Fizika mehkih snovi, površin in nanostruktur

V predlaganem programu bomo obravnavali nove izzive moderne fizike mehke snovi, nanostruktur in površin, ki segajo na izbrana področja od fizike, biotehnologije in kemije do fotonike, optike ter nanoznanosti. Predlagane raziskave pokrivajo komplementarne skupine ciljev, usmerjenih v ustvarjanje konceptualno novih pristopov, npr. topološke fotonike, topoloških superstruktur v mehki snovi in aktivnih mikrobotov v kompleksnih tekočinah. Raziskali bomo topološke strukture materialnih polj in koloidov, topologijo, geometrijo in fotoniko mehke snovi, ultrahitre pojave, nekonvencionalne mehke materiale, aktuirano in aktivno snov, nanomateriale, polimerne nanokompozite in maziva, močno korelirane sisteme atomov in površin, ter –pomembno– njihovo uporabo, vse v vrhu moderne znanosti. Raziskovalna metodologija bo združevala eksperimente, teorijo in modeliranje, kar daje programu prednost, saj dovoljuje optimalno izbiro pristopov za celostno obravnavo izbranih problemov. Glavni trije aplikativni cilji so usmerjeni v razvoj ukrivljenih tekočekristalnih preklopnikov za varilska očala in za kotno selektivno očesno zaščito, v razvoj optičnega tranzistorja na osnovi resonančnega optičnega nadzora fluorescence v nematskih mikroresonatorjih in v razvoj sinteze velikih količin na MoS2-nanocevkah temelječih maziv in protiobrabnih materialov. Raziskovalno delo naše skupine je danes v svetovnem vrhu moderne fizike mehke snovi, površin in nanostruktur, kar dokazujejo naše objave v najbolj vplivnih revijah (Science, Nature,…), plenarna in vabljena predavanja na prestižnih mednarodnih konferencah (npr. Gordonski), podeljeni patenti ter visoko število citatov. Naši osrednji znanstveni cilji so usmerjeni v raziskovanje in inovacije, temelječe na znanstveni odličnosti in najvišjih delovnih merilih, s čemer ne le krepimo akademsko in industrijsko privlačnost Slovenije, ampak vplivamo tudi na odličnost slovenske družbe kot celote. K družbenoekonomski in kulturni rasti naše države prispevamo tudi na različnih ravneh v izobraževanju, z vabili zunanjim obiskovalcem ter z izmenjavo obiskov. Načrtujemo raznolike dejavnosti razširjanja dosežkov programske skupine, vključujoč znanstvene objave in predavanja, organizacijo znanstvenih srečanj, srednješolska predavanja, objave v medijih in na spletu ter objavo prosto dostopnih prispevkov. Znanstveni, družbenoekonomski in kulturni prispevki naše programske skupine tako obsegajo bazično znanost, visokotehnološke aplikacije, spin-off podjetje, patente, poučevanje ter šolanje raznovrstnih strokovnjakov, kar bo vse prispevalo k rasti Slovenije v visokotehnološko, z visoko dodano vrednostjo in na znanju temelječo družbo.

Raziskovalno delo naše programske skupine, ki ga v tem predlogu ponovno ambiciozno zastavljamo, je v samem vrhu današnje znanosti o mehkih snoveh, površinah in nanostrukturah, kar tudi potrjujejo naše objave v vplivnih revijah (Science, Nature), vabljena predavanja na prestižnih konferencah (npr. Gordonski), podeljeni patenti in citiranost člankov. Funkcionalizirana mehka snov s svojimi nano- in mikroskopskimi lastnostmi predstavlja neposredno pot do novih materialov in načinov obnašanja. Miniaturizacija sistemov pomeni pomembno gonilo v razvoju na znanju temelječih aplikacij, saj dviguje ekonomsko učinkovitost proizvodnje in kvaliteto izdelkov, pomembno pa izboljšuje tudi njihove lastnosti – niža porabo energije ter hkrati viša občutljivost zaznavanja in zmogljivosti nasploh. Pričujoči predlog je neposredno usmerjen v izdelavo tovrstnih aplikacij, kjer investicija v znanstveni del hkrati pomeni tudi jasno določljive tehnološke rezultate. Raziskave naše programske skupine obravnavajo pojave s področja ved o materialih, optike, živo-celičnih mehanizmov, računalniškega modeliranja, površin, nanotehnologije in mikrofluidike, in kot take povezujejo zelo raznovrstna področja znanosti. V znanstveni sferi prevladuje soglasje, da bo imela fotonika eno od najpomembnejših vlog v 21. stoletju. Pričujoči projekt posega v sam vrh moderne fotonike in jo poveže s topološko mehko snovjo, kar odpira nova zanimiva vprašanja na stiku obeh področij. Po našem vedenju smo trenutno edina skupina na svetu, ki lahko izvede tak program – torej ki ima izkušnje s hkratno obravnavo samoorganizacije svetlobnih struktur, njenega modeliranja in raziskav razširjanja svetlobe v tovrstni kompleksni snovi. Raziskali bomo splošna odprta vprašanja s področja znanosti kondenzirane snovi, npr. mehanizme za tvorbo topološkega naboja v prisotnosti mikro-objektov, pa tudi vlogo njihove topologije in ograditve, ki jo povzročajo. Poseben nov izziv programa so biokompatibilni tekoči kristali in aktivni nematiki, ki predstavljajo novo tematiko v svetovnem merilu, združujoč fizikalno osredinjene raziskave kompleksnih tekočin z aktivno in biološko snovjo. Naš program je nadalje usmerjen tudi v mehanizme delovanja mikroplavalcev, kar pomeni širok izziv na področju razumevanja in nadzora hidrodinamičnega gibanja pri nizkih Reynoldsovih številih. Sinteza novih nizkorazsežnih nanomaterialov je pomembna s stališča uporabne znanosti mikromazanja, nadzora obrabe in biokompatibilnosti. Optimizacija sinteze patentno zaščitenih postopkov bo z zadostnimi količinami nanomaterialov omogočila raziskave uporabnih lastnosti na semi-industrijski ravni. Poznavanje strukturnih lastnosti in mehanizmov rasti raznolikih nanomaterialov je izziv, ki bo dal rezultate, pomembne za številna znanstvena področja, vključno s fiziko, elektroniko, biomedicino ter inženirstvom. Ker trenutno obstajajo le maloštevilni na MoS2 temelječi nanomateriali, in to tako v znanstveni literaturi kot na tržišču, upravičeno pričakujemo tudi odkritja novih materialnih lastnosti in aplikacij. Pomemben rezultat programa je tudi razvoj oziroma prilagoditev obstoječih metodoloških metod za načrtovanje, izdelavo, karakterizacijo, modeliranje in kontrolo, ki jih terjajo razvoj in raziskave novih materialov. Na primer, povezava področij kompleksnih tekočin, topologije in fotonike, ki je eden od naših ključnih ciljev, zahteva napredno združevanje eksperimentalnih, teoretičnih in modelskih pristopov iz vseh naštetih področij. Velik potencial in pomen predlaganih dopolnjujočih se tem iz mehke snovi, površin in nanostrukturiranih materialov se kaže v številnih odličnih raziskovalnih skupin in inštitucij, ki delajo na teh področjih (MIT, Harvard, CNRS, inštituti MPI, Oxford in Cambridge). Rezultati se objavljajo v najvplivnejših znanstvenih revijah, kot so Nature, Science, PNAS in PRL. Pomen teh raziskav potrjuje tudi Evropska komisija v okviru programa Horizont 2020, ki izpostavlja napredne materiale in nanotehnologije kot ene ključn

Cilji programske skupine so usmerjeni v vroče 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. Naša skupina redno prijavlja mednarodne patente za zaščito tehnologij in rešitev, ki jih je razvila (6 patentov v zadnjem obdobju financiranja). Tudi v prihodnjem obdobju se bomo osredotočali na tehnološko zanimive projekte, kar bo po naših pričakovanjih še nadalje privlačno za visokotehnološko industrijo. Mednarodne partnerje bomo poskusili pritegniti tudi skozi intervjuje in predstavitve patentov v Sloveniji, Evropski uniji in drugod po svetu, tudi npr. s pomočjo sodelavcev z nemškega inštituta “Max-Planck-Institute for Dynamics and Self-Organization”. TEHNOLOGIJA1: Naše raziskave so močno prepletene s slovenskim visokotehnološkim podjetjem Balder, ki je zdaj član korporacije Kimberly-Clark. Podjetje Balder je nastalo kot spin-off podjetje IJS in je najpomembnejši svetovni proizvajalec aktivnih filtrov za varjenje. Aplikativni cilji našega predloga za financiranje so pripravljeni v tesnem sodelovanju z razvojnim oddelkom podjetja Balder. Aplikativne raziskave naše programske skupine bodo tako neposredno prispevale h konkurenčnosti in razvoju tega slovenskega visokotehnološkega podjetja.  TEHNOLOGIJA2: Druga izmed glavnih aplikativnih usmeritev programske skupine, ki bo doprinesla k družbenoekonomskemu razvoju Slovenije, je sinteza ter uporaba MoS2 nanocevk kot nova napredna maziva in sredstva za zmanjševanje mehanske obrabe. Trenutni preizkusi kažejo na veliko zmanjšanje trenja, obrabe in porabe energije ob uporabi nanocevk iz MoS2 v površinskih plasteh mehanskih sklopov. Trenutna ovira na poti k polni komercializaciji tehnologije - kar je eden izmed izrecnih ciljev tokratne vloge za obnovitev financiranja - je razvoj sinteznega procesa s kilogramsko proizvodno zmogljivostjo. Ta bi omogočal aplikacije na veliki skali ter semi-industrijsko testiranje. Razvita tehnologija MoS2 je obetavna tudi na področju antibakterijskih materialov in medicinskih aplikacij. Poleg tehnološko-raziskovalnega dela intenzivno prispevamo tudi k prenosu ekspertnih znanj na področju nano-varnosti in detekcije nanodelcev v slovensko zakonodajo ter industrijske procese. Naše delo tako prispeva tudi k zviševanju standardov varnosti pri delu, pa posredno tudi k izboljšavi kvalitete zraka in varnosti po vsej državi. Naša programska skupina prispeva k družbenoekonomski in kulturni rasti Slovenije tudi skozi izobraževanje, vabljene obiskovalce iz tujine in obiske na tujem. Člani skupine redno poučujejo številne predmete na dodiplomski in podiplomski ravni, poleg tega pa izobražujejo številne magistrske in doktorske študente iz Slovenije in tujine (npr. Velike Britanije, Indije, Kitajske, Irana, Italije), kar pomeni neposredno naložbo v človeški potencial. Naša skupina redno gosti prominentne goste iz vsega sveta (Evrope, Japonske, ZDA...), ki pri nas predavajo ali delajo v naših laboratorijih, s čimer zagotavljamo prenos znanja v Slovenijo. Stiki med raziskovalnimi skupinami, ki jih gojijo visoko izurjeni raziskovalci, so učinkovit način za doseganje vsesplošnih sinergij in ugod