Projekti / Programi
Raziskave atomov, molekul in struktur s fotoni in delci
01. januar 2022
- 31. december 2027
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.00 |
Naravoslovje |
Fizika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
Atomska fizika, molekularna fizika, ionski žarki, rentgenska spektroskopija, rentgenska absorpcija, sinhrotronska svetloba, laser na proste elektrone, fizika površin, HHG, Moessbauerjeva spektroskopija, masna in elektronska spektroskopija, stimulirana emisija ultravijolične in rentgenske svetlobe
Podatki za zadnjih 5 let (citati za zadnjih 10 let) na dan
25. junij 2024;
A3 za obdobje
2018-2022
| Baza |
Povezani zapisi |
Citati |
Čisti citati |
Povprečje čistih citatov |
| WoS |
967 |
21.929 |
18.515 |
19,15 |
| Scopus |
974 |
24.023 |
20.513 |
21,06 |
Raziskovalci (25)
Organizacije (4)
Povzetek
Raziskovalni program temelji na preučevanju interakcije Coulombskih sistemov s svetlobo, elektroni in ionskimi žarki, pri čemer gre za izmenjavo energij velikostnega reda od nekaj eV do nekaj deset keV - te energije so dovolj visoke za vzbujanje elektronskih prostostnih stopenj, ki se potem sproščajo s pretokom energije v množico specifičnih razpadnih kanalov. Uporabljamo napredne spektroskopske (slikovne) tehnike za preučevanje strukture snovi in odziva na zunanje motnje. Preučujemo posebnosti večelektronskih in večatomskih sistemov, ki so izpostavljeni zaporedju osnovnih interakcij v specialnih okoljih ter iščemo nove možnosti za uporabo njihovega netrivialnega (nelinearnega) odziva za povečanje občutljivosti in uvedbo novih analitičnih tehnik. Optimiziramo uporabo uveljavljenih tehnik za analizo snovi s sinhrotronsko svetlobo in ionskimi žarki (XANES, EXAFS, XES, PES, AES, XRF, TRXS, PIXE, RBS, ERDA, NRA, PIGE, SIMS, Moessbauer) v smislu povečane prostorske in/ali časovne ločljivosti, uvajamo nove in napredne pristope (RIXS, XRS, MeVSIMS) ter posredujemo njihovo uporabo drugim raziskovalnim in uporabniškim področjem. Elementno slikanje z ionskim mikrožarkom, ki temelji na standardni rentgenski spektroskopiji, dopolnjujemo s kemijsko občutljivostjo in sicer z uvajanjem boljše spektralne ločljivosti (WDS) ter z dodatno masno spektroskopijo sekundarnih ionov. Pri študiju redke snovi (atomi, molekule in skupki) nas še posebej zanima njen odziv pri vzbujanju z novimi koherentnimi viri ekstremno ultravijolične in rentgenske svetlobe (laserji na proste elektrone, viri High-Harmonic-Generation, zavrtena svetloba), pri spektroskopiji pa predvsem sklopitev fotonskih, elektronskih in ionskih sond z novimi in učinkovitimi metodami za zbiranje delcev, ki jih oddajajo vzorci pri preiskavi (magnetna steklenica za elektrone na čas preleta). Ukvarjamo se s tehnikami za in-situ ter in-operando za preiskave materialov, ki so relevantni za energetiko, prevsem s preučevanjem stikov tankih organskih plasti s kovinami in z fizikalno analizo sestavnih delov in celih delujočih baterij. Poudarek je na razvoju tehnike elementno-kemijskega slikanja rezin bioloških tkiv, ki je pomembno pri raziskavah rastlinskih hiperakumulatorjev, pri študiju problematike rasti v ekstremnih razmerah ter pri nanotoksikoloških raziskavah. Razvijamo tehnike XRF za hitre in prenosne raziskave najrazličnejših snovi (tipiziranje odziva prehrambenih artikov, sortiranje kovin in plastike, poreklo artefaktov). Vzdržujemo nekaj dobro opremljenih eksperimentalnih postaj za raziskave z ionskimi žarki, ki jih uporabljajo tudi tuje raziskovalne skupine in aktivno sodelujemo v tekmi za merilni čas v sinhrotronskih centrih v Evropi in drugod po svetu, kjer uporabljamo tudi lastno eksperimentalno opremo (visokoločljivi spektrometer za rentgensko svetlobo) ter nudimo ekspertizo pri izvajanju določenih eksperimentalnih tehnik.
Pomen za razvoj znanosti
Pomen programskih rezultatov za razvoj znanosti je neposreden in posreden. V prvem primeru gre za raziskave obnašanja atomov in molekul pri velikih intenzitetah svetlobe na energijskem področju EUV (resonančna multifotonska absorbcija, superfluorescenca) ter za opazovanje šibkih koreliranih procesov, ki so pomembni s stališča fizike več teles v Coulombskih sistemih (večdelčni elektronski prehodi v atomih, preureditve fragmentov pri disociaciji molekul). V drugem primeru gre za prilagoditev, kombiniranje in uvajanje novih eksperimentalnih tehnik, s katerimi je potem mogoče na določen problem pri analizi materialov pogledati na drugačen ali povsem nov način. Taki novi podatki, še posebej, če so izmerjeni in-situ ali in-operando, so lahko fundamentalnega pomena za tistega, ki materiale sintetizira. Svetli viri sinhrotronske svetlobe omogočajo odlično delo z našim visokoločljivim spektrometrom za mehke rentgenske žarke. Rezultati so pomembni za razvoj znanosti, saj poročajo o osnovnih fizikalnih fenomenih (separacija dvojno vzbujenih stanj, nelinearni Ramanski in interferenčni efekti) z doslej najostrejšimi spektroskopskimi slikami. Širok nabor eksperimentalnih pristopov združen z ekspertno simulacijo omogoča ''totalni'' študij določene problematike. Lep primer prednosti takega pristopa je preučevanje odziva kloroogljikovodikovih molekul pri tvorbi vrzeli v notranji lupini: tako smo opazovali sevalni in nesevalni razpad z vrzeljo K v atomu klora z meritvami fotoabsorpcije ter RIXS (ESRF), in posebej HAXPES (SOLEIL), opazovali smo Augerjev razpad vrzeli L, pri čemer smo izmerili še totalni ionski pridelek ter masne spektre v odvisnosti od energije vzbujanja (MAXLAB2). Opazovali smo tudi ionske fragmente v koincidenci z Augerjevimi elektroni (tehnika PEPICO) ter posebne nesevalne razpade dvojne vrzeli L, pri katerih se izseva en sam Augerjev elektron. Pričakovani razultati s področja ultrahitre dinamike naboja ob nanometričnih hibridnih stikih osvetljujejo vlogo (i) ujemanja elektronskih nivojev, (ii) jakosti sklopitev funkcionalnih skupin, (iii) prostorske konfiguracije in geometrije hibridne sklopitve, in (iv) prekrivanja stičnih orbital na hitrost in smer transporta naboja. Izsledki s področja povratne dinamike naboja bodo poleg izsledkov statičnega prenosa naboja in hibridizacije molekulskih stanj ter tvorbe mejne dipolne plasti ob hibridnih molekulskih stikih ponudili dodaten vpogled v zmožnosti za transport naboja preko nezasedenih molekulskih orbital. Širitev uporabe metode core-hole-clock na merjenje ultrahitre dinamike povratnih elektronov na akceptorske molekule je novost, ki bi lahko postala novo močno orodje za študij transportnih pojavov ob molekulskih stikih. Dobljeni rezultati bodo omogočili boljše načrtovanje novih, na organskih sestavih temelječih elektronskih komponent. Rentgenska absorpcijska spektroskopija (XAS) z metodama EXAFS in XANES je nepogrešljivo orodje pri razvoju novih (nano)materialov z želenimi lastnostmi. Primer je karakterizacija atomske strukture in elektrokemijskih procesov v katodnem materialu na delujoči Li-ionski ali Li-žveplovi bateriji med polnjenjem in praznjenjem. Dobljeni rezultati so lahko ključni za optimiranje sinteze novih katodnih materialov za doseganje čim večjih kapacitet baterije s še višjo energijsko gostoto in za dolgoročno stabilnost njihovega delovanja. Podobni so cilji in pomen ''in-situ'' raziskav EXAFS in XANES pri katerih bomo določali strukturne parametre (valenco, mesto vgradnje in lokalno strukturo) različnih kovinskih kationov, ki ključno uplivajo na katalitske lastnosti mikro in mezoporoznih molekularnih sit in zeolitov. XAS bomo izkoriščali tudi za karakterizacijo lokalne strukture dopantov v kristaliničnih materialih in določanju njihove vloge pri zagotavljanju želene funkcionalnosti feroelektrične in feromagnetne keramike, kjer standardne strukturne tehnike (npr. XRD) popolnoma odpovedo.
Pomen za razvoj Slovenije
V sklopu raziskav EXAFS, XANES, RIXS, XRS z rentgenskimi žarki ter analitičnih metod z ionskimi žarki: PIXE, RBS, ERDA, NRA, PIGE ter SIMS skupaj z njihovimi mikro- različicami, omogočamo različnim slovenskim (in tujim) laboratorijem s področij materialov, geologije, sintezne kemije, farmakologije, biologije, vakuumske tehnike, raziskav okolja in ohranjanja kulturne dediščine dostop do moderne merilne tehnologije s sinhrotronsko svetlobo in ionskimi žarki. Meritve izvajamo v sinhrotronskih laboratorijih ELETTRA, ESRF, DESY, PETRA, SOLEIL ter v Mikroanalitskem Centru IJS in pri tem uporabljamo tudi lastno eksperimentalno opreme. Doslej smo tako sodelovali pri razvoju več tehnološko pomembnih materialov, kot so npr. baterije, mikroporozni katalizatorji, supraprevodne in feroelektrične keramike, surfaktanti, zaščitne in samočistilne prevleke, nanostrukturni materiali in nekatere farmakološko pomembne makromolekule, pa tudi pri razvoju digitalne procesne elektronike. Z intenzivno prisotnostjo na evropskih sinhrotronih ter z uspešnimi obiski tujih raziskovalcev v Mikroanalitskem centru IJS se krepi mednarodno sodelovanje. Tako smo v obdobju 2015-2021 skupaj s sodelavci izvedli okrog 90 sinhrotronskih projektov ter gostili večje število TNA (trans-national-access) projektov na ionskem pospeševalniku v MIC IJS. Kontinuirana prisotnost v mednarodnih centrih raziskav, udeležba na odmevnih mednarodnih srečanjih ter priprava konferenc omogočajo kvalitetno in kontinuirano delo, dostop do tujih znanj ter posredno prinašajo ugled Sloveniji. Uveljavljena eksperimentalna skupina iz enega laboratorija sodeluje z uveljavljeno skupino teoretikov iz druge institucije; pri aplikativnih raziskavah material pogosto sintetizira ena skupina, več drugih skupin pa izvede meritve, ki material z različnimi tehnikami karakterizirajo: tako mednarodno delitev dela stalno srečujemo pri našem delu. Poleg direktne udeležbe članov našega programa pri poučevanju študentov na fakultetah, je pogost dostop do sinhrotronov in do ionskega pospeševalnika prav tako pomemben s pedagoškega vidika, zaradi seznanjanja študentov naravoslovja z množico različnih eksperimentalnih tehnik, ki so tu v uporabi. Vsebine iz področja sinhrotronskih merilnih tehnik in analitičnih metod s pospešenimi ioni so vključene v visokošolske programe na dodiplomskem in podiplomskem nivoju, kjer smo poskrbeli tudi za ustrezno študijsko gradivo. Študentje imajo možnost pridobivanja izkušenj z neposrednim sodelovanjem pri meritvah ter analizah. Program nudi možnost za usposabljanje slovenskih raziskovalcev na področju uporabe sinhrotronske svetlobe v fiziki površin in novih materialov in s tem prenos znanja in visoke tehnologije v domače raziskovalne institucije in industrijo. Plod uspešnega sodelovanje s Kemijskim institutom je razvoj novih nanostrukturiranih katodnih materialov za litij-žveplove baterije. XAS analiza valence in atomskih okolic žvepla med obratovanjem baterije je razkrila elektrokemično dinamiko baterije in pripomogla k prizadevanjem za optimizacijo njenih lastnosti. Udeležba pri raziskavah z laserjem na proste elektrone omogoča stik z najnaprednejšimi tehnologijami, ki se uporabljajo pri konstrukciji virov FEL. Te tehnologije bodo v naslednji fazi uporabljene pri komercializaciji, hkrati pa nudijo možnosti za sprotni spin-off. Uspešnim raziskavah splošnega problema onesnaženja s prahom znotraj bivanjskih in delovnih prostorov (delavnice, produkcijski obrati), kjer so dihalne obremenitve za ljudi velikokrat večje kot prostem, so se pridružile meritve prašenja v telovadnicah ter študije uporabnosti nizkocenovnih optičnih merilcev za prah.
