archiwum 2006 rok 2006    2008 rok 2008    2010 rok 2010    2012 rok 2012    2014 rok 2014
hex3.jpg
hex5.jpg hex4.jpg
hex6.jpg
  strona główna założenia regulamin kalendarium wskazówki pobierz jury   rejestracja zgłoszone projekty galeria gallery   archiwum kontakt
 
"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

us
paideia

Sponsorzy

Katowice
paideia
Hotel Czarny Las
Aiport Katowice

Patronat medialny

logo

logo

logo

logo

logo