Fizika mehkih snovi, površin in nanostruktur

Program predstavlja usmeritev v raziskave novih, kompleksnih sistemov mehke snovi in površin s posebnimi funkcionalnimi lastnostmi. Med njimi so tekoče-kristalni (TK) elastomeri kot multifunkcionalni materiali, molekularni motorji, fotonski kristali iz mehke snovi in umetno sintetizirane ali spontano samoorganizirane mikro- in nano-strukture. Cilj programa je z modeliranjem in eksperimenti spoznati strukturo teh sistemov, njihove interakcije, delovanje na molekularnem nivoju in procese samoorganiziranja ter preučiti možnosti uporabe. Temeljno izhodišče raziskav je, da je mogoče kompleksne funkcionalne in samoorga-nizacijske procese spoznavati in razumeti z raziskavami meddelčnih interakcij v preprostih fizikalnih sistemih, ki so realni ali modelni. Program je razdeljen na naslednje naloge: 2D IN 3D PERIODIČNE STRUKTURE (FOTONSKI KRISTALI). Raziskali bomo zmrzovanje in taljenje koloidnih delcev, vključenih v 2D tekočino, pod vplivom periodičnih zunanjih potencialov. V okviru 3D fotonskih kristalov se bomo posvetili koloidnim strukturam v tekočekristalni matriki in kompozitom tekoči kristal - polimer , ki nastanejo s holografsko modulirano fazno separacijo. SAMOORGANIZACIJA KOLOIDNIH DELCEV NA STRUKTURIRANIH POVRŠINAH v prisotnosti tekočinskega medija. Zanima nas obnašanje površinskih in strukturnih interakcij pri prehodu iz mikro- v nano-področje, še posebej v termotrop-nih tekočih kristalih in med površinami v vodni raztopini. Z AFM bomo raziskovali in načrtno funkcionalizirali površine, ki interagirajo bodisi privlačno ali odbojno. Domnevamo, da bomo na ta način dosegli preferenčno adsorbcijo delcev. STRUKTURNE IN FLUKTUACIJSKE SILE bomo študirali v izbranih tekočih kristalih in modelnih binarnih sistemih z modificiranimi površinami. Na osnovi novih eksperimentalnih tehnik piezorezistivnih tipal in mikroskopa na totalni odboj bomo raziskovali naravo teh sil v okolici faznih prehodov. TK ELASTOMERI, sestavljeni iz mezogenih enot, vpetih v polimerne verige, ki so med seboj šibko prečno povezane. Raziskali bomo vpliv urejenosti mezogenih enot na termo-elastični efekt, ki omogoča uporabo TK elastomerov za aktuatorje ali umetne mišice. Zanimala nas bo tudi možnost njihove uporabe v "adaptivni optiki". DEFEKTNE STRUKTURE, STEKLASTE IN NOVE LIOTROPNE FAZE. Raziskali bomo vpliv hidrodinamičnih tokov na dinamiko defektov v TK, njihovo kreacijo in anihilacijo ter fluktuacije disklinacijskih linij. Preučevali bomo vpliv šibkega nereda na fazno obnašanje in dinamiko s poudarkom na steklastem obnašanju. VISOKO KONTRASTNI ŠIROKOKOTNI MODULATORJI SVETLOBE (APLIKACIJE TK). Razvili bomo modeliranje močno zasukanih struktur v TK modulatorjih svetlobe in raziskali vpliv ionske kontaminacije, torej pojave povezane s prevajanjem ionov, njihovo adsorbcijo v mejnih plasteh TK prikazovalnikov in s tem povezane neželjene spominske efekte v "AM LCD" zaslonih. MOLEKULARNI MOTORJI. Raziskali bomo mehanizme oscilatornega delovanja sklopljenih molekularnih motorjev na osnovi njihove kemijske kinetike. Razvili bomo modele za opis motorjev v slušnih receptorjih, za pojav sinhronizacije med posameznimi oscilatorji ter za spontani nastanek vzorcev in valov v sistemih, kjer v raztopini pride do interakcije motorjev in biopolimerov. SINTEZA ANORGANSKIH NANOCEVK iz družine sulfidov in selenidov prehodnih kovin ter optimizacija njihove rasti. Raziskovali bomo načine funkcionalizacije površin nanocevk, ki privedejo do adsorbcije nanodelcev, proteinov in DNA, kakor tudi polnjenje notranjosti cevk s feroelektričnimi in feromagnetnimi snovmi. SINTEZA UREJENIH POVRŠINSKIH NANOSTRUKTUR s postopkom "kemije posamezne molekule" v nanoreaktorju, zasnovanem na nizkotemperaturnem STM. Zanimala nas bo termična in strukturna stabilnost ter elektronske transportne lastnosti nanostruktur, sintetiziranih s sestavljanjem atomov in molekul. Študirali bomo samoorganizacijo in manipulacijo ferocena in različnih ftalocianinov, saj so zanimivi za opt...

Raziskave naše programske skupine, ki temeljijo na sinergiji eksperimentalnih in teorijskih metod optike, fotonike, elektromagnetizma, statistične fizike, mikrofluidike in mehanike zelo uspešno povezujejo pojave s področij fizike mehkih materialov, površin, nanostruktur in celičnih organizmov. Dosežki skupine iz zadnjih šestih let kažejo, da je le-ta v samem vrhu današnje znanosti o mehkih snoveh, površinah in nanostrukturah, kar tudi potrjujejo naše objave v vplivnih revijah (Science, Nature, itd), vabljena predavanja na prestižnih konferencah (Gordon Research Conference, Liquids, ILCC, SPIE...), mednarodne nagrade, podeljeni mednarodni patenti in citiranost člankov. Poleg napredka na bazičnem razumevanju kompleksne mehke snovi in njenih kompozitov, raziskave odpirajo neposredno pot do novih funkcionaliziranih kompozitnih materialov, ki s svojimi specifičnimi nano in mikroskopskimi lastnostmi omogočajo tehnološko rabo. Miniaturizacija in lastnosti takih sestavov so pomembno gonilo v razvoju na znanju temelječih aplikacij, saj dvigujejo ekonomsko učinkovitost proizvodnje, nižajo porabo energije in pomembno izboljšujejo tudi njihove lastnosti in zmogljivosti.

Rezultati kažejo, da je programska skupina usmerjeni v vrhunske raziskave in inovacije, temelječe na znanstveni odličnosti in najvišjih standardih dela. Poleg tega, da odličnost slovenskih inštitucij krepi akademsko in industrijsko privlačnost same države, le-to v svoji srži prispeva tudi k slovenski odličnosti in družbenoekonomskemu razvoju nasploh. Glavno gonilo programske skupine – komplementarno povezovanje osnovnih raziskav in tehnoloških aplikacij – predstavlja nujen element, ki lahko prispeva k dolgoročnemu trajnostnemu razvoju in konkurenčnosti Slovenije. Raziskave na področju eksperimentalne in teoretične fizike mehke snovi imajo v Sloveniji dolgo in izjemno uspešno tradicijo, pri čemer igra naša skupina osrednjo vlogo. V skoraj 30 letih raziskav so bile vzpostavljene močne vezi med osrednjima slovenskima raziskovalnima inštitucijama, Inštitutom Jožef Stefan (IJS) in Fakulteto za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani, ki so kvaliteto naših raziskav dvignile v sam svetovni vrh. Raziskave v okviru programa imajo za trajnostni razvoj Slovenije večkratni pomen. Posredni vpliv: Dosežki skupine, ki jih predstavljamo v poročilu, so na celi vrsti področij v svetovnem vrhu in tako pomembno utrjujejo nacionalno identiteto in prepoznavnost Slovenije. Po drugi strani skupina predstavlja tudi jedro, preko katerega prehajajo izsledki tujih raziskav in spoznanj v Slovenijo. Poudariti velja, da si v okviru programske skupine prizadevamo tudi za predstavitev znanosti širši javnosti v Sloveniji. Nadalje so naše uspešne raziskave ključne za uspešno organizacijo in izvedbo več dodiplomskih in podiplomskih izobraževalnih programov. Skupina je omogočila uspešno realizacijo vrste doktorskih del in s tem tudi zaposlitve visoko izobraženih kadrov (Podrobnosti so v priloženi preglednici). Neposreden vpliv na gospodarstvo je bolj omejen, vendar na specifičnih primerih zelo pomemben, kar lepo ilustrira primer optičnih aplikacij, kjer se je nova, mala in srednja visokotehnološka slovenska industrija v svetu nesorazmerno močno uveljavila (Fotona, Balder, Optotech….) predvsem zaradi solidnega domačega znanja na področju fizike in posebej optike. Tako se je »spin-off« podjetje IJS, Balder, ki po licenci IJS izdeluje avtomatske tekoče-kristalne optične zaščitne filtre (varilska tehnika, medicina, itd) že v prejšnjem desetletju uspešno afirmiralo tako na ameriškem kot tudi na evropskem tržišču. Potrebno je poudariti, da so v naše programske raziskave vodile v razvoj novih principov delovanja specifični optičnih preklopnikov za zaščito oči z velikim svetlobnim izkoristkom in manjšo porabo električne energije. Tako je podjetju Balder neposredno odpirajo nove možnosti zlasti na novih, zahtevnejših področjih uporabe avtomatskih zaščitnih sredstev za oči (medicina, letalski promet), ki se izredno hitro razvijajo. Nenazadnje je to prineslo tudi sodelovanje v mednarodnih projektih (NATO, EU) in aktivno sodelovanje v delovni skupini za pripravo novega ISO standarda za zaščito oči. Brez tega nova visokotehnološka industrija, ki nastaja v Sloveniji, ne more ohraniti svojega zagona in samo tako lahko ohranja svojo konkurenčnost na svetovnem tržišču. V zadnjem času je Balder prevzelo veliko mednarodno podjetje Kimberley Clark, ki pa ravno zaradi naše raziskovalne podpore ohranja razvoj preklopnikov v Sloveniji. Druga pomembna aplikativna usmeritev programske skupine, ki ima tudi velik potencial za pomemben prispevek k družbenoekonomskemu razvoju Slovenije, je sinteza ter uporaba MoS2 nanocevk kot nova napredna maziva in sredstva za zmanjševanje mehanske obrabe. Trenutna ovira na poti k polni komercializaciji tehnologije - je razvoj sinteznega procesa s kilogramsko proizvodno zmogljivostjo, ki ga IJS spin-off podjetje Nanotul brez večje investicije ne zmore.