Temat 3. BADANIA FAZY SKONDENSOWANEJ MATERII

Transkrypt

1 Temat 3. BADANIA FAZY SKONDENSOWANEJ MATERII Prace eksperymentalne w tej dziedzinie prowadzone były w Zakładach NZ31, NZ32, a teoretyczne w NZ33 i NZ31. Wyniki badań fazy skondensowanej materii zaowocowały w 2009 r. 47 publikacjami w czasopismach wyróżnionych w Journal Citation Reports (JCR). zadanie 1. Prace nad poznaniem struktury i dynamiki fazy skondensowanej materii (kryształy molekularne, ciekłe kryształy, magnetyki, itp.) z wykorzystaniem metod rozpraszania neutronów i metod komplementarnych Zakład Badanie polimorfizmu i dynamiki w substancjach organicznych o różnym stopniu uporządkowania Dla propyloizotiocyjanianobifenylu przeprowadzono badania struktury oraz dynamiki wibracyjnej. Potwierdzają one bogaty polimorfizm fazy stałej odkryty kalorymetrycznie (5 faz krystalicznych oprócz fazy smektycznej E). Po raz pierwszy stwierdzono przejście szkliste dla wysoko uporządkowanej fazy smektycznej E o rombowej strukturze. Identyfikacja drgań wewnętrznych molekuły została wykonana przy pomocy obliczeń kwantowo-mechanicznych. M. Jasiurkowska, (Jan Ściesiński, M. Massalska-Arodź, R. Pełka, E. Juszyńska) et al., Infrared spectroscopic and X-ray studies of the 4-Propyl-4'-isothiocyanatobiphenyl (3TCB), J. Phys. Chem. B, 113 (2009) 7435; Wykonano projekt selektora prędkości neutronów dla spektrometru NERA. Trwa rekonstrukcja zwierciadlanych neutronowodów na 7 kanale reaktora IBR-2 i remont eksperymentalnego pawilonu 117/2. Pomiary rozpraszania neutronów zostaną wznowione po uruchomieniu reaktora będącego w remoncie. Prace prowadzone były we współpracy z Laboratorium Fizyki Neutronowej im. Franka w ZIBJ w Dubnej, Rosja oraz z Instytutem Technologii Energii (IFE) w Kjeller, Norwegia. Zmierzono krzywe adsorbcji i desorbcji oraz ciepło właściwe dla dwóch próbek nanostożków węglowych czystych i wodorowanych (A. Budziak, J. Dryzek, J. Krawczyk, P.M. Zieliński, Acta Phys. Pol. A, in print). Wykonano pomiary nieelastycznego rozpraszania neutronów dla próbki nanostożków węglowych dekorowanych palladem na spektrometrze TOSCA w ISIS, Wielka Brytania. Zmierzono widma dla próbki czystej i wodorowanej. (6. PR UE HYCONES). 2. Modele struktury i dynamiki układów z powierzchniami i złączami oraz układów niskowymiarowych. Wyznaczono krzywe dyspersji i czasy życia rezonansowych stanów powierzchniowych w dwuwymiarowym modelu auksetyka ograniczonego płaską powierzchnią. Wykazano możliwość powstawania odosobnionych fal powierzchniowych w takim układzie przy odpowiednim doborze parametrów powierzchni. Podobne obliczenia w modelu cylindrycznego wydrążenia w materiale auksetycznym wykazały tam obecność pod i naddźwiękowych rezonansów powierzchniowych. D. Trzupek, P. Zieliński, Phys. Rev. Lett. 103, (2009) Badanie własności magnetycznych spineli, ferrytów i związków międzymetalicznych. Badano serie roztworów stałych o strukturze spinelu: ZnCr 2-x (Al,Sb) x Se 4, CdCr 2-x V x Se 4, Zn 1-x Mn x Cr 2 Se 4 i Cu 1-x Co x Cr 2 Se 4, z jonami Cr 3+ w otoczeniu oktaedrycznym. Wyznaczano wartości parametrów dopasowywanego prawa Curie-Weissa, wpływ wielkości 30

2 przyłożonego zewnętrznego pola magnetycznego na temperaturę magnetycznego przejścia fazowego oraz wpływ temperatury i podstawników kationowych na wielkość krytycznych pól magnetycznych. Przygotowano do druku publikację AC/DC magnetic properties of single crystal ErFeO 3 orthoferrite podsumowującą uprzednio uzyskane wyniki eksperymentalne. Zakończono serie publikacji na temat szeregu związków międzymetalicznych RERhSn. Badania prowadzono we współpracy z: Uniwersytetem Śląskim, Instytut Fizyki oraz Instytut Chemii, z Akademią Górniczo-Hutniczą, Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej, z Uniwersytetem Jagiellońskim, Instytut Fizyki, Zakład Radiospektroskopii. Zmierzone w IFJ zależności temperaturowe dynamicznej podatności magnetycznej dla związków serii TbNi 1-x Au x In w połączeniu z rezultatami badań rentgenograficznych i dyfrakcji neutronowej pozwoliły na wyznaczenie zależności temperatury uporządkowania magnetycznego od koncentracji niklu oraz ewolucji struktury magnetycznej. W żadnej z badanych próbek nie zaobserwowano momentu magnetycznego na atomach niklu. M. Bałanda, B. Penc, S. Baran, T. Jaworska-Gołąb, A. Arulraj and A. Szytuła, Magnetic Properties of TbNi 1-x Au x In Compounds, Acta Phys. Pol. A, 115 (2009) 174. Badania prowadzono we współpracy z Instytutem Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego. 4. Badanie własności magnetycznych i relaksacji spinowych materiałów molekularnych oraz nanocząstek Prowadzono badania magnetyczne oktacyjanków metali przejściowych typu Cu II W V, Ni II W V i Mn II LNb IV (L-ligand organiczny). Zaobserwowane korelacje magneto-strukturalne stanowią znaczący postęp w kierunku otrzymania molekularnych materiałów funkcjonalnych. B. Sieklucka, R. Podgajny, D. Pinkowicz, B. Nowicka, T. Korzeniak, M. Bałanda, T. Wasiutyński, R. Pełka, M. Makarewicz, M. Czapla, M. Rams, B. Gaweł, W. Łasocha, Towards high T c octacyanometalate-based networks, CrystEngComm, 11 (2009) Zbadano własności magnetyka molekularnego {[Fe II (H 2 O) 2 ] 2 [Nb IV (CN) 8 ] 4H 2 O} n, T c = 43 K. Na bazie modelu pola średniego wyznaczono efektywne sprzężenie magnetyczne między jonami Fe II i Nb IV. D. Pinkowicz, R. Podgajny, R. Pełka, W. Nitek, M. Bałanda, M. Makarewicz, M. Czapla, J. Żukrowski, Cz. Kapusta, D. Zając, B. Sieklucka Dalton Trans., 2009, Badania prowadzono we współpracy z Wydz. Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego (6. PR MAGMANet). Pomiary podatności AC i namagnesowania DC dla dwywymiarowego antyferromagnetyka o strukturze plastra miodu {N(n-C 5 H 11 ) 4 [Mn II Fe III (ox) 3 ]}, wykazały obecność nieskompensowanego momentu poniżej T N oraz krótkozasięgowe korelacje dla T >> T N. A. Bhattacharjee, M. Bałanda, Y. Miyazaki, M. Sorai, P. Gütlich, Uncompensated Magnetization in the Layered Molecular Antiferromagnet {N(n-C 5 H 11 ) 4 [Mn II Fe III (ox) 3 ]}, Polyhedron 28 (2009) Badania magnetyczne nanokapsułek Co, Ni i Fe w otoczkach węglowych o średnicy ok. 50 nm wykazały, że pole koercji było niezależne od udziału węgla, natomiast spadek namagnesowania nasycenia spowodowany nano-wymiarem był bardziej znaczący dla próbek o większej koncentracji węgla. Zauważono duży rozkład wielkości cząstek lub/i obecność aglomeratów. Magdalena Makarewicz, Marcin Podsiadły, Maria Bałanda, Magnetic investigation of carbon coated Co-, Ni- and Fe- nanoparticles, Acta Phys. Pol. A 115 (2009) 568. Badania prowadzono we współpracy z Uniwersytetem Szczecińskim. 31

3 5. Kwantowo-mechaniczne obliczenia własności materiałów i nanomateriałów Wyznaczono strukturę wysokotemperaturowej fazy borowodorku wapnia, oraz zaproponowano uniwersalny opis przemian strukturalnych w tym związku indukowanych temperaturowo. F. Buchter, Z. Łodziana, et al., Structure of the orthorhombic γ-phase and phase transitions of Ca(BD 4 ) 2, J. Phys. Chem. C 113 (2009) Zaproponowano model wyjaśniający własności superplastyczne tlenku cyrkonu domieszkowanego tytanem i innymi pierwiastkami. Model oparto na obliczeniach kwantowo-mechanicznych. Y. Natanzon, M. Boniecki, Z. Łodziana, Influence of elastic properties on superplasticity in doped yttria-stabilized zirconia, J. Phys. Chem. Solids 70 (2009) 15. Za pomocą eksperymentu komputerowego dużej skali wyznaczono klasę borowodorków metali przejściowych oraz alkalicznych, klasę która może mieć potencjalne zastosowanie do magazynowania wodoru. J.S. Hummelshoj, (Y. Natanzon) et al., Density functional theory based screening of ternary alkali-transition metal borohydrides: A computational material design project, J. Chem. Phys. 131 (2009) Badanie zjawisk krytycznych ruchów molekularnych i własności funkcjonalnych w materiałach ferroelektrycznych. Skonstruowano model pozwalający wyznaczyć sprzężenia parametrów porządku w materiałach wykazujących nieklasyczne wykładniki krytyczne oraz nasycenie wiodącego parametru porządku w niskich temperaturach. Stwierdzono obecność ruchomych ferroelastycznych granic domenowych w [C(NH 2 ) 3 ] 3 [Bi 2 I 9 ] który to materiał wykazuje wyjątkową odporność na naprężenia mechaniczne występujące w przejściu fazowym do fazy ferroelastycznej. M. Gałązka, P. Zieliński, Solid State Sciences 11, (2009) 740. Najważniejsze osiągnięcia: Stwierdzono możliwość występowania nietłumionych fal powierzchniowych w obszarze częstości właściwym dla fal objętościowych tj. tzw. obszarze radiacyjnym w niektórych materiałach o ujemnym współczynniku Poissona. Publikacja: D.Trzupek, P.Zieliński, Isolated true surface wave in a radiative band on a surface of a stressed auxetic, Phys. Rev. Lett., 103 (2009) ; Wyznaczenie parametrów strukturalnych i termodynamicznych dla 3BT (propyl izocyjanobifenylu) za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej, spektroskopii podczerwieni i obliczeń DFT. M. Jasiurkowska, J. Ściesiński, M.Massalska-Arodź, J. Czub, R. Pełka, E. Juszyńska, Y.Yamamura, K. Saito, J. Phys. Chem. B, 113, 7435 (2009). Wyznaczenie efektywnego sprzężenia magnetycznego między jonami FeII i NbIV w magnetyku molekularnym {[FeII(H2O)2]2[NbIV(CN)8] 4H2O}n D. Pinkowicz, R. Podgajny, R. Pełka, W. Nitek, M. Bałanda, M. Makarewicz, M. Czapla, J. Żukrowski, Cz. Kapusta, D. Zając, B. Sieklucka Dalton Trans., 2009, Opublikowano w 2009 roku 35 artykułów w czasopismach wyróżnionych w JCR z tego zadania. 32

4 zadanie 2. Badania fazy skondensowanej metodami spektroskopii jądrowej; anihilacja pozytonów. Pomiary objętości swobodnych metodą anihilacji pozytonów w polimerach Zostały wykonane pomiary czasu życia pozytonów w kompozytach polimerowych PGLA/bioszkło mających zastosowania medyczne. Prace wykonano we współpracy Zakładem Biomateriałów AGH. Wyniki będą opublikowane w czasopiśmie Nukleonika. Badania warstwy wierzchniej w metalach i stopach powstałej wskutek tarcia i ścierania metodą anihilacji pozytonów. Wykonano pomiary czasów życia pozytonów w warstwie wierzchniej w czystym bizmucie. Stwierdzono obecności skupisk dwóch wakacji w takiej warstwie, których koncentracja malej wraz ze wzrostem głębokości. Po raz pierwszy do opisu warstwy wierzchniej udało się zastosować model dwu stanowy. Wyniki będą opublikowane w czasopiśmie Tribology Letters. Badania procesu anihilacji pozytonów w locie i jego zastosowanie do weryfikacji zmodyfikowanych transformacji Lorentza Przeprowadzono pomiary anihilacji w locie w układach porowatych. Nie stwierdzono istotnych odchyleń od przebiegu tego procesu w metalach i materiałach litych. Najważniejsze osiągnięcie: Określenie profili implantacji pozytonów w materiałach warstwowych z potwierdzeniem za pomocą systemu Monte Carlo. Opublikowane w J. Dryzek, P. Horodek "Positron implantation profiles in the layered samples ", Nuclear Instruments and Method B, 267 (2009) W roku 2009 opublikowano 3 prace w czasopismach wyróżnionych w JCR dotyczących badań w omawianym zadaniu. zadanie 3. Metody magnetycznego rezonansu jądrowego w badaniach struktury ciał stałych i dynamiki molekularnej Zakład Badanie dynamiki rotacyjnej jonów amonowych w celu określenia struktury krystalicznej i przejść fazowych Poddano analizie wyniki pomiarów w zakresie K widm i relaksacji deuteronów dla czterochlorocynkanu amonowego o stopniu deuteracji 5%, 30%, 50% i 100%. Uzyskano konsystentny opis dynamiki molekularnej. Istnieją dwa podukłady jonów amonowych w lokalizacji o różnej symetrii potencjału i reorientacji wokół wyróżnionych osi symetrii w niskich temperaturach, odpowiednio wokół trójkrotnej i dwukrotnej (publikacja w Solid State NMR). Współpraca z Uniwersity of Turku, Finlandia. 2. Badanie dynamiki translacyjno-rotacyjnej molekuł w ważnych technologicznie nanomateriałach, np. w zeolitach. Grupy hydoksylowe mają zasadnicze znaczenie dla własności katalitycznych zeolitów i były badane wieloma metodami. Przedstawiliśmy pierwsze badania grup O-D i ich oddziaływania z cząsteczkami wody. Powstaje wiązanie wodorowe i deuterony podlegają niekoherentnemu tunelowaniu w niskich temperaturach. Molekuły wody podlegają przeskokom rotacyjnym wokół osi C 2. Publikacja: Dynamics of Hydroxyl Deuterons and Bonded Water Molecules in NaDY(0.8) Zeolite as Studied by Means of Deuteron NMR Spectroscopy, Z.T. Lalowicz et al., Solid State NMR. (w druku) 1. Badanie struktury syntetycznych katalizatorów i szkieł boranowo-fosforanowych metodą 33

5 MAS-MRJ na jądrach 29 Si, 27 Al, 31 P, 11 B oraz 51 V. Współpraca z Instytutem Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN w Krakowie w ramach sieci EKO-KAT: Kontynuacja badań struktury i własności katalitycznych kompleksu rutenowego w mezoporowatej krzemionce (publikacja w Applied Catalysis A i komunikat na IX Konferencji Europa-CAT). Wpływ desilikacji szeregu zeolitów typu ZSM i MCM na strukturę i własności katalityczne (publikacja w Catalysis Letters oraz przyjęta do druku w Catalysis Today, komunikat na XLI Kolokwium Katalitycznym). Charakteryzacja fizykochemiczna mezoporowatych heterostruktur na bazie laponitu (publikacja w Microporous and Mesoporous Materials 2010). Badanie wpływu aluminacji na strukturę i własności katalityczne mezoporowatych sit molekularnych typu SBA (komunikat na IX Konferencji Europa-CAT oraz na XLI Kolokwium Katalitycznym). Współpraca z Wydziałem Inżynierii Materiałowej i Ceramiki AGH: Badanie wpływu glinu na strukturę szkieł fosforanowo-krzemianowych (publikacja w J. Molecular Structure). Wpływ tlenku boru na strukturę i proces krystalizacji aktywnych biologicznie szkieł fosforanowo-krzemianowych (publikacja przyjęta do druku w J. Thermal Analysis and Calorimetry). Współpraca z Wydziałem Paliw i Energii AGH: Kontynuacja badań transformacji strukturalnych i stabilności termicznej tlenku galu otrzymanego metodą HVPE (komunikat na III Konferencji Nanotechnologii, publikacja wysłana do druku). 2. Badania polaryzacji helu-3 w polu magnetycznym (6. PR UE PHeLINet). Kontynuacja analizy procesu optycznej polaryzacji 3 He w wysokim polu magnetycznym, w podwyższonym ciśnieniu, w celu optymalizacji parametrów przenośnego polaryzatora budowanego do celów medycznych. Modernizacja medycznego skanera MRI i jego przystosowanie do obrazowania płuc z użyciem spolaryzowanego 3 He (komunikat na XLI Konferencji EGAS oraz na XL Zjeździe Fizyków Polskich, dwie publikacje w przygotowaniu). Opublikowano w 2009 roku 6 artykułów w czasopismach wyróżnionych w JCR z tego zadania. Zakład 33 zadanie 4. Badania komputerowe struktury i dynamiki materiałów krystalicznych i nanomateriałów Wyliczenie struktury krystalicznej i elektronowej, własności mechanicznych i termodynamicznych, dynamiki sieci, stabilności faz kryształów, zdefektowanych materiałów krystalicznych, powierzchni, wielowarstw i nanostruktur metodami ab initio tj. badanie materiałów istotnych dla nanotechnologii (6. PR UE c2c, projekt COST). W oparciu o metodę ab initio uzyskano następujące wyniki: Dla kryształu kanemitu, używanego jako katalizatora, przebadano wpływ wiązań wodorowych na jego strukturę krystaliczną i własności optyczne. Oprócz zbadanych wcześniej eksperymentalnie czterech typów wiązań odkryto istnienie piątego wiązania, wiążącego dodatkowe drobiny wody w niskich temperaturach i ulegającego rozerwaniu 34

6 podczas podgrzewania. Efekt ten tłumaczy obserwowaną dehydratację drobin wody. Wyznaczona dla zaproponowanego modelu wiązań gęstość stanów fononowych bardzo dobrze odpowiada danym z eksperymentu. P. Piekarz, M. Derzsi, P.T. Jochym, J. Łażewski, M. Sternik, K. Parlinski, E.M. Serwicka, Crystal structure, hydrogen bonds, and lattice dynamics in kanemite from first-principles calculations, Phys. Rev. B79 (2009) Zbadano wpływ lokalnego oddziaływania elektronowego na własności minerału Fe 2 SiO 4. Stwierdzono że dzięki szczególnie silnym korelacjom elektronowym sprzężonym z lokalnym uporządkowaniem momentów magnetycznych, materiał ten jest izolatorem Motta. Stwierdzono istnienie hipotetycznego przejścia fazowego Motta, ze stanu metalicznego do izolatora indukowanego wzrostem wartości lokalnego potencjału kulombowskiego U. Mariana Derzsi, Przemysław Piekarz, Paweł T. Jochym, Jan Łażewski, Małgorzata Sternik, Andrzej M. Oleś, and Krzysztof Parlinski, Effects of Coulomb interaction on the electronic structure and lattice dynamics of the Mott insulator Fe2SiO4 spinel, Phys. Rev. B79 (2009) Doświadczalnie stwierdzono, że w wielowarstwach Fe/Co(Fe) atomy kobaltu mają tendencję do układania się w sieci typu bcc, chociaż kryształ kobaltu w strukturze bcc jest niestabilny. Dzięki obliczeniom ab-initio pokazano, że warunkiem uzyskania stabilnej warstwy Co o strukturze bcc jest nie tylko umieszczenie jej między dwoma warstwami Fe (o strukturze bcc), ale także wprowadzenie domieszek Fe do warstwy Co. B. Laenens, N. Planckaert, M. Sternik, P.T. Jochym, K. Parliński, A. Vantomme, and J. Meersschaut, Probing the dynamical properties of the metastable bcc FexCo1-x phase, Phys. Rev. B79 (2009) W 2009 roku Zakład brał udział w projekcie badawczym przeprowadzonym w European Synchrotron Radiation Facility w Grenoble: projekt nr HS-3995, Unambiguous determination of the LA[010] branch of the ferromagnetic superconductor Uge 2, (Raymond Stephane, Piekarz Przemysław). W ramach projektu międzynarodowego COST Action P19, wykonano szereg obliczeń struktury elektronowej i fononowej zaplanowanych do badań teoretycznych i eksperymentalnych, dotyczących nowych układów funkcjonalnych (magnetokalorycznych, termoelektrycznych i nadprzewodzących). Prace realizowane były we współpracy z grupami eksperymentalnymi z Grenoble (Institute NEEL CNRS) i Nancy (Ecole des Mines, ENSMN). W projekcie C2C realizowanym w ramach 6 PR UE wykonano, poza wymienionymi powyżej pracami nad własnościami kanemitu oraz Fe 2 SiO 4, badania nad dynamiczną strukturą wodorotlenku magnezu, stabilnością nowych faz spinelloidów z rodziny ortosilikatów magnezu i żelaza oraz prace nad strukturą elektronową tych związków. Opublikowano w 2009 roku 5 artykułów w czasopismach wyróżnionych w JCR z tego zadania. 35