Projekti / Programi
Raziskave atomov, molekul in struktur s fotoni in delci
01. januar 2009
- 31. december 2014
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.00 |
Naravoslovje |
Fizika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P230 |
Naravoslovno-matematične vede |
Atomska in molekularna fizika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
Atomska fizika, molekulska fizika, elektronske korelacije, fotoabsorbcija, fluorescenca, Augerjeva spektroskopija, spektrokopija na čas preleta, rentgenska spektroskopija, Moessbauerjeva spektroskopija, fizika površin, vibracijsko vzbujene molekule vodika, sipanje helijevih atomov, ionski pospeševalnik, analitične metode z ionskimi žarki, EXAFS, XANES, PIXE, RBS, ERDA, trki elektronov z atomi in molekulami, ionski mikrožarek.
Raziskovalci (21)
Organizacije (4)
Povzetek
Osnovni predmet raziskav je interakcija delcev s snovjo pri nizkih energijah. Pri tem gre za vpadne energije reda velikosti od nekaj deset meV, recimo pri sipanju atomov helija na površinah, pri katerem z veliko občutljivostjo tipamo vrhnjo plast atomov, pa do nekaj MeV/amu pri obstreljevanju tankih plasti z ioni, pri katerem nam gre za določanje globinskih porazdelitev posameznih elementov v snovi. Na osnovnem nivoju gre za interakcijo fotonov in delcev s kvantno strukturo atomov in molekul, na višjem nivoju pa razpored atomov v snovi modulira to interakcijo z interferenčnimi učinki. Na osnovnem nivoju so naše raziskave usmerjene v študij procesov vzbujanja ter relaksacije kvantnih stanj izoliranih atomov, ki jih pripravimo v razredčenih plinastih tarčah. Pri tem gre v glavnem za podrobne raziskave mehanizmov vzbujanja ter določanje razvejitvenih razmerij za različne razpadne poti vzbujenih stanj, kar dosežemo s koincidenčno detekcijo razpadnih produktov, ki so fotoni, elektroni, ioni ali atomi v metastabilnih stanjih. Eksperimentalno je na tem področju v ospredju razvoj učinkovitih detektorjev za delce, ki se sprostijo pri določeni atomski reakciji. Podrobnosti o posameznih atomskih procesih študiramo z visokoločljivostno rentgensko spektroskopijo (HRXRS) in rentgensko absorpcijo (RA). Z RA izpopolnjujemo zbirko osnovnih podatkov o večelektronskih fotoekscitacijah ter njihovo kvantnomehansko interpretacijo. Začetne objave s področja žlahtnih plinov smo dopolnili s podatki za skupini elementov s in d, interpretacijo smo obogatili s primerjalnimi študijami sosednih dvojic žlahtni plin - alkalijska kovina. Po drugi strani smo dosedaj z visoko ločljivostjo izmerili ter najpodrobneje modelirali rentgenske spektre Mg in Si pri obstreljevanju s hitrimi ioni. V programu nas zanimajo molekule vodika (H2, pa tudi D2 in HD) ter procesi, ki jo vzbudijo v vibracijska stanja. S tem se aktivno vključujemo v reševanje problemov, katerih rešitev je pomembna za dosego kontrolirane fuzije (Euroatom). S strukturno analizo na višjem nivoju (EXAFS in XANES) načrtujemo izrazitejšo usmeritev v študij nanostruktur in nekaterih eksotičnih agregatnih stanj: neurejenih zlitin in kvazikristalov. Tanki sloji kovinskih in organskih materialov na podlagi polprevodnikov predstavljajo prototip nanostrukturiranih materialov z novimi optičnimi, transportnimi in magnetnimi lastnostmi, ki jih lahko raziskujemo na sinhrotronih najnovejše generacije. V programu so predvidene kombinirane raziskave kompleksnih sistemov z različnimi eksperimentalnimi metodami na žarkovnih linijah tržaškega sinhrotrona. Lastnosti materialov bomo raziskovali z meritvami notranjih magnetnih in električnih hiperfinih polj (Moessbauerjeva spektroskopija). Pozornost namenjamo lastnostim trdih prevlek v agresivnem okolju, magnetni ureditvi ultra tankih Langmuir-Blodgett filmov, poroznih železo-aluminijevih fosfatov, nanodelcem FePt, materialom za litijeve baterije in mineralom. Pomembnen del programa obsegata razvoj in aplikacija metod z ionskimi žarki (IBA metode) na različnih področjih znanosti - interdisciplinarnost. Dve metodi: Rutherfordovo povratno sipanje (RBS) ter detekcija prožno odrinjenih ionov (ERDA) temeljita na Coulombskem sipanju vpadnega iona na jedru atoma v snovi. Posebej uporabna je protonsko inducirana emisija rentgenskih žarkov (PIXE), kjer določamo koncentracijo elementov v snovi z opazovanjem karakterističnih rentgenskih žarkov, ki se izsevajo ob vzbuditvah notranjih lupin atomov ob preletu protona. Metode z ionskim žarkom uporabljamo za analize različnih vrst vzorcev, recimo za analize tankoplastnih struktur v polprevodnikih ter vzorcev aerosolov, nabranih v atmosferi. V Mikroanalitskem centru je mogoče delo s prostim ionskim žarkom na vzorcih, ki jih ni mogoče postaviti v vakuum, recimo nedestruktivno PIXE analizo arheoloških in umetniških objektov.
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 pogledati na določen problem pri analizi materialov na nekoliko drugačen ali na 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. S svetlimi viri sinhrotronske svetlobe dosegamo z lastnim visokoločljivim spektrometrom za mehke rentgenske žarke odlične rezultate. 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). Nazadnje smo opazovali ionske fragmente v koincidenci z Augerjevimi elektroni (tehnika PEPICO), predvideno pa so še meritve razpada vrzeli KL z magnetno steklenico (SOLEIL). Pričakovani razultati s področja ultrahitre dinamike naboja ob nanometričnih hibridnih stikih bodo osvetlili 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 CHC 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. Rtg. 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 ter v Mikroanalitskem Centru IJS ter pri tem uporabljamo velik del lastne eksperimentalne 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 2009-2014 skupaj s sodelavci izvedli več kot 81 sinhrotronskih projektov ter gostili 23 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 (BioPIXE 2014) 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. 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 tehnologijo v domače raziskovalne institucije in v industrijo. Plod uspešnega sodelovanje s Kemijskim institutom in centrom odličnosti CO NOT je razvoj novih nanostrukturiranih katodnih materialov za litij-žveplove baterije. Nove Li-S baterije (EUROLIS – FP7 EU project) največ obetajo pri pogonu električnih avtomobilov, ker naj bi velika gostota shranjene energije zagotavljala 500 km avtonomije. XAS analiza valence in atomskih okolic žvepla med obratovanjem baterije je razkrila elektrokemično dinamiko baterije in pripomogla k prizadevanjem za optimizacijo njene kapacitete. Udeležba pri raziskavah v zvezi s fuzijo ter s svetlobo laserja na proste elektrone omogoča stik z najnaprednejšimi tehnologijami, ki se uporabljajo pri konstrukciji tokamaka ITER ter izvirov FEL. Te tehnologije bodo v naslednji fazi uporabljene pri komercializaciji, hkrati pa nudijo možnosti za sprotni spin-off. Pri metodiki vzorčevanja in določanju elementnih koncentracij z ionskim žarkom v aerosolih smo v preteklosti dosegli konkretne rezultate. Po raziskavah v zvezi s problemom prašenja znotraj bivanjskih in delovnih prostorov (delavnice, produkcijski obrati), kjer so dihalne obremenitve za ljudi velikokrat večje kot prostem, razvijamo problematiko z meritvami prašenja v telovadnicah.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
