Giełda wynalazków i projektów. Kraina nanochemii


21-11-2018 22:25:39

Instytut Chemii Fizycznej PAN jest jednostką naukowo-badawczą, jedną z najlepszych w obszarze nauk ścisłych w Polsce. Nie poprzestaje jednak na badaniach podstawowych i teorii. Świadczy o tym imponująca liczba patentów: ponad 100 w ostatnich  5 latach. IChF moźe być zatem rozsadnikiem innowacji. Pod  warunkiem, że przemysł z tych patentów zechce skorzystać.

Jednym z 25 zespołów badawczych Instytutu kieruje prof. dr hab. inż. Janusz Lewiński. Zyskał niedawno tytuł Fellow of the Royal Chemical Society (FRSC), przyznawany co roku ok. 40 naukowcom za wybitny wkład w rozwój nauk chemicznych. To tylko jedno z wielu prestiżowych wyróżnień, jakie otrzymał. Jest m.in. członkiem Europejskiej Akademii Nauk. Najnowsze osiągnięcia zespołu związane są z nanochemią, która dostarczy materiałów o niespotykanych dotąd właściwościach do bardzo wielu zastosowań.

Stany ukryte już zbadane

„Ukryte stany elektronowe na drodze do nanokrystalicznych półprzewodników” – nazwa tego projektu brzmi dość tajemniczo. Wnioski tu zawarte to owoc wieloletnich badań nad nanokrystalicznym tlenkiem cynku. Ma on wiele zastosowań: w elektronice, przemysłowej katalizie, fotowoltaice czy fotokatalizie. Używa się rozmaitych prekursorów, by otrzymać taką substancję. Alkoksylowe związki cynku (cynk związany z węglowodorem) jako prekursory pod wpływem temperatury ulegają wyjątkowym, dotychczas nieobserwowanym przemianom fizyko-chemicznym. Po podgrzaniu stają się półprzewodnikiem o przerwie energetycznej ok. 3 eV. W temperaturze ok. 300oC związek skokowo przechodzi do stanu o zerowej przerwie energetycznej, wykazując właściwości metalu, a przy 400oC przerwa energetyczna gwałtownie się rozszerza jak w półprzewodnikach. Ten skomplikowany proces szczegółowo zbadali i opisali specjaliści z IChF. To, co początkowo uznano za defekt, wytłumaczyli drogą badań i złożonych obliczeń, co więcej – wykazali, że tym procesem można sterować. Łatwo sobie wyobrazić, jak kolosalne korzyści może przynieść tak zmieniający się materiał nanokrystaliczny.

Bezpieczny płaszczyk kropek

Kropka kwantowa jest to obszar przestrzeni ograniczony w trzech wymiarach barierami potencjału, gdy wewnątrz uwięziona jest cząstka o długości fali porównywalnej z rozmiarami kropki. Te cząstki to struktury krystaliczne o rozmiarach pojedynczych nanometrów, m.in. pochłaniają i emitują promieniowanie wyłącznie o ściśle określonej energii. Zespół opracował nową metodę wytwarzania takich kropek z tlenkiem cynku. Prof. Lewiński podkreśla, że istotna w nich jest biozgodność, a więc nieszkodliwość dla organizmu człowieka, a także brak defektów i stabilność fizykochemiczna. – Są zdecydowanie lepsze od wytwarzanych obecnie najpopularniejszą metodą zol-żel – mówi prof. Lewiński. Czas życia luminescencji ich kropek kwantowych jest dłuższy o kilka rzędów wielkości.

Kropki można wykorzystać np. jako znacznik optyczny w biomedycynie do obrazowania komórek i tkanek. „Płaszcz” chemiczny opracowany przez zespół zwiększa wielkość nanocząstek i pełni funkcje ochronne, zabezpieczając rdzeń przed degradacją wskutek reakcji ze środowiskiem biologicznym oraz odgradza sam ZnO od środowiska.

Nanocząstki o rozmiarach rdzenia poniżej 10 nm łatwo przedostają się do komórek, muszą więc być bezpieczne. Mogą być użyte jako składnik farb i innych powłok, mogą wzbogacić paletę materiałów elektronicznych, mogą służyć do pokrywania ekranów.

– Nasze kropki spotkały się już z zainteresowaniem potencjalnych kontrahentów zagranicznych, gdyż nigdzie dotąd nie udało się otrzymać tak bezpiecznych nanocząstek. Te materiały mają ogromny potencjał zastosowań – ocenia prof. Lewiński. – Założyliśmy start- up i będziemy na cząstkach zarabiać. Realnie jest szybkie wprowadzenie nowych kropek kwantowych ZnO m.in. do laboratoriów biologicznych i medycznych. Metodę chroni kilka patentów.

Perowskit jakiego nie było

– Mechanochemia przyniosła ogromny przełom w dziedzinie technologii chemicznej. Jako nieliczni w Polsce dotrzymujemy kroku światowym osiągnięciom w tej dziedzinie – mówi prof. Lewiński. Tworzenie związków w fazie stałej poprzez działanie mechaniczne jest zupełnym zaprzeczeniem klasycznej chemii, gdzie wszystko dzieje się w roztworach. Zespół stworzył udoskonaloną odmianę perowskitu, wstawiając do struktury krystalicznej duży jon organiczny – kation guanidynowy. Testy za granicą, wykonane m.in. przez prof. Michaela Grätzela, uważanego za największy autorytet w dziedzinie mechanochemii, wykazały, że ogniwa fotowoltaiczne z nowego perowskitu pracują wydajniej niż ogniwa zbudowane z użyciem jego pierwotnej postaci. Sukces dostrzeżono w Journal of the American Chemical Society. Do wprowadzenia guanidyny użyto metody polegającej na ucieraniu we właściwych proporcjach prekursorów o odpowiednio dobranej strukturze. Guanidyna zwiększyła wydajność konwersji energii słonecznej na elektryczną z ok. 18% na ponad 19%, ale to dopiero początek. Jednocześnie udało się podnieść napięcie wytwarzanego prądu do 1,1 V.

Jedną z podstaw sukcesu zespołu jest to, że łączy on naukowców z Politechniki Warszawskiej, macierzystej uczelni profesora Lewińskiego, z badaczami z IChF. Jest to więc zespół obfitujący zarówno w praktyków, jak i teoretyków, ale także mocny kontaktami z przemysłem, jak i z zagranicznymi laboratoriami.  jaz.

Prof. Janusz Lewandowski prezentuje model kropki kwantowej w "płaszcz" chemicznym

Model kulistej świecącej kropki kwantowej osadzonej na powierzchni półprzewodnika

Komentuje Waldemar Rukść

eNOT.pl - Portal Naczelnej Organizacji Technicznej | eNOT.pl