Projekti / Programi
Raziskave atomov, molekul in struktur s fotoni in delci
01. januar 2015
- 31. december 2021
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.00 |
Naravoslovje |
Fizika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P002 |
Naravoslovno-matematične vede |
Fizika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
spektroskopija, elektronska, ionska, absorbcija, rentgenski žarki, visoka ločljivost, ionski mikro žarek, metode z ionskimi žarki, sinhrotronska svetloba, nelinearni pojavi, Augerjev razpad, fizika površin, zadrževanje vodika, Ramansko sipanje, koincidence, Moessbauer, aerosoli, rastlinska tkiva
Raziskovalci (27)
Organizacije (4)
Povzetek
Raziskovalni program temelji na preučevanju interakcije Coulombskih sistemov s svetlobo, elektroni in ionskimi žarki pri izmenjavi energij na področju od nekaj eV do nekaj deset keV - te energije so dovolj visoke za vzbujanje elektronskih prostostnih stopenj, ki se potem sproščajo preko 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 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 energijske ločljivosti (WDS) in z masno spektroskopijo sekundarnih ionov. Pri študiju redke snovi (atomi, molekule in skupki) se posebej zanimamo za njihovo preučevanje z močnimi viri koherentne svetlobe (laser na proste elektrone, High-Harmonic-Generation) ter s sklopitvijo ionskih žarkov z učinkovitimi pristopi k elektronski spektrometriji (magnetna steklenica na čas preleta). Ukvarjamo se s tehnikami za in-situ ter in-operando preiskave materialov, ki so relevantni za energetiko, prevsem s preučevanjem stikov tankih organskih plasti s kovinami, z raziskavami interakcije materialov z vodikom ter s fizikalno analizo sestavnih delov kemičnih reaktorjev (sončne celice, stene fuzijskega reaktorja, baterije). Poudarek je na razvoju tehnike slikanja rezin bioloških tkiv za raziskave kot so rastlinski hiperakumulatorji, problematiki rasti v ekstremnih razmerah ter na nanotoksikologiji. 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 privabijo tudi tuje raziskovalne skupine in aktivno sodelujemo v tekmi za merilni čas v sinhrotronskih centrih v Evropi in drugod po svetu, tudi s svojo veliko eksperimentalno opremo (visokoločljivi spektrometer za rentgensko svetlobo).
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 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.
Z uporabo svetlih sinhrotronskih virov dosegamo z našim 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. Cilj mikro-XAS analiz je razumevanje mehanizma zajemanja, transporta, akumulacije in kompleks
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 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 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. Prenosni XRF analizator bomo priredili za analize prahu v realnem času. Osredotočili se bomo na nevarnost p
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2015,
vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2015,
vmesno poročilo
