FKKT

Povzetek projekta

Visoko kvalitetni dvodimenzionalni nanomateriali z gradniki v obliki nanolističev, to je submikronskih delcev z debelino le nekaj nanometrov, so izredno obetavni za uporabo na številnih področjih – od materialov za hranjenje energije do kemične katalize procesov in medicine. V svoji osnovni obliki ali obliki kompozitnih materialov so namreč pogosto ključni gradniki elektronskih komponent nove generacije elektronskih naprav (pametnih telefonov, računalnikov, televizorjev), panelov sončnih celic (zelena in trajnostna proizvodnja energije), in biosenzorjev (zaznavanje bolezni in zdravstvena preventiva). Kljub temu je pa njihova široka industrijska uporaba omejena zaradi omejene kapacitete postopkov njihovega pridobivanja in s temi postopki povezanimi tveganji za okolje. 
 

Shema 1: Običajni dvostopenjski postopek delaminacije plastovitih materialov

Pri tem skupnem slovensko/madžarskem projektu se ukvarjamo z razvojem učinkovitejših in varnejših postopkov delaminacije. Ionske tekočine z nizkim parnim tlakom in izjemnimi lastnostmi samourejanja delcev na medfazni površini predstavljajo zelo obetajoča zelena topila, ki bi lahko povzročila delaminacijo plastovitih snovi brez uporabe dodatnih strupenih kemikalij. Ker je za izbiro določenega topila kot ustreznega delaminacijskega medija ključno poznavanje njegove strukture in meddelčnih korelacij, se z uporabo računalniških simulacij vzporedno ukvarjamo tudi z vprašanji, če so modelni sistemi ionskih tekočin in drugih zelenih topil z velikimi osnovnimi gradniki (ioni ali molekulami) primerni za opis lastnosti realnih sistemov.  Pri simulacijah posvečamo posebno pozornost obravnavi velikega števila delcev (velikih osnovnih celic), kar terja ogromno količino računalniškega časa.

Med številnimi raziskavami postopkov procesa delaminacije, ki jih lahko zasledimo v literaturi, jih zelo malo vključuje ionske tekočine, pa še te se večinoma ukvarjajo le z ogljikovimi nanomateriali. Z raziskavami na tem projektu tako odpiramo novo pomembno poglavje na področju tekočinskih postopkov delaminacije plastovitih materialov. Sistematična kombinacija eksperimentalnih in teoretičnih raziskav predstavlja pomemben obet k dosegi zastavljenih ciljev. Dodatna kvaliteta pri izvedbi predlaganega projekta je zagotovo tudi komplementarnost strokovnih kompetenc madžarske (vodja izr. prof. István Szilágyi) in slovenske projektne skupine, ki vsaka zase posedujeta specifična znanja in izkušnje iz različnih raziskovalnih področij, obe skupaj pa kompetence, ki zagotavljajo uspešno in učinkovito delo.

Cilji

Glavni raziskovalni izziv tega projekta je nadomestitev ustaljenih večstopenjskih postopkov delaminacije plastovitih materialov, ki z namenom zvišanja izkoristka vključujejo uporabo tveganih toksičnih dodatkov ter hlapnih topil, in razvoj konceptualno novih in hitrejših enostopenjskih postopkov delaminacije za pridobivanje visoko kakovostnih dvodimenzionalnih materialov v okoljsko prijaznejših zelenih topilih. Za dosego tega cilja se primarno osredotočamo na razvoj stabilnih disperzij monolamelarnih plastovitih dvojnih hidroksidov in titanatnih nanolističev v ionskih tekočinah, njihovih mešanicah z vodo ali z drugimi zelenimi topili ter na pripravo njihovih tankoslojnih filmov in hibridnih nanokompozitov.

Zelo pomemben cilj tega projekta je tudi teoretična in eksperimentalna raziskava strukturnih, reoloških in dinamičnih karakteristik zelenih topil z uporabo eksperimentalne tehnike ozko- in široko-kotnega rentgenskega sipanja in računalniških simulacij molekulske dinamike v kombinaciji z metodo dopolnjenega sistema, ki smo jo razvili v naši skupini. Pričakujemo, da bodo rezultati raziskav konkretnih materialov na osnovi nanolističev imeli pomemben vpliv na področju njihove uporabe kot visoko efektivni nizkocenovni katalizatorji v proizvodnji čiste energije in njenega hranjenja, to je v gorivnih celicah, baterijah, sistemih za cepitev vode in sončnih celicah za proizvodnjo električne energije.
 

Shema 2: Prikaz pristopa delaminacijskih raziskav

Faze oz. mejniki

Projekt je razdeljen na tri faze: (i) priprava plastovitih nanomaterialov in preliminarne raziskave strukture modelnih ionskih tekočin z metodo ozko in širokokotnega rentgenskega sipanja (SWAXS), (ii) delaminacija plastovitih nanomaterialov in nadaljevalne strukturnih raziskav izbranih ionskih tekočin in drugih kompleksnejših zelenih topil, in (iii) stabilizacija in solvatacija nanolističev, priprava kompozitnih materialov v zelenih topilih in strukturne raziskave mešanic zelenih topil.

Shema 3: Prikaz posameznih faz projekta

Rezultati

Rezultati projekta bodo navedeni po objavi v mednarodni znanstveni literaturi.