Znajdź zawartość

Niewiele związków jest dziś równie istotnych dla przemysłu i medycyny co ditlenek tytanu. Mimo różnorodności i popularności zastosowań, część zagadnień związanych z budową powierzchni materiałów tworzonych z tego związku i zachodzącymi w niej procesami wciąż pozostaje niejasnych. Niektóre ze swoich tajemnic ditlenek tytanu właśnie odsłonił przed naukowcami z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk. W swoich badaniach po raz pierwszy wykorzystali oni synchrotron SOLARIS. W wielu reakcjach chemicznych ditlenek tytanu (TiO2) pojawia się w roli katalizatora. Jako pigment występuje w tworzywach sztucznych, farbach czy kosmetykach, z kolei w medycznych implantach gwarantuje ich wysoką biokompatybilność. Ditlenek tytanu jest dziś praktycznie wszechobecny, co wcale nie oznacza, że ludzkość poznała już jego wszystkie właściwości. Realizująca projekt badawczy na synchrotronie SOLARIS grupa naukowców z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie, kierowana przez dr. hab. Jakuba Szlachetkę, zdołała rzucić nieco światła na szczegóły procesów utleniania zewnętrznych warstw próbek tytanowych oraz związane z nimi zmiany w strukturze elektronowej tego materiału. Badania ditlenku tytanu zainaugurowały obecność naukowców IFJ PAN w programach badawczych realizowanych na synchrotronie SOLARIS. Urządzenie, działające w ramach Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego, jest zlokalizowane w Krakowie na terenie kampusu 600-lecia Uniwersytetu Jagiellońskiego. Promieniowanie synchrotronowe odkryto w 1947 roku, gdy w firmie General Electric uruchomiono akcelerator, który za pomocą magnesów zakrzywiał tor ruchu przyspieszanych elektronów. Cząstki zaczynały wtedy chaotycznie emitować światło, traciły więc energię – a przecież miały ją zyskiwać! Promieniowanie synchrotronowe uznano zatem za efekt niepożądany. Dopiero dzięki kolejnym generacjom źródeł promieniowania synchrotronowego osiągnięto większe natężenia i lepszą jakość wiązek emitowanego światła, w tym wysoką powtarzalność impulsów o praktycznie zawsze takich samych cechach. Synchrotron SOLARIS, największe i najnowocześniejsze urządzenie tego typu w Europie Środkowej, składa się z dwóch głównych części. Pierwszą tworzy liniowy akcelerator elektronów o długości 40 m. Cząstki zyskują tu energię 600 megaelektronowoltów, po czym trafiają do drugiej części aparatury: do wnętrza pierścienia akumulacyjnego o obwodzie 96 m, gdzie na ich drodze umieszczono magnesy zakrzywiające oraz wigglery i undulatory. Te ostatnie to zespoły naprzemiennie zorientowanych magnesów, wewnątrz których tor ruchu elektronów zaczyna przypominać kształtem sinusoidę. To właśnie wtedy "zataczające się" elektrony emitują promieniowanie synchrotronowe, kierowane do odpowiednich stacji końcowych z aparaturą pomiarową. Fale elektromagnetyczne wytwarzane przez SOLARIS są klasyfikowane jako miękkie promieniowanie rentgenowskie. Unikatowe cechy promieniowania synchrotronowego znajdują wiele zastosowań: pomagają w pracach nad nowymi materiałami, śledzeniu przebiegu reakcji chemicznych, pozwalają prowadzić doświadczenia przydatne dla rozwoju nanotechnologii, mikrobiologii, medycyny, farmakologii i wielu innych dziedzin nauki i techniki. Badania na synchrotronie SOLARIS otwierają zupełnie nowe możliwości, nic dziwnego, że o czas pomiarowy aplikuje tu wiele zespołów naukowych z kraju i świata. Choć nasz instytut – podobnie jak synchrotron SOLARIS – mieści się w Krakowie, jak wszyscy rywalizowaliśmy jakością proponowanych badań o czas pracy na odpowiedniej stacji pomiarowej - mówi prof. dr hab. Wojciech M. Kwiatek, kierownik Oddziału Badań Interdyscyplinarnych w IFJ PAN i jednocześnie Prezes Polskiego Towarzystwa Promieniowania Synchrotronowego. Prof. Kwiatek zauważa, że w dobie ograniczeń w podróżowaniu, wynikających z rozwoju pandemii, możliwość prowadzenia zaawansowanych badań fizycznych praktycznie na miejscu jest ogromną zaletą. Swoje najnowsze pomiary, współfinansowane ze środków Narodowego Centrum Nauki, naukowcy z IFJ PAN przeprowadzili na stacji badawczej XAS krakowskiego synchrotronu. Rejestrowano tu, w jaki sposób promieniowanie rentgenowskie jest pochłaniane przez warstwy powierzchniowe próbek tytanowych, wcześniej wytworzonych w Instytucie w starannie kontrolowanych warunkach. Skoncentrowaliśmy się na obserwacjach zmian struktury elektronowej powierzchniowych warstw próbek w zależności od zmian temperatury i postępu procesu utleniania. W tym celu wygrzaliśmy w różnych temperaturach i w atmosferze otoczenia dyski tytanowe, które po przetransportowaniu do stacji badawczej synchrotronu naświetlaliśmy wiązką promieniowania synchrotronowego, czyli promieniowaniem rentgenowskim. Ponieważ właściwości promieniowania synchrotronowego są doskonale znane, mogliśmy za jego pomocą precyzyjnie określić strukturę nieobsadzonych stanów elektronowych atomów tytanu i na tej podstawie wnioskować o zmianach w strukturze samego materiału - mówi doktorantka Klaudia Wojtaszek (IFJ PAN), pierwsza autorka artykułu opublikowanego w czasopiśmie Journal of Physical Chemistry A. Ditlenek tytanu występuje w trzech odmianach polimorficznych, charakteryzujących się różną budową krystalograficzną. Najpopularniejszą jest rutyl, jako minerał występujący pospolicie w wielu skałach (pozostałe odmiany to anataz i brukit). Badania na synchrotronie SOLARIS pozwoliły krakowskim fizykom precyzyjnie odtworzyć proces formowania się fazy rutylowej. Okazało się, że powstaje ona w niższych temperaturach niż sądzono do tej pory. Nasze badania mają charakter podstawowy, dostarczają fundamentalnej wiedzy o strukturze materiału. Struktura ta ma jednak ścisły związek z właściwościami fizykochemicznymi powierzchni ditlenku tytanu. Potencjalnie nasze wyniki mogą więc znaleźć zastosowanie na przykład przy optymalizowaniu właściwości powierzchniowych implantów medycznych - podsumowuje dr Anna Wach (IFJ PAN), która była odpowiedzialna za wykonanie eksperymentu na synchrotronie SOLARIS. « powrót do artykułu

Polscy naukowcy budują podwaliny dla innowacyjnych rozwiązań w elektronice. Przeprowadzone przez nich badania nad nanodrutami półprzewodnikowymi to krok ku wysokowydajnym ogniwom słonecznym czy tranzystorom sterowanym polem magnetycznym. W prestiżowym amerykańskim czasopiśmie naukowym Nano Letters ukazał się artykuł będący efektem badań przeprowadzonych w Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS oraz w jednostce macierzystej zespołu badawczego, czyli w Akademickim Centrum Materiałów i Nanotechnologii AGH. Badania kierowane przez dr inż. Katarzynę Hnidę-Gut wykazały, że właściwości magnetyczne nanodrutów z antymonku indu domieszkowanego manganem (InSb-Mn) można kontrolować przez odpowiedni dobór stężenia domieszki. Przełomowe w badaniach było to, że po raz pierwszy w procesie elektrosyntezy pulsacyjnej w porach AAO (anodyzowanego tlenku glinu) uzyskano wysokiej jakości nanodruty InSb-Mn, bazując na wybranych wcześniej optymalnych warunkach syntezy półprzewodnika, którym jest antymonek indu. Część pomiarów w ramach projektu badawczego przeprowadzono z wykorzystaniem promieniowania synchrotronowego. Dzięki eksperymentowi na linii PEEM/XAS możliwe było zbadanie lokalnej struktury w otoczeniu atomów manganu. Pozwolił on na potwierdzenie hipotezy, że atomy manganu w strukturze analizowanych nanodrutów tworzą małe klastry, np. Mn3. To właśnie te klastry są źródłem magnetyzmu w temperaturze pokojowej – objaśnia dr hab. inż. Marcin Sikora, jeden ze współautorów publikacji. Wykonanie tych badań bez synchrotronu byłoby możliwe, ale wyniki byłyby znacznie mniej dokładne, a cały pomiar zająłby kilka dni, a może nawet tygodni – dodaje prof. Sikora. Zebranie dobrej jakości widma na stacji końcowej XAS synchrotronu SOLARIS to około dwie godziny. W sumie badania synchrotronowe trwały dobę i objęły sześć próbek. Analiza wyników nie była skomplikowana i zakończyła się w przeciągu kilku dni. Pomiary w SOLARIS to zaledwie fragment projektu. Od pomysłu na badania i pierwszych prób wytworzenia magnetycznych nanodrutów do publikacji minęły cztery lata. Najbardziej pracochłonną częścią przedsięwzięcia było opracowanie metody syntezy nanodrutów, a następnie korelacja uzyskanych wyników analizy dyfrakcyjnej i magnetometrii – przyznaje główna autorka publikacji dr inż. Katarzyna Hnida-Gut. Mogę śmiało powiedzieć, że pomiary synchrotronowe to był chyba najprzyjemniejszy element tych badań – dodaje. Nanodruty półprzewodnikowe są materiałem wykorzystywanym w wysokowydajnych ogniwach słonecznych oraz sensorach. Mogą też znaleźć zastosowanie w elementach elektroniki przyszłości, w których ładunki będą płynęły nie w ścieżkach krzemowych, ale węglowych nanorurkach, grafenie i nanodrutach półprzewodnikowych. W półprzewodnikach magnetycznych przepływ elektronów zależy od orientacji ich spinów. Można z ich pomocą zbudować tranzystor sterowany polem magnetycznym. Powinien on być znacznie szybszy i bardziej energooszczędny od tranzystorów tradycyjnych – uważa prof. Sikora. Główna autorka badań przyznaje, że chociaż do zastosowań praktycznych jeszcze daleka droga, to nie zmienia faktu, że jej projekt to pierwsze takie badania nad elektrochemicznie wytworzonymi nanodrutami InSb-Mn. Dodatkowo nanodruty przygotowane zostały w taki sposób, że są magnetyczne nie tylko w ultraniskich temperaturach, ale również w temperaturze pokojowej i wyższej (do 200°C). Jest to ważna innowacja w badaniach nad materiałami dla elektroniki. Od dłuższego czasu pracujemy nad tranzystorem, który bazuje na niedomieszkowanym InSb (czystej substancji antymonku indu), więc skonstruowanie takiego urządzenia sterowanego polem magnetycznym wydaje się naturalnym kolejnym krokiem – uzupełnia dr inż. Hnida-Gut. W skład zespołu badawczego weszli naukowcy z Akademickiego Centrum Materiałów i Nanotechnologii AGH: dr inż. Katarzyna Hnida-Gut, dr inż. Antoni Żywczak, dr hab. inż. Marcin Sikora, dr inż. Marianna Marciszko-Wiąckowska oraz prof. dr hab. inż. Marek Przybylski. Nano Letters jest prestiżowym amerykańskim czasopismem naukowym, specjalizującym się w publikowaniu wyników badań z zakresu teorii i praktyki nanonauki i nanotechnologii. Cała publikacja Room-Temperature Ferromagnetism in InSb-Mn Nanowires jest dostępna tutaj. « powrót do artykułu