Revista si suplimente
MarketWatch
Inapoi Inainte

35 de ani de fototermie la INCDTIM Cluj-Napoca

20 Iunie 2019



Anul acesta se împlinesc 35 de ani de când o echipă de cercetători din INCDTIM Cluj-Napoca a publicat o lucrare, în premieră mondială, conţinând rezultatele unei aplicaţii spectroscopice a aşa numitei tehnici fotopiroelectrice. În cele ce urmează, liderul grupului de fototermie din INCDTIM, dr. Dorin Dădârlat, va face o scurtă prezentare a evoluţiei domeniului fototermiei în cadrul institutului, în corelaţie cu realizările internaţionale.

„Omule, cred că aud lumina”
„Hey man, I think I hear the light” a fost exclamaţia lui A. G. Bell, cândva la începutul anilor 1900, când, în mod accidental, a efectuat primul experiment de fotoacustică. Bell avea în laborator un tub de sticlă în care închisese aer şi un microfon. În momentul în care draperia de la fereastră a fost dată la o parte şi soarele a căzut pe tub, aerul, brusc încălzit, a creat o undă acustică, care a fost înregistrată ca un pocnet de către microfon. Din păcate, de la acest prim experiment până la începutul dezvoltării metodelor fototermice, au trebuit să treacă circa 80 de ani, întârzierea fiind determinată de dezvoltarea treptată a tehnicii laser şi a sistemelor perfecţionate de detecţie a radiaţiei.
Ce sunt tehnicile fototermice? Termenul de „efect fototermic” se regăseşte în ansamblul fenomenelor fizice care apar într-un material atunci când se produce o încălzire a acestuia prin absorbţia unui flux incident de lumină. Conversia energiei luminoase absorbită de material în energie termică (prin dezexcitări de tip neradiativ) determină o modificare locală a temperaturii materialului. Gradientul de temperatură ce apare în material stă la originea unor procese fizice cum ar fi: apariţia şi propagarea undelor acustice şi termice; emisia de radiaţie infraroşie de către suprafaţa materialului; deformarea locală a suprafeţei materialului; apariţia unui gradient al indicelui de refracţie în interiorul materialului sau într-un mediu adiacent, etc.
Analizarea gradienţilor de temperatură, care determină diferitele procese fizice mai sus menţionate, permite caracterizarea termică şi optică a materialelor studiate. Efectele diferite determină mecanisme de detecţie diferite, fiecare mecanism de detecţie fiind asociat unei tehnici fototermice.
Cele mai cunoscute tehnici fototermice sunt: tehnica fotopiroelectrică (gradientul de temperatură este direct măsurat cu un senzor piroelectric), deformarea de suprafaţă, tehnica de miraj şi cea de lentile termice (bazate pe variaţia indicelui de refracţie) (v. Fig. 1), radiometria fototermică şi termografia (bazate pe emisia de radiaţie infraroşie de către proba investigată), tehnica fotoacustică (bazată pe generarea de unde acustice la încălzire).
În INCDTIM, tehnica care s-a dezvoltat cu preponderenţă a fost cea fotopiroelectrică, cauza principală fiind, la momentul acela, echipamentul „nu foarte sofisticat” necesar experimentelor. Cu metoda fotopiroelectrică se măsoară direct variaţia de temperatură a probei, utilizând ca şi «termometru» un senzor piroelectric în contact termic cu aceasta. Metoda fotopiroelectrică permite măsurări spectroscopice şi termofizice de mare sensibilitate. Performanţele metodei depind de: stabilitatea sursei de radiaţie, detectivitatea senzorului piroelectric, precizia în monitorizarea parametrilor de lucru (frecvenţa de modulare a radiaţiei, controlul grosimii probei, temperatura, etc.), perfecţiunea contactului termic senzor-probă, modul de procesare, achiziţie şi prelucrare a datelor experimentale. Informaţiile care se pot obţine cu ajutorul tehnicii fotopiroelectrice sunt următoarele: - proprietăţi termice (căldura specifică, conductivitatea, difuzivitatea şi efuzivitatea termică, rezistenţa termică de contact, coeficienţi de schimb termic); - proprietăţi optice în gamă foarte largă (coeficient de absorbţie de volum şi de suprafaţă, coeficient de reflexie şi de împrăştiere); - proprietăţi cuantice (eficienţa de fluorescenţă şi de conversie radiaţie-caldură).


Cauţi ceva, găseşti altceva
Din punct de vedere istoric, la începutul anilor ’80, grupul de cercetători din INCDTIM care studia tematica de detectori (M. Chirtoc, D. Dădârlat, P. Pruneanu, R. M. Cândea) se ocupa de realizarea unor energimetre de arie largă pentru laserii realizaţi la IFTAR Bucureşti. Una dintre problemele cheie ale construcţiei acestor energimetre era alegerea stratului absorbant, care trebuia să fie selectiv la lungimea de undă a laserilor şi suficient de rezistent pentru puterea laserilor respectivi. Problema era că materialele vizate ca straturi absorbante (grafitul şi diverse variante de aluminiu anodizat) erau materiale opace în domeniul vizibil și infraroșu. În consecinţă, pentru determinarea benzilor de absorbţie nu putea fi folosită spectroscopia clasică de transmisie. Ideea membrilor echipei a fost să utilizeze un senzor piroelectric (la data respectivă dispuneam doar de sare Seignette obţinută din doze de pick-up) în contact termic cu stratul absorbant investigat şi să efectueze astfel o spectroscopie de absorbţie. Deci, căutând nişte materiale cu proprietăţi specifice, „am găsit” o metodă. După cum menţionam anterior, rezultatele publicate în 1984 au propus pentru prima dată spectroscopia fotopiroelectrică ca metodă de analiză a solidelor puternic absorbante. Eforturile colectivului au fost apreciate prin acordarea Premiului „Constantin Miculescu”, decernat de Academia Română pentru contribuţii aduse în domeniul detecţiei de radiaţie. De menţionat că în acelaşi an au apărut alte două lucrari în care calorimetria fotopiroelectrică era utilizată în detecţia tranziţiilor de fază (Universitatea din Toronto) şi în analiza unei reacţii chimice (Laboratoarele IBM). Pentru susţinerea acestor trei experimente de bază, în anii imediat următori, s-a dezvoltat teoria efectului fotopiroelectric. A fost elaborat modelul general al detecţiei fotopiroelectrice şi s-au dedus o serie întreagă de cazuri teoretice particulare, de interes experimental. Colectivul de atunci din INCDTIM (M. Chirtoc, D. Dădârlat, A. Frandaş, C. Neamţu, G. Mihăilescu) a adus contribuţii însemnate atât în dezvoltarea modelelor teoretice, cât şi în realizarea practică a ansamblurilor experimentale. Dacă până în anul 1990 progresul în dezvoltarea tehnicii fotopiroelectrice în INCDTIM a fost mai mult pe linie teoretică, din cauza lipsei unui echipament performant, ulterior am putut realiza colaborări efective cu diverse colective specializate din Europa, colaborări ce au dus la un progres exploziv în domeniu.
Principalele colaborări externe au fost incluse în proiecte de cercetare bilaterală sau proiecte finanţate de Comunitatea Europeană (Brite Euram, Copernicus). Principalii parteneri au fost: Universitatea „Tor Vergata”, Roma, Universitatea Agricolă din Wageningen, Universitatea din Bochum, Universitatea Catolică din Leuven, Universitatea din Campinas şi Université du Littoral, Dunkerque. Pe plan intern, grupul a colaborat în cadrul a numeroase contracte de cercetare cu: Universitatea Babeş – Bolyai Cluj-Napoca, USAMV Cluj-Napoca, Institutul de Chimie Raluca Ripan, UMF Cluj-Napoca, Universitatea Tehnică Cluj-Napoca, etc.
Cu începere din 2006, datorită proiectelor câştigate, am putut achiziţiona echipamente de ultimă generaţie (laseri cu solid, modulatoare optomecanice, nanovoltmetre lock-in Stanford, calculatoare şi optomecanică de precizie) cu ajutorul cărora am putut realiza cercetări de mare acurateţe (v. Fig. 2 şi Fig. 3).



Mai bine întrebam la ce nu se utilizează tehnica fotopiroelectrică
Întotdeauna când trebuie să descriu aplicaţiile tehnicii fotopiroelectrice, îmi amintesc de vizita unui cercetator străin în laboratorul nostru, care m-a rugat să fac acest lucru. În timp ce îi descriam multitudinea de aplicaţii m-a oprit, şi, în glumă, mi-a spus „Mai bine întrebam la ce nu se utilizează tehnica fotopiroelectrică…vă era mai uşor”.
Principalele aplicaţii spectroscopice ale tehnicii fotopiroelectrice dezvoltate de echipa din INCDTIM au vizat: determinarea benzilor de absorbţie ale unor solide folosite ca straturi absorbante în energimetrele laser; elaborarea unei metode de analiză cantitativă a amestecurilor izotopice lichide; determinarea prin spectroscopie în mod de reflexie, a îmbătrânirii şi contrafacerii uleiurilor alimentare. S-a demonstrat că spectroscopia fotopiroelectrică este o spectroscopie mono-canal, de absorbţie, ea fiind complementară şi, uneori, superioară spectroscopiei clasice de transmisie.
Calorimetria fotopiroelectrică a fost utilizată pentru studiul proprietăţilor termice a unei game largi de materiale. Menţionez pentru început detecţia tranziţiilor de fază în feroelectrici, magneţi, supraconductori de temperatură critică înaltă, cu calculul exponenţilor critici ai parametrilor termici. Amintesc că exponenţii critici sunt numere „universale”, deci aplicaţia vizează fizica fundamentală. În cadrul unor programe de tip AGRAL, tehnica a fost utilizată în studiul calităţii, îmbătrânirii şi contrafacerii unor uleiuri comestibile, margarine, produse zaharoase, etc. În cadrul unui program de tip IDEI, a fost investigată prin calorimetrie fotopiroelectrică influenţa parametrilor nanofluidelor magnetice (tipul lichidului purtător, tipul de surfactant, tipul, dimensiunea şi concentraţia nanoparticulelor) asupra parametrilor termici ai nanofluidelor (echipa INCDTIM: D. Dădârlat, M. Pop, M. Streza, R. Turcu, I. Crăciunescu). Este cunoscut faptul că proprietăţile termice ale nanofluidelor magnetice sunt esenţiale în majoritatea aplicaţiilor (în special cele medicale). Biocompatibilitatea termică este una dintre cerinţele de bază ale compozitelor dentare. Tehnica fotopiroelectrică s-a dovedit foarte utilă şi de aceasta dată în investigarea acestui parametru pentru materiale noi de tip giomer, lansate de curând în fabricaţie (Proiect de tip Parteneriate - echipa INCDTIM: D. Dădârlat, M. Streza, C. Tripon, M. Bojan).
Am enumerat aici doar câteva aplicaţii. Alte aplicaţii, pe care nu le detaliez, vizează amestecurile binare lichide, amestecurile izotopice, medicamente, cristale lichide, produse biologice, etc.
Ca o concluzie generală, calorimetria fotopiroelectrică s-a dovedit a fi o tehnică deosebit de sensibilă, capabilă să măsoare valoarea şi dependenţa de temperatură ori compoziţie a oricărui parametru termic static şi dinamic, şi să detecteze orice tip de tranziţie de fază. Gama de materiale posibil de investigat este foarte largă: de la materiale « clasice » (feroelectrici, magneţi, supraconductori) până la cele mai putin « clasice », cum ar fi amestecurile izotopice, produsele biologice şi alimentare.



O provocare continuă: extinderea metodelor, tehnicilor și aplicațiilor fototermice
În toată această perioadă de 35 de ani, colectivul din INCDTIM nu s-a limitat doar la dezvoltarea tehnicii fotopiroelectrice. Am reuşit implementarea şi a altor metode fototermice cum ar fi radiometria IR și termografia. Aceste metode au fost aplicate separat sau în combinaţie cu tehnica fotopiroelectrică, în special pentru studiul unor semiconductori şi pentru caracterizarea termică a unor materiale de construcţie (proiect BRIDGE).
Recent, în colaborare cu un colectiv al Universităţii din Dunkerque, am propus o nouă tehnică fototermică de contact, numita tehnica fototermoelectrică, în care senzorul piroelectric este înlocuit cu un material termoelectric. În acest fel am extins gama de aplicaţii a generatoarelor termoelectrice (care erau folosite strict în scop energetic), în zona de senzoristică (echipa INCDTIM: D. Dădârlat, C. Tripon, M. Bojan) (v. Fig. 4).
Primele aplicaţii ale tehnicii fototermoelectrice au vizat atât compuşi solizi şi lichizi de interes, cât şi materialele termoelectrice însăşi. Este cunoscut faptul că parametrii termici ai materialelor termoelectrice (conductivitatea termică mai precis) influenţează factorul de merit al acestora, factor esențial în aplicațiile energetice.
În final vreau să subliniez faptul că forumul de discuţie în comunitatea ştiinţifică internaţională din acest domeniu este Conferinţa de Fenomene Fototermice şi Fotoacustice. Din 1993 s-a iniţiat în paralel şi o conferinţă anuală, pe aceeaşi tematică, în cadrul seriilor de Conferinţe Gordon (SUA), precum şi o serie de conferinţe satelit pe teme de calorimetrie pură sau optoelectronică. Grupul din INCDTIM Cluj-Napoca a participat cu regularitate la toate aceste conferinţe, începând din 1987, fiind considerat unul dintre liderii mondiali în domeniu.
Analizând sintetic dezvoltarea fototermiei, se constată că s-a depăşit faza de demonstraţie experimentală şi de studiu teoretic fundamental, metodele fototermice aflându-se în stadiul de optimizare a configuraţiilor experimentale în scopul determinării cantitative a proprietăţilor termo-optice ale materialelor. După cum am arătat, s-a dovedit compatibilitatea metodelor fototermice cu o gamă largă de materiale.
În ceea ce priveşte echipa din INCDTIM, încearcă să-şi păstreze în continuare poziţia de lider în acest domeniu de cercetare. Planurile de viitor vizează aplicarea tehnicilor fotopiroelectrică şi fototermoelectrică în caracterizarea termică a solidelor cu proprietăţi termoelectrice, a unei game largi de polimeri de interes industrial, a compuşilor pe bază de grafene. Termografia s-a dovedit foarte utilă în caracterizarea termică a materialelor de construcţii, deci vom continua pe această linie. O direcţie de dezvoltare va fi creşterea performanţelor fiecărei tehnici în parte. Şi nu în ultimul rând vom încerca să abordăm şi alte tehnici cum ar fi tehnica de miraj şi cea de lentile termice.



Parerea ta conteaza:

(0/5, 0 voturi)

Lasa un comentariu



trimite