Magnetna resonanca in dielektrična spektroskopija pametnih novih materialov

"Pametni" materiali so snovi z nenavadnimi, lahko tudi izključujočimi si fizikalnimi, kemijskimi, mehanskimi ali strukturnimi lastnostmi, ki jih lahko manipuliramo z zunanjim fizikalnim parametrom, zaradi česar so obetavni za uporabo v funkcionalnem smislu. Preučevali bomo naslednje skupine takšnih materialov (1-12) in razvijali metode za njihovo pripravo oziroma karakterizacijo (13-14): 1. Materiali s "pametno" kombinacijo fizikalnih lastnosti kot je kombinacija kovinske električne prevodnosti in nizke toplotne prevodnosti ter možnostjo spreminjanja obeh preko kemijske sestave. 2. Intermetalne spojine za "pametno" katalizo z visoko katalitsko selektivnostjo in časovno stabilnostjo v času kemijske reakcije, osnovano na konceptu izoliranih aktivnih mest. 3. "Pametni" materiali s termičnim spominom za termično shranjevanje digitalnih informacij iz razreda kvazikristalov in kompleksnih kovinskih spojin, ki predstavljajo začetek termičnega računalništva. 4. Samoorganizirani "pametni" nanokompoziti kot mreže kovinskih nanodelcev (Co, Ni in Mo) v dielektrični matriki (npr. Bi12GeO20) s funkcionalnimi optičnimi lastnostmi (frekvenčno selektivna zrcala, optični filtri). 5. "Pametni" antiferomagneti, kjer lahko izmenjalne interakcije zvezno nastavljamo z magnetnim poljem ali s temperaturo. 6. Nekonvencionalni multiferoiki s hkratnim magnetnim in polarnim redom ter močno magneto-električno sklopitvijo, ki predstavlja osnovo njihove multifunkcionalnosti. 7. Geometrijsko frustrirani spinski sistemi z nekonvencionalnimi magnetnimi lastnostmi, ki lahko vodijo do funkcionalnih faz v primerih hkrati aktivnih prostostnih stopenj. 8. Nenavadni superprevodniki, kjer interakcije med elektroni znotraj multiorbitalne pasovne strukture vodijo do višjih kritičnih temperatur oziroma kritičnih polj. 9. Termomehansko aktivni elastomerni kompoziti so novi elastično anizotropni materiali z netrivialnim profilom termičnega raztezanja, ki ga lahko prilagajamo s pomočjo orientacijskega urejanja termomehansko aktivnih polnil v obliki mikro- in nanodelcev. 10. Materiali z ojačenim dielektričnim in elektromehanskim odzivom za manipulacijo in shranjevanje električnih nabojev in energije ter napredne elektromehanske aplikacije. 11. Materiali z velikim elektrokaloričnim odzivom za razvoj novih dielektričnih tehnologij hlajenja, okolju bolj prijaznih, manj hrupnih hladilnih naprav z boljšim energijskim izkoristkom kot trenutne hladilne tehnike. 12. Nanostrukturni oksidi prehodnih kovin, sinteza ter študij katalitskih lastnosti v kislo/bazično kataliziranih reakcijah pri pretvorbah v organski kemiji in fotokemijske aktivnosti pri razgradnji organskih polutantov. 13. Kvadrupolna resonanca zdravilnih učinkovin, ki imajo v novi, kokristalni obliki, načrtno prilagojene fizikalne lastnosti kot so topnost, hitrost raztapljanja, higroskopnost ali stabilnost. 14. Eksperimentalna postavitev sistema hladnih atomov kot nova možna pot za študij, projektiranje in simuliranje "pametnih" materialov.

"Pametni" materiali, v katerih se prepletajo različne prostostne stopnje, so trenutno v samem ospredju raziskav na področju znanosti o materialih v Evropi in v svetu. To je posledica dejstva, da je njihova fizika precej bolj zapletena kot fizika običajnih materialov, prav zaradi tega pa tipično kažejo možnost manipulacije z zunanjim fizikalnim parametrom, kot je temperatura oziroma električno ali magnetno polje. Podrobno razumevanje posledic prepletanja različnih prostostnih stopenj na obnašanje materiala, na procese urejanja in lokalne dinamike v teh materialih je ključno tako s stališča osnovne znanosti kot morebitnih aplikacij. Trenutno je poznavanje lokalnih fizikalnih mehanizmov odgovornih za termični odziv in odziv na zunanja polja še dokaj nepopolno. Zapolnitev teh vrzeli v znanju je zato nujna za uspešen prenos teh materialov na različna področja uporabe v prihodnosti: za termično računalništvo kot morebitno novo vejo digitalne informacijske tehnologije, za senzorje, aktuatorje, umetne mišice, "lab on a chip" tehnologijo, MEMS in NEMS naprave, spominske komponente, elektronske elemente v visokofrekvenčnih napravah (GPS sistemi, mobilna telefonija), frekvenčno selektivne optične komponente, sisteme z negativnim efektivnim lomnim količnikom, električno učinkovitejše naprave, električne komponente z zmanjšanim gretjem, hladilne naprave z boljšim energijskim izkoristkom, naprave temelječe na kvantnih pojavih z zmanjšano dekoherenco, selektivno katalizo, povečano stabilnost in boljši izkoristek kemijskih reakcij itd. Omenjene naprave, sistemi in procesi bodo igrali pomembno vlogo v informacijski tehnologiji, biomimetiki, pri smotrnemu ravnanju z energijo in ostalih visokotehnoloških podvigih, ki so močno odvisni od podpore s strani osnovne znanosti. Vse opisane raziskave v predlaganem programu predstavljajo nova in aktualna področja sodobne znanosti ter zagotavljajo originalne in mednarodno primerljive rezultate. Pričakujemo, da bodo rezultati raziskav znatno prispevali k razvoju znanosti na področju razumevanja in uporabe sodobnih materialov.

1. Pomen za gospodarstvo Predlagane raziskave "pametnih" materialov spadajo v široko področje "Napredni materiali" v okviru "Ključnih spodbujajočih tehnologij" programa Horizont 2020 ( http://ec.europa.eu/programmes/horizon2020/en/area/key-enabling-technologies ). Kot je zapisano v njegovi predstavitvi, naj bi napredni materiali prinašali nove funkcionalnosti in izboljšane lastnosti, s čimer bi omogočili dodano vrednost obstoječim produktom in procesom, z močnim poudarkom na trajnostnem razvoju. Evropa si torej želi prehoda s starega, prekomernega izkoriščanja naravnih virov na sodobno, učinkovito izkoriščanje ob pomoči znanja, pri čemer je skrb za okolje na prvem mestu. Napredni materiali naj bi pri tem prehodu igrali pomembno vlogo, saj naj bi evropski industriji omogočili obdržati konkurenčnost v primerjavi z vzhodnimi razvijajočimi se gospodarstvi, ki temeljijo na prekomernem izkoriščanju naravni virov. V programu predlagane raziskave "pametnih" materialov imajo natanko takšen cilj, saj so usmerjene v razumevanje lastnosti materialov in s tem v iskanje njihovih novih funkcionalnosti. Od tod izvira pomen programa za tehnološki razvoj Slovenije v okviru obstoječih in nastajajočih majhnih in srednje velikih podjetij, kar v končni fazi vodi tudi do novih delovnih mest.   2. Promocija države in mednarodna delitev dela Predlagane raziskave "pametnih" materialov bodo slovenski prispevek v svetovno zakladnico znanja na področju znanosti sodobnih materialov in fizike trdne snovi. Slovenijo bodo opredelile kot družbo znanja. Pričakujemo znatne posredne rezultate, kot so promocija Slovenije kot visokotehnološko razvite države, vključitev Slovenije v mednarodni trg dela tako na področju znanosti v obliki sodelovanja s tujimi uglednimi institucijami kot v obliki sodelovanja znotraj evropskih in svetovnih mrež, kjer se dogaja prenos znanja v prakso. V obeh pogledih se je obstoječa programska skupina v preteklosti izkazala.   3. Vzgoja in izobraževanje kadrov V predlagane raziskave "pametnih" materialov bodo v skladu s tradicijo obstoječe programske skupine vključeni tudi univerzitetni študenti vseh stopenj. S tem bodo neposredno deležni znanja o "pametnih" materialih, hkrati pa bodo sodelovali pri ustvarjanju novega znanja na tem področju. Nekaj članov predlagane programske skupine je aktivnih v študijskem procesu kot nosilcev predmetov, znotraj katerih se že dogaja sprotni pedagoški prenos v raziskavah pridobljenega znanja o "pametnih" materialih med študente. V okviru Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani sta takšna predmeta (i) "Metode eksperimentalne fizike snovi" nosilca Janeza Dolinška, vodje predlaganega programa, ki je nedavno izdal učbenik "Experimental Methods of Condensed Matter Physics", (ii) "Industrijska fizika" nosilca Denisa Arčona. V okviru Mednarodne podiplomske šole Jožefa Stefana pa sta takšna predmeta (iii) "Fizika materialov" nosilcev Boštjana Zalarja in Zdravka Kutnjaka, (iv) "Dielektrične in toplotne lastnosti nanomaterialov" nosilca Vida Bobnarja. (v) "Jedrska magnetna relaksacija in resonanca nanomaterialov" nosilca Tomaža Apiha