Nanostrukturni materiali

Raziskovalna skupina izvaja ključne preiskave novih, boljših materialov za energetiko, elektroniko, senzorske tehnologije, ekologijo in zdravje.  Predlagani raziskovalni program bo vpeljal inovacije na naslednjih področjih: a) magnetni materiali in intermetalne zlitine, b) senzorji, materiali za trajnostno in ekološko zgrajeno okolje ter zdravje, c) funkcionalni polprevodniški in termoelektrični materiali, d) učenje osnovnih načel rasti in urejanja kristalov in e) napredna elektronska mikroskopija in modeliranje materialov. Medtem ko se prva tri področja osredotočajo na sintezo in obdelavo materialov z izboljšanimi lastnostmi, zadnja dva združujeta najsodobnejše tehnike elektronske mikroskopije z naravnimi pojavi kristalne rasti za razkritje temeljnih načel, ki določajo obnašanje snovi na atomarni ravni. Izredno interdisciplinaren program združuje znanje iz mnogih področij, da bi omogočil boljše razumevanje korelacij med intrinzičnimi lastnostmi materialov in njihovimi posledičnimi fizikalnimi lastnostmi. Na področju magnetnih materialov bomo kot vodilni v svetovnem merilu nadaljevali z raziskavami permanentnih magnetov kot odgovor na vse večje težave pri dobavi njihovih kritičnih surovin. Na področju kompleksnih kovinskih zlitin bomo nadaljevali skupno raziskovanje z inštitutom Jean Lamour, Nancy, Francija, v okviru združenega mednarodnega laboratorija. V senzoričnih aplikacijah smo osredotočeni na popolnoma avtomatizirane senzorske naprave za odkrivanje toksičnih organskih spojin in meritvami vlage z uporabo novih elektrokemijskih in uporovnih principov detekcije. Na področju medicine razvijamo materiale za zdravljenje raka z novimi teranostičnimi pristopi in z naprednimi postopki funkcionalizacije nanodelcev. Prav tako uporabljamo napredne oksidacijske procese, kot je foto(elektro)kataliza, z namenom razvoja naprednih sistemov za odstranjevanje onesnažil v obliki obstojnih organskih spojin iz vode in zraka. Naše raziskave na področju funkcionalnih polprevodniških materialov in termoelektrikov prispevajo k reševanju svetovnih problemov na področju energetike, naše vodilno strokovno znanje na področju elektronske mikroskopije pa omogoča napredne temeljne raziskave. Na področju modeliranja materialov in mej med zrni ostajamo med vodilnimi na svetu. Program bo vključeval tudi prihodnja nastajajoča področja, ki izhajajo iz četrte industrijske revolucije (Industrija 4.0), na primer oblikovanje hierarhičnih več-materialnih struktur z naprednimi postopki aditivne proizvodnje. Raziskave na tem področju so dobro usklajene z raziskovalno in inovacijsko strategijo Evropske komisije, s poudarkom na vodilnih področjih nanotehnologije in naprednih materialov, hkrati pa so tesno povezane z evropskim programom Vodenje omogočitvenih in industrijskih tehnolgij. Program je tudi v skladu s slovensko Strategijo pametne specializacije, ki podpira prednostne stebre Razvoj za proizvodnjo in trženje, Razvoj materialov kot končnih izdelkov, zdravje in medicina, ter Pametne tovarne.

V sledečem obdobju šestih let pričakujemo nadaljnjo širitev interdisciplinarnih raziskav iz temeljnih področij fizike, kemije in mineralogije, torej področij, ki se trenutno izvajajo v naši programski skupini, na številna druga uporabna inženirska področja kot so elektronika, računalništvo in umetna inteligenca. Hkrati je potrebno poudariti, da še vedno obstaja veliko neodgovorjenih vprašanj na vedno večje zahteve družbe in se navezujejo na razumevanje premoščanja krize izčrpavanja naravnih zemeljskih virov. Prizadevanja v našem programu so tako ključnega pomena za reševanje nastajajočih izzivov in problemov s katerimi se sooča današnja družba na področju energije, gradbeništva, zdravja, medicine in ekologije. Predlagani raziskovalni program bo vpeljal inovacije znanosti na naslednjih področjih: a) magnetni materiali in intermetalne zlitine, b) senzorji, materiali za trajnostno in ekološko zgrajeno okolje ter zdravje, c) funkcionalni polprevodniški in termoelektrični materiali, d) učenje osnovnih načel rasti in urejanja kristalov in e) napredna elektronska mikroskopija in modeliranje materialov. Medtem ko se prva tri področja osredotočajo na sintezo in obdelavo materialov z izboljšanimi lastnostmi, zadnja dva združujeta najsodobnejše tehnike elektronske mikroskopije z naravnimi pojavi kristalne rasti za razkritje temeljnih načel, ki določajo obnašanje snovi na atomarni ravni. Na področju magnetnih materialov smo ena izmed vodilnih skupin, ter tako doprinašamo k svetovni znanosti in izzivom na tematiko razvoja in reciklaže magnetov kot odgovor na vse večje težave pri dobavi njihovih kritičnih surovin. Na področju kompleksnih kovinskih zlitin nadaljujemo skupno raziskovanje z inštitutom Jean Lamour v okviru združenega mednarodnega laboratorija. V senzoričnih aplikacijah smo osredotočeni na popolnoma avtomatizirane senzorske naprave za odkrivanje toksičnih organskih spojin in meritvami vlage z uporabo novih elektrokemijskih in uporovnih principov detekcije. Na področju medicine razvijamo materiale za zdravljenje raka z novimi teranostičnimi pristopi in z naprednimi postopki funkcionalizacije nanodelcev. Prav tako uporabljamo napredne oksidacijske procese, kot je foto(elektro)kataliza, z namenom razvoja naprednih sistemov za odstranjevanje onesnažil v obliki obstojnih organskih spojin iz vode in zraka. Naše raziskave na področju funkcionalnih polprevodniških materialov in termoelektrikov prispevajo k reševanju svetovnih problemov na področju energetike, naše vodilno strokovno znanje na področju elektronske mikroskopije pa omogoča napredne temeljne raziskave. Na področju modeliranja materialov in mej med zrni ostajamo med vodilnimi na svetu.

Naš raziskovalni program pospešuje razvoj v številnih segmentih industrije in si prizadeva ter vzpodbuja nastajanje inovacij znotraj države. Vsak novonastali produkt, ki ima veliko možnost za tehnološki preboj, bo zaščiten, t.i. patentiran, ter nadaljnje predstavljen zainteresiranim industrijskim podjetjem. Verjamemo, da je to način, ki ima pozitiven vpliv na gospodarsko rast z vidika novonastalih delovnih mest v proizvodnji materialov in nanotehnologiji, proizvodnji opreme ter drugi industriji. Bolj natančneje, na področju nano in mikro izdelovanja inovativnih materialov bomo v sodelovanju s številnimi podjetji kot končni produkt izdelani visokozmogljivi magneti (v sodelovanju z Magneti Ljubljana, Kolektor Group, Domel, ABB Switzerland), visokozmogljiva nova orodja za proizvodnjo cenovno ugodnih tehnologij, ki zmanjšujejo uporabo kritičnih surovin (v sodelovanju z Gorenjem, Zeos-om, Kolektor-jem, Magneti in EU podjetji, ki se ukvarjajo z reciklažo, kot sta ROCKLING, STENA). Sposobnost priprave raznovrstnih nanomaterialov želimo izkoristiti za oblikovanje nanostrukturiranih prenosnih senzorjev z močno izboljšano zmogljivostjo (v sodelovanju s podjetji Impedanca, Dawesoft in IOS ter velikimi podjetji kot so Gorenje, Bosch, and ABB). Razvijali bomo tudi nove metode čiščenja vode, zraka in mikroplastike s Gorenjem, Arhelom and AquaVivo. Z vidika nanomedicine želimo v ta namen ustvariti posebej prilagojene materiale in sodelovati ter pomagati pri kompleksnejših analizah (v sodelovanju z Medex-om in Aczon NanoBioTech-om ter novonastalimi sodelovanji z SME's preko organizacije COST Action Nano2Clinic). Z vidika keramike želimo izboljšati zmogljivost že obstoječih in ustvariti nove tipe varistorske keramike za prenapetostno zaščito (dolgoletna sodelava s podjetjema Varsi in Keko Variconom), hkrati ciljamo na preboj v učinkovitosti termoelektričnih materialov. Želimo uveljaviti nove metode za kvantno-mehansko sestavljanje hierarhičnih nanomaterialov za bodoče aplikacije v nanotehnologiji. Izpostavljamo, da želimo vse nove proizvode razširiti na evropski trg s ciljem pridobitve novih poslovnih priložnosti. Že do sedaj smo bili aktivni pri pridobivanju EU sredstev, ki igra zelo pomembno vlogo v znanosti, saj na ta način pospešuje ustvarjanje novih podjetij in upravljanje intelektualne lastnine na področju raziskav.   Premoščanje razlike v tehnološki pripravljenosti: Naše ciljne raziskave so usklajene z ključnimi tehnologijami in ter S4 slovensko strategijo pametene specializacije, zlasti na področju mikro in nanoelektronike, nanotehnologije, naprednih materialov in naprednih proizvodnih tehnologij. Do sedaj smo bili že zelo uspešni pri prenosu laboratorijskih raziskav (TRL 1-4) do proizvodnje v industriji oz. na trg (TRL 5-9), in sicer na področju varistorske keramike in novih tipov trajnih magnetov, ki so ključni za pametno mobilnost in obnavljanje energije.     Pomemben del naših aktivnosti je posvečen navdihovanju in izobraževanju mlajše generacije znanstvenikov z vključevanjem v naše raziskovalno delo preko prakse, preko pridobivanja izobrazbe (diploma, magisterij, doktorat) ali po-doktorskega izobraževanja. Rezultati, ki bodo doseženi v okviru predstavljenega programa, bodo vsekakor izboljšali znanstveno odličnost skupin in njihovo prepoznavnost na evropski in svetovni ravni, hkrati pa privabili in obdržali najbolj nadarjene mlade raziskovalce v Evropi, ki so izjemno pomembni za širitev specializiranih in inženirskih veščin na bodoče generacije. Člani programske skupine so habilitirani na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo, Fakulteti za fiziko in matematiko, Naravoslovnotehniški fakulteti in na Mednarodni podiplomski šoli Jožef Stefan. Potrebno je izpostaviti, da program izkorišča bogato širjenje in sporočanje rezultatov vsem zainteresiranim stranem, vključno z nevladnimi organizacijami in agencijami za financiranje, kot tudi širši javnosti preko medijev, prispevkov v časopisih, video/radijskih/televizijskih intervjujev