"Dwutlenek tytanu - związek z przyszłości" "Otrzymywanie i charakterystyka porowatych struktur dwutlenku tytanu preparowanych metodami fizycznymi" Anna Maria Białous1, Arkadiusz Sobczyk2 1Instytut Maszyn Przepływowych im. Roberta Szewalskiego PAN, Zakład Fotofizyki, ul. Fiszera 14, 80-231 Gdańsk e-mail: anna.bialous@imp.gda.pl 2 Instytut Maszyn Przepływowych im. Roberta Szewalskiego PAN, Zakład Elektrohydrodynamiki, ul. Fiszera 14, 80-231 Gdańsk e-mail: arkadiusz.sobczyk@imp.gda.pl Zdjęcie SEM nanowarstwy Ti osadzane w azocie przez 60 minut na tytanowej płycie

Opis popularnonaukowy projektu

Według potocznego powiedzenia, kto jest dobry we wszystkim, to nie jest dobry w niczym. Wydaje się jednak, że względem dwutlenku tytanu powyższe stwierdzenie nie ma zastosowania. Związek ten jawi się jako cząsteczka z przyszłości. Pisze się o niej, że wkomponowana w nawierzchnie do poruszania się pojazdów mechanicznych, zneutralizuje znaczną część zanieczyszczeń pochodzących ze spalin. Dodana do farb stosowanych do pokrywania zewnętrznych ścian budynków miałaby zapewnić odporność na brud a farba nabrałaby charakteru samoczyszczącej. W podobny sposób na właściwościach dwutlenku tytanu korzystają wyroby papiernicze oraz ceramiczne: wzrasta ich połysk i trwałość. Ten sam dwutlenek tytanu stosowany jest w produkcji farmaceutyków i żywności w kategorii: barwniki, rozjaśniając kolorystykę produktów spożywczych. Aby wymienić kolejne znane od dawna zastosowanie dwutlenku tytanu należy wspomnieć o nim jako domieszce do kosmetyków. Te z kolei wzbogaca on o cechę chroniącą użytkownika przed promieniami UV.
Nadzwyczajne właściwości dwutlenku tytanu nie zamykają na tym możliwości jego zastosowania. Współczesna technologia idzie nie tylko krok, ale całą wyprawę dalej, stosując TiO2 w wielu najnowocześniejszych produktach i technologiach. Jego zdolności do uczestnictwa w reakcjach fotochemicznych zapewniają mu zastosowanie w fotoogniwach i kolektorach słonecznych. Przy udziale energii świetlnej doskonale sprawdza się jako katalizator wielu reakcji, łącznie z tymi, które prowadzą do oczyszczania powietrza, wody i gleb z zanieczyszczeń. Zdaje egzamin w silnikach samochodowych, filtrach antybakteryjnych i światłowodach. Trudno się dziwić, że na szeroką skalę na całym świecie toczą się badania nad tym nadzwyczajnym związkiem - jego otrzymywaniem i nieustannym doskonaleniem zastosowania tym bardziej, że spełnia on warunki, aby mieć wstęp do elitarnego świata nanotechnologii. Choć fascynację zadziwiającym cząsteczką TiO2 równoważą głosy niepokoju o skutki uboczne dla zdrowia ludzi i bezpieczeństwa środowiska naturalnego, to bliższe jej poznanie ma szansę zweryfikować przynajmniej część z nich. Tym bardziej, że dwutlenek tytanu, jako minerał, występuje także naturalnie. W Polsce także: między innymi w Sudetach.

Streszczenie naukowe

1. Cel prowadzonych badań. Celem projektu jest zbadanie warunków wytwarzania oraz właściwości optycznych i strukturalnych warstw mezoporowatych TiO2 preparowanych poprzez osadzanie par powstających w wyniku laserowej ablacji. Oczekuje się, że poznanie oraz poprawny opis zależności pomiędzy obieralnymi warunkami preparacji i właściwościami struktur, umożliwi opracowanie nowej, efektywnej metody ich otrzymywania. 2. Zastosowana metoda badawcza. Opis zjawisk będzie budowany i weryfikowany metodą krok po kroku (kartezjańską), w oparciu o wyniki doświadczalne. W projekcie, preparacja półprzewodnikowych warstw TiO2 odbywać się będzie metodami osadzania fizycznego, z użyciem metod opartych na ablacji materiału pod wpływem oddziaływania impulsowej wiązki laserowej. Techniki te znane w literaturze jako PLVD (pulsed laser vapor deposition), są szczególnie przydatne do celów badawczych, ze względu na możliwość praktycznie nieograniczonego wyboru warunków doświadczalnych oraz parametrów procesu, miedzy innymi: rodzaju i ciśnienia gazu reaktywnego, materiału użytego do produkcji par (lity lub proszkowy/nanoproszkowy prasowany), intensywności strumienia par (geometria układu, odległość źródła par od substratu, tempo parowania), energii strumienia par (zależnego od gęstości energii i częstości impulsów oraz długości fali lasera), materiału i temperatury podłoża. Pierwszym etapem projektu będzie zbadanie, czy poprzez wybór parametrów procesu PLVD można uzyskać powtarzalne wyniki preparacji mezoporowatych struktur TiO2. Badania własne i nieliczne doniesienia literaturowe wskazują silną zależność morfologii i stopnia porowatości warstw od warunków preparacji oraz geometrii układu. Z prac własnych wynika, że w wąskim zakresie ciśnień gazu reaktywnego (tlen) uzyskuje się warstwy o pożądanej strukturze krystalicznej, jednak o niedostatecznie rozwiniętej powierzchni. W projekcie planuje się wobec tego zbadanie preparacji warstw przy podwyższonym ciśnieniu gazu. Kolejnym krokiem będzie preparacja z użyciem zmiennej geometrii układu osadzania warstw. Tu, nowych poznawczo rezultatów można oczekiwać w wyniku użycia metody ablacyjnej w wersji z konfiguracją GLAD (glancing angle deposition). W procesie PLVD+GLAD kąt osadzania cząsteczek na powierzchni substratu mierzony pomiędzy normalną do podłoża i kierunkiem strumienia par jest ? > 80° (w klasycznej wersji PLD, ? = 0). Z literatury wynika, że od wartości zależy przesłanianie zarodków struktury i nachylenie wzrastających nanokolumn. Ponadto, jednoczesny obrót substratu i zmiany kąta dają w efekcie strukturę kolumn o różnych nachyleniach i kształtach, na przykład o kształcie regularnych spiral, zygzakowatych czy drzewiastych. W drugim etapie, po uzyskaniu pozytywnego wyniku otrzymywania struktur porowatych, zbadane zostaną zależności morfologii i właściwości optycznych od warunków preparacji. Trzeci, ostatni etap projektu będzie obejmował analizę wyników i opracowanie spójnego opisu zjawisk umożliwiającego kontrolowane preparowanie cienkich warstw mezoporowatego dwutlenku tytanu. 3. Wpływ spodziewanych rezultatów na rozwój nauki, cywilizacji, społeczeństwa Oczekiwany wynik realizacji projektu: zrozumienie, spójny opis oraz opracowana nowa metoda preparacji mezoporowatych struktur półprzewodnikowych, wpisuje się dokładnie w aktualny, światowy trend badań. Nowa, metoda wytwarzania mezoporowatych warstw, o stosunkowo małym stopniu komplikacji, będzie istotnym przyczynkiem postępu w intensywnych obecnie badaniach i poszukiwaniu efektywnych ablacji. Oczekuje się, że poznanie oraz poprawny opis zależności pomiędzy obieralnymi warunkami preparacji i właściwościami struktur, umożliwi opracowanie nowej, efektywnej metody ich otrzymywania. 2. Zastosowana metoda badawcza. Opis zjawisk będzie budowany i weryfikowany metodą krok po kroku (kartezjańską), w oparciu o wyniki doświadczalne. W projekcie, preparacja półprzewodnikowych warstw TiO2 odbywać się będzie metodami osadzania fizycznego, z użyciem metod opartych na ablacji materiału pod wpływem oddziaływania impulsowej wiązki laserowej. Techniki te znane w literaturze jako PLVD (pulsed laser vapor deposition), są szczególnie przydatne do celów badawczych, ze względu na możliwość praktycznie nieograniczonego wyboru warunków doświadczalnych oraz parametrów procesu, miedzy innymi: rodzaju i ciśnienia gazu reaktywnego, materiału użytego do produkcji par (lity lub proszkowy/nanoproszkowy prasowany), intensywności strumienia par (geometria układu, odległość źródła par od substratu, tempo parowania), energii strumienia par (zależnego od gęstości energii i częstości impulsów oraz długości fali lasera), materiału i temperatury podłoża. Pierwszym etapem projektu będzie zbadanie, czy poprzez wybór parametrów procesu PLVD można uzyskać powtarzalne wyniki preparacji mezoporowatych struktur TiO2. Badania własne i nieliczne doniesienia literaturowe wskazują silną zależność morfologii i stopnia porowatości warstw od warunków preparacji oraz geometrii układu. Z prac własnych wynika, że w wąskim zakresie ciśnień gazu reaktywnego (tlen) uzyskuje się warstwy o pożądanej strukturze krystalicznej, jednak o niedostatecznie rozwiniętej powierzchni. W projekcie planuje się wobec tego zbadanie preparacji warstw przy podwyższonym ciśnieniu gazu. Kolejnym krokiem będzie preparacja z użyciem zmiennej geometrii układu osadzania warstw. Tu, nowych poznawczo rezultatów można oczekiwać w wyniku użycia metody ablacyjnej w wersji z konfiguracją GLAD (glancing angle deposition). W procesie PLVD+GLAD kąt osadzania cząsteczek na powierzchni substratu mierzony pomiędzy normalną do podłoża i kierunkiem strumienia par jest ? > 80° (w klasycznej wersji PLD, ? = 0). Z literatury wynika, że od wartości zależy przesłanianie zarodków struktury i nachylenie wzrastających nanokolumn. Ponadto, jednoczesny obrót substratu i zmiany kąta dają w efekcie strukturę kolumn o różnych nachyleniach i kształtach, na przykład o kształcie regularnych spiral, zygzakowatych czy drzewiastych. W drugim etapie, po uzyskaniu pozytywnego wyniku otrzymywania struktur porowatych, zbadane zostaną zależności morfologii i właściwości optycznych od warunków preparacji. Trzeci, ostatni etap projektu będzie obejmował analizę wyników i opracowanie spójnego opisu zjawisk umożliwiającego kontrolowane preparowanie cienkich warstw mezoporowatego dwutlenku tytanu. 3. Wpływ spodziewanych rezultatów na rozwój nauki, cywilizacji, społeczeństwa Oczekiwany wynik realizacji projektu: zrozumienie, spójny opis oraz opracowana nowa metoda preparacji mezoporowatych struktur półprzewodnikowych, wpisuje się dokładnie w aktualny, światowy trend badań. Nowa, metoda wytwarzania mezoporowatych warstw, o stosunkowo małym stopniu komplikacji, będzie istotnym przyczynkiem postępu w intensywnych obecnie badaniach i poszukiwaniu efektywnych metod wytwarzania nowych materiałów mezoporowatych. Wymierną wartość wyniku projektu poświadczą publikacje w renomowanych czasopismach o światowym zasięgu (np. Thin Solid Films, Nanotechnology).

Komitet Organizacyjny

Sponsorzy

Patronat medialny