Projekti / Programi
Feromagnetne tekočine krmiljene z električnim poljem
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.01 |
Naravoslovje |
Fizika |
Fizika kondenzirane materije |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P002 |
Naravoslovno-matematične vede |
Fizika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
feromagnetni tekoči kristali, obratni magnetoelektrični pojav, magnetne tekočine, feromagnetizem v tekočinah, mehka snov
Raziskovalci (8)
Organizacije (2)
Povzetek
Magnetno in/ali električno odzivne snovi so ključne za vrsto aplikacij. Primer mehkih materialov so tekoči kristali, ki imajo močan elektro optični odziv, in jih množično uporabljamo v sodobnih zaslonih ter ferofluidi, ki se odzivajo na magnetno polje in jih uporabljamo kot tesnila, pol-aktivne dušilce, v sistemih za namestitev in kot transportne medije. Prednost mehkih materialov pred trdnimi je, da jih zlahka manipuliramo z majhnimi zunanjimi polji.
Feromagnetni tekoči kristali, ki smo jih nedavno razvili, na Institutu Jožef Stefan so hibridi med tekočimi kristali in ferofluidi in se odzivajo tako na električno kot na magnetno polje. So suspenzije magnetnih nanoploščic v običajnem nematičnem tekočem kristalu. V teh suspenzijah je poleg orientacijske ureditve molekul tekočega kristala prisotna tudi polarna magnetna ureditev ploščic, ki se zrcali v pojavu spontane magnetizacije. Poleg neposrednega odziva tekočega kristala na električno polje in magnetizacije na magnetno polje, se material tudi posredno odziva. Magnetno polje vpliva na smer tekočega kristala, kar opazimo kot magneto optični odziv, medtem ko magnetizacija sledi električnemu polju. Posredna odziva sta posledica sklopitve med orientacijskim tekočekristalnim redom in magnetno ureditvijo. Mikroskopski izvor te sklopitve je v interakciji tekočekristalnih molekul s površino magnetnih ploščic.
V projektu se bomo osredotočili na razvoj in razumevanje materialov z veliko magnetizacijo in močnim odzivom na električno polje. Do sedaj razviti feromagnetni tekoči kristali imajo bodisi majhno magnetizacijo in močan odziv na električno polje bodisi veliko magnetizacijo in zelo šibek odziv na električno polje. Cilj predlaganega projekta je razviti materiale, ki imajo lastnosti obeh in ki jih bomo lahko uporabili v napravah, kjer potrebujemo krmiljenje magnetizacije, npr. v nerecipročnih napravah za informacijsko tehnologijo ali v izvorih majhnih magnetnih polj.
Zasledovali bomo dve smeri raziskav. V prvi bomo povečali koncentracijo dispergiranih magnetnih nanoploščic v tekočih kristalih, tako da bomo kemijsko prilagodili elektrosterično bariero in sidranje tekočekristalnih molekul na površini ploščic. S tem bomo povečali magnetizacijo in hkrati ohranili velik odziv na električno polje. V drugi bomo razvili suspenzije magnetoelekričnih Janusovih nanoploščic na površino katerih bomo vezali polarne ali nabite organske molekule tako, da bodo delci imeli električni dipolni moment. Z zunanjim električnim poljem bomo tako lahko inducirali magnetizacijo tudi v suspenzijah, ki bodo sprva izotropne, t.j. brez orientacijskega (nematičnega ali polarnega) reda.
Ta interdisciplinarni projekt bodo izvedli raziskovalci iz raziskovalnih skupin, ki imajo komplementarno znanje, izkušnje in opremo. Skupina iz Odseka za kompleksne snovi na Institutu Jožef Stefan bo zadolžena za karakterizacijo fizikalnih lastnosti, modeliranje in razvoj naprave za sintezo Janusovih ploščic. Skupina iz Odseka za sintezo materialov, ravno tako iz Instituta Jožef Stefan, se bo ukvarjala z izzivi kemije koloidov in površin povezanih s funkcionalizacijo površine nanoploščic in sintezo magnetoelektričnih Janusovih delcev. Vse kemijske procese bodo kontrolirali s primerno kemijsko analizo v okviru tretje raziskovalne skupine iz Univerze v Novi Gorici.
Za razvoj nove vrste mehkih materialov, t.j. magnetnih tekočin krmiljenih z električnim poljem, bomo pridobili nova znanja na področjih površinske in koloidne kemije ter fizike mehkih snovi. Razvili bomo tudi nov postopek za sintezo Janusovih delcev.
Pomen za razvoj znanosti
Medtem ko je feromagnetizem v trdnih snoveh dobro poznan in raziskovalci nepretrgano razvijajo in proučujejo nove trdne magnetne materiale, so feromagnetne tekočine redke. Naše nedavno odkritje feromagnetnih tekočekristalnih koloidov, ki imajo feromagnetno fazo pri sobni temperaturi, odpira pot razvoju novih feromagnetnih tekočin, kar je tudi eden od ciljev predlaganega projekta. Z našim odkritjem smo že odprli možnost proučevanja edinstvenih pojavov povezanih s feromagnetizmom v tekočinah, saj že več svetovno znanih raziskovalnih skupin (npr. iz Univerze v Boulderju iz ZDA in Univerze v Osaki na Japonskem) uporablja naše rezultate za nadaljnje študije. Nujno je, da tudi mi nadaljujemo raziskave na tem področju.
Znanstveni in tehnološki cilji predlaganih raziskav predstavljajo velik izziv. Novost rezultatov raziskav bo troplastna: (i) Pridobili bomo novo znanje o koloidni stabilizaciji in fiziki magnetoelektričnih tekočin. Prvo je ključno za razvoj teh snovi, medtem ko drugo določa njihovo uporabo. (ii) Sintetizirali bomo nove mehke funkcionalne materiale: vrsto feromagnetnih nematičnih tekočih kristalovz močno izraženimi magnetnimi lastnostmi in močnim odzivom na električno polje ter suspenzije magnetoelektričnih Janusovih ploščic, ki bodo tekoči analog multiferoičnih trdnih snovi. (iii) Razvili bomo novo tehnologijo priprave Janusovih delcev z različnimi lastnostmi.
Izvedba zastavljenih ciljev bo omogočila razvoj novih raziskovalnih smeri v fiziki mehkih snovi, predvsem osnovnih raziskav (i) obnašanja tekoče feromagnetne faze in topoloških struktur, (ii) hidrodinamike in magneto/elektro reologije teh novih materialov in (iii) njihove interakcije z elektromagnetnim valovanjem v območju GHz, kjer magnetne lastnosti igrajo ključno vlogo. Zadnje je še posebej zanimivo za uporabo v informacijskih tehnologijah.
Odprle so bodo tudi nove možnosti raziskav na področju kemije. Novo znanje na področju koloidne stabilizacije magnetnih ploščic bomo lahko uporabili tudi za katerokoli nanodelce za različne namene. Posledično pričakujemo dolgoročni vpliv rezultatov na raziskave kemije koloidov in površin. Poleg tega bo novo znanje spodbudilo razvoj kemijskega procesiranja in urejanja koloidov za proizvodnjo novih hibridnih funkcionalnih materialov. Nova tehnologija za proizvodnjo Janusovih delcev bo odprla pot k intenzivnejšim raziskavam Janusovih nanodelcev, ki so zdaj omejene s slabim izkoristkom sinteze. Ker imajo Janusovi delci zaradi svoje dvojne narave veliko zanimivih lastnosti, lahko pričakujemo velik vpliv rezultatov tudi na tem področju. Zanimanje za Janusove delce je veliko predvsem zaradi številnih možnih uporab, ki bodo omogočene z razširitvijo nove tehnologije za sintezo večjih količin materiala.
Pomen za razvoj Slovenije
Čeprav je predlagani projekt usmerjen k reševanju osnovnih problemov pri sintezi in razumevanju magnetoelektričnih tekočin, je motivacija zanj razvoj novih naprednih materialov primernih za uporabo, npr. v mikrovalovnih napravah, v mikrofluidiki, kot nastavljivi izvori magnetnega polja in za proizvodnjo podobnih materialov z uporabo novega znanja in tehnologij. Ker material, ki bi imel enakovredne lastnosti predlaganemu, še ne obstaja, se lahko odprejo številne nove možnosti uporabe, potem ko ga bomo dobro proučili in razumeli.
Cilj projekta je razviti sintezo in razumeti obnašanje novega materiala, ki bo osnova za nadaljnji razvoj izdelave le-tega do take mere, da bo možna manjša proizvodnja. Podjetje Nanos Scientificae d.o.o. (http://nanos-sci.com/), katerega soustanovitelj je tudi član projektne skupine, je odcepljeno podjetje Instituta Jožef Stefan (IJS) in je idealen kandidat za trženje in proizvodnjo novega materiala. Saj je podjetje usmerjeno v razvoj nanotehnoloških rešitev na osnovi magnetnih nanodelcev.
Vključevanje raziskovalcev z IJS v razvoj tehnologij na osnovi tekočih kristalov za specializirano uporabo je dobro razvito. Primer je podjetje Balder, d.o.o, ki je bilo ustanovljeno kot spin-off podjetje JSI in katerega raziskave in razvoj še podpiramo raziskovalci z IJS, med drugim tudi z Odseka za kompleksne snovi. Raziskovalci z IJS in Univerze iz Nove Gorice (UNG) bodo lahko z na osnovi novega materiala razvili produkte, ki bodo izkoriščali principe tekočekristalne tehnologije za krmiljenje magnetizacije. Natančno krmiljenje magnetizacije lahko izkoristimo npr. v napravah za manipulacijo elektromagnetnih valov v nerecipročnih napravah v informacijskih tehnologijah ali za ustvarjanje dobro definiranih nehomogenih magnetnih polj za uporabo v mikrofluidiki, npr.za magnetno mikro ločevanje. Ker bodo naprave delovale pri nizkih napetostih, podobno kot tekočekristalne naprave, bo njihova poraba energije zelo majhna. To bo odprlo možnost sodelovanja s slovenskimi podjetji in proizvodnjo naprav nove generacije z veliko dodano vrednostjo.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
