych procesów oraz wielkość siły oddziaływań nadwymiennych w stanach metastabilnych. Przeprowadzono badania własności magnetycznych cienkich warstw paramagnetycznego stopu FeAl naświetlanych jonami Ne + poprzez maskę heksagonalnie uporządkowanych nanocząstek polistyrenowych. Dzięki temu podejściu wyindukowano lokalny ferromagnetyzm w stopie FeAl, co pozwoliło uzyskać warstwę o przestrzennie modulowanych zmianach magnetyzacji. Pokazano, że metoda ta prowadzi do uzyskania regularnej sieci wirów rozmieszczonych na dużych powierzchniach bez zmian topografii układu. Nigdy wcześniej nie osiągnięto tego typu wyniku przy wykorzystaniu metod jonowej modyfikacji warstw. Stworzono testowe egzemplarze zintegrowanego giętkiego czujnika pola magnetycznego i deformacji oraz czujnika temperatury, za pomocą którego można wykonywać pomiary temperatury z rozdzielczością czasową 10ns. Za pomocą pomiarów temperaturowych wyznaczono granice ablacji materiału warstwy. Przeprowadzono serię eksperymentów z użyciem lasera femtosekundowego dla dwóch długości fal, różnych cząstek koloidalnych i rozpuszczalników. Uzyskane wyniki wykazały kluczową rolę długości fali i rozpuszczalnika w kontroli właściwości optycznych i morfologicznych syntetyzowanych materiałów. Opublikowano z tego zadania 21 artykułów w czasopismach wyróżnionych w JCR. Zakład NZ35 zadanie 4. Prace nad poznaniem struktury i dynamiki materii miękkiej i materiałów funkcjonalnych przy pomocy komplementarnych metod doświadczalnych i obliczeniowych 1. Badanie polimorfizmu i dynamiki w substancjach organicznych o różnym stopniu uporządkowania (we współpracy z Uniwersytetem w Tsukubie). 2. Badanie nowych materiałów funkcjonalnych i nowych mezogenów, zawierających substancje pochodzenia naturalnego. 3. Badania spektroskopowe wybranych faz rotacyjnych i ciekłokrystalicznych (współpraca z Laboratorium Fizyki Neutronowej im. Franka w ZIBJ w Dubnej, Rosja). 4. Badanie zmian własności fizykochemicznych nowych materiałów pod wpływem wodoru, pod kątem ich zastosowania do magazynowania wodoru. 5. Badania struktury, dynamiki i polimorfizmu wybranych farmaceutyków. 6. Badania własności cieplnych i parametrów krytycznych materiałów o budowie molekularnej. Rozbudowa aparatury badawczej w laboratorium kalorymetrii. 7. Badanie wpływu ograniczeń przestrzennych w układach molekularnych (współpraca z Uniwersytetem w Lipsku) Kontynuowano prace nad poznaniem przejść szklistych i stanów szklistych w modelowych alkoholach o globularnej budowie molekuł. W fazie ciekłej monohydroksylowych alkoholi 2,3-DM-1-B i 3,3-DM-1-B wyznaczono metodą relaksometrii 1 H NMR czasy relaksacji wewnątrzmolekularnej jak i całych cząsteczek oraz współczynniki samodyfuzji i ich związek z budową molekularną, podobnie jak dla fazy plastycznej 3,3-DM-2-B. Dokładnie zbadano i zinterpretowano dynamikę wibracyjną alkoholi BEP, 2TFMP, 2TFMP w różnych fazach 23

5 termodynamicznych. Zbadano dynamikę w stanie szklistym dwóch pochodnych poli-(glikolu etylenowego) w próbce litej oraz w warunkach ograniczenia przestrzennego nanometrowych rozmiarów. Szczególną uwagę poświęcono sąsiedztwu temperatury przejścia szklistego Tg oraz temperatury Tαβ 1.25Tg, w której zachodzi zmiana konformacji, a obydwa typy relaksacji α i β zbiegają się. Wykazano wpływ wewnątrzmolekularnego wiązania wodorowego na obserwowane zmiany dynamiki. W fazie nematycznej ciekłego kryształu 5P-EtFLEt-P5 zbadano współzależność między krystalizacją a przejściem szklistym. Kontynuowano prace nad polimorfizmem farmaceutyka ethosuximide (ETX). Dla stopów LaNi5 domieszkowanych metalami (Bi, Ag, Si, Pb, Fe) przeprowadzono analizę zmian struktury krystalograficznej i własności sorpcyjnych pod wpływem wodoru. Przeprowadzono wstępne pomiary reflektometrii neutronowej nanocząstek w monowarswach lipidowych. Kontynuowano badania niskomolekularnych żelów metodami niskokątowego rozpraszania neutronów, spektroskopii wibracyjnej i DSC. Opublikowano z tego zadania 9 artykułów w czasopismach wyróżnionych w JCR. Zakład NZ35 zadanie 5. Projektowanie, synteza i charakteryzacja nanocząstek metalicznych i tlenkowych do różnych zastosowań 1. Synteza i charakteryzacja nowych nanokatalizatorów PtRh na SnO2 i PtRe na SnO2 do utleniania etanolu w niskotemperaturowych ogniwach paliwowych. 2. Zastosowanie nanocząstek metali (Me NPs) do wspomagania terapii protonowej. 3. Badania oddziaływań nanocząstek z komórkami nowotworowymi techniką transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) oraz absorbcji w podczerwieni. W celu zbadania zależności pomiędzy strukturą a elektrochemiczną aktywnością, opracowana została metoda syntezy katalizatorów Pt/Re/SnO2 do utleniania etanolu, zawierających trzy rodzaje nanocząstek, wykorzystująca pomiar ich potencjału elektrochemicznego zeta. Badania elektrochemiczne reakcji utleniania etanolu potwierdziły najlepszą skuteczność katalizatora trójskładnikowego, w porównaniu do katalizatora składającego się z Pt/SnO2 i platyny komercyjnej (J. Nanopart. Res. 20). W celu powiększenia powierzchni aktywnej katalizatorów do utleniania etanolu, zostały zaprojektowane i zsyntezowane puste, wieloskładnikowe nanocząstki PtNi oraz PtRhNi, do których następnie dodano sferyczne nanocząstki SnO2 o rozmiarze 2nm. Otrzymane hybrydy wykazywały najlepsze własności katalityczne w reakcjach utleniania etanolu oraz redukcji tlenu. Opublikowano w 2018 roku 13 artykułów w czasopismach wyróżnionych w JCR z tego zadania oraz kilka innych publikacji. 24

6 Zakład NZ33 zadanie 6. Badania komputerowe struktury i dynamiki materiałów krystalicznych i nanomateriałów 1. Zbadanie zmian w strukturze i dynamice sieci nadprzewodnika KFe2As2 w okolicy strukturalnego przejścia fazowego. 2. Zbadanie własności dynamicznych magnetytu w fazie jednoskośnej Cc. 3. Wyznaczenie struktury i własności dynamicznych nanowarstw Fe3Si i nanodrutów FeSi2 o różnych grubościach i rozmiarach, osadzonych na podłożu Si. 4. Badania własności termodynamicznych nanocząstek FePt metodą dynamiki molekularnej. 5. Badanie struktury i własności elastyczych stopów wieloskładnikowych metali przejściowych. 6. Zbadanie podatności par Coopera w nadprzewodnikach żelazowych. 7. Zbadanie struktury elektronowej i wyliczenie widm Ramanowskich dla związku Nd2Ir2O7. 8. Zbadanie własności magnetycznych lodu kwantowego. 9. Zbadanie wpływu anharmoniczności modu optycznego na własności dynamiczne PbTe. 10. Badanie przejść fazowych w układach silnie skorelowanych metodą sieci tensorowych. 11. Badanie układów silnie skorelowanych elektronów z dalekozasięgowym oddziaływaniem kulombowskim. Przeprowadzono badania teoretyczne i eksperymentalne dynamiki sieci w układzie złącza Fe3Si/GaAs. Obliczenia ab initio wyjaśniły obserwowany efekt istnieniem nowych stanów fononowych wynikających ze zredukowanych sił międzyatomowych w obszarze złącza i pozwoliły lepiej zrozumieć własności dynamiczne tego układu; Phys. Rev. B 98, (2018). Przeprowadzono jakościową analizę rozpadu klastrów argonu poddanych napromieniowaniu z lasera XFEL; Phys. Rev. Lett., 120, (2018). We współpracy z Politechniką EPFL w Lozannie wykonano badania rozpraszania Ramana w magnetycie. Odkryto anomalie w dynamice sieci, które wynikają z silnego oddziaływania fononów ze wzbudzeniami elektronowymi; Phys. Rev. B 98, (2018). W ramach współpracy z Czeską Akademią Nauk wykonano symulację przejścia fazowego faza stała - warm dense matter z użyciem programu XTANT; Sci. Rep. 8, 5284 (2018). Wyliczono fononowe krzywe dyspersji i gęstości stanów dla magnetytu w fazie Cc. Zaproponowano metodę wyznaczania funkcji korelacji metodą sieci tensorowych i zbadano własności modelu Bose-Hubbarda i XXZ (Phys. Rev. X 8, (2018), Phys. Rev. X 8, (2018)) Zbadano własności elektronowe i przejście izostrukturalne pod ciśnieniem w nadprzewodniku KFe2As2 metodami obliczeniowymi z pierwszych zasad. Zbadano własności anharmoniczne wybranych kryształów (PbTe, MgB 2, MgSiO 3 ). W ramach zadania opublikowano w 2018 roku 18 artykułów w czasopismach wyróżnionych w JCR. 25