Revista >> Iunie 2021 [Nr. 235] >> Top Story

Rezultate notabile INCDFM pe frontul materialelor funcționale avansate și al dezvoltării de biosenzori

Dr. doc. Ioan Adrian Crisan, Dr. Victor Diculescu - INCDFM

18 Iunie 2021

Două dintre cele mai complexe proiecte POC desfășurate în ultimii ani în Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Materialelor (INCDFM) au ajuns la final. Rezultatele obținute sunt consistente, permit consolidarea în Institut a unor noi direcții de cercetare, de avangardă - în fizica temperaturilor joase, supraconductivităţii şi magnetismului, pe de o parte, și în domeniul biosenzorilor, pe de altă parte - și contribuie la dezvoltarea unor echipe performante de specialiști și la atragerea de noi proiecte de calibru. Pe un plan mai larg conduc la crearea de cunoaștere de frontieră și la creșterea competivității sistemului de CDI din țara noastră.

Din această analiză ne-am dat seama că, pentru a reuşi să ne încadrăm în termenele PNe esenţial. De reuşită lui depinde succesul celorlalte etape.

Materiale avansate speciale pe bază de bor și de pământuri rare - REMBAT
Resursele de energie sunt o problemă majoră în cadrul economiei mondiale, iar schimbările climatice cauzate de creşterea emisiilor de CO₂ sunt deja evidente. În aceste condiţii, un mare număr de dispozitive şi echipamente cu eficienţă energetică sporită şi mai „prietenoase” cu mediul, bazate pe materiale avansate supraconductoare şi magnetice, vor începe, gradual, să înlocuiască echipamentele şi dispozitivele clasice. Multe din noile aplicaţii necesită materiale avansate structurale care să funcţioneze în condiţiile deosebite impuse de materialele supraconductoare sau magnetice.

Prin proiectul POC-E REBMAT, condus de dr. doc. Ioan Adrian Crişan, INCDFM și-a propus creşterea contribuţiei cercetării româneşti la progresul cunoaşterii de frontieră prin abordarea complexă (elaborare şi studiu aprofundat şi interdisciplinar) a unor noi materiale funcţionale avansate pe bază de bor şi/sau pământuri rare. A fost vizată dezvoltarea de noi sisteme cu proprietăţi supraconductoare, magnetice şi structurale îmbunătăţite, inclusiv cu funcţionalităţi combinate, care să se preteze unei largi clase de aplicaţii tehnologice. Au existat și două obiective specifice principale ale proiectului: (i) susţinerea specializărilor inteligente prin dezvoltarea unei clase largi de materiale cu înalt impact economic şi (ii) susţinerea excelenţei în cercetare prin internaţionalizare şi concentrare pe teme legate de provocări de importanță globală.

Obiectivele au fost atinse prin abordarea unor studii aprofundate (fundamentale şi aplicative) vizând designul şi influenţa defectelor şi interfeţelor în nanostructuri conţinând pământuri rare şi/sau bor asupra proprietăţilor complexe de natură supraconductoare, magnetică şi mecanică.

Unicitatea proiectului este dată de abordarea comprehensivă a materialelor avansate structurale în condiţiile specifice fiecărui tip de aplicaţie posibilă (supraconductoare, magnetică, structurală). Actualitatea şi importanta temelor de studiu din proiect sunt în strânsă legătură cu noua politică „verde” şi de schimbare a paradigmei energetice a UE.

Proiectul s-a desfăşurat pe 3 direcţii principale de cercetare interdisciplinară de frontieră:
D1. Elaborarea şi studiul aprofundat al materialelor supraconductoare vizând (i) noi straturi nanostructurate pe bază de compuşi de pământuri rare, (ii) noi sisteme pe bază de MgB2 (nedopat şi dopat cu diverse adaosuri multiple pentru controlul şi îmbunătăţirea parametrilor funcţionali), precum şi (iii) nanocompozite pe bază de MgB2 şi supraconductori cu temperatură critică ridicată pe bază de pământuri rare. Am urmărit optimizarea parametrilor supraconductori pentru aplicaţii speciale.
D2. Elaborarea şi caracterizarea complexă de noi sisteme magnetice pe bază de bor şi/sau pământuri rare în vederea studiului unor efecte specifice cu implicaţii aplicative directe. Am urmărit intercorelarea fenomenelor de anizotropie aleatoare, caracterul soft sau hard magnetic şi cuplajele magnetice interfaciale.
D3. Prepararea şi caracterizarea nanocompozitelor pe bază de B şi pământuri rare pentru îmbunătăţirea simultană a unor proprietăţi mecanice.

Parcurs și rezultate
În cadrul fiecărei direcţii de cercetare au fost desfăşurate activități de Cercetare fundamentală, Cercetare industrială şi de Dezvoltare experimentală.
Astfel, în cadrul D1 au fost desfăşurate 4 activităţi de Cercetare fundamentală:
AF.1 Găsirea celor mai bune materiale, arhitecturi şi concentraţii pentru obţinerea straturilor REBCO nanostructurate cu centri de fixare sinergetici. Au fost fabricate prin ablaţie laser multi-țintă 47 de sisteme supraconductoare nanostructurate bazate pe YBCO, în care nanoingineria centrilor de fixare s-a făcut prin decorarea substratului, arhitectura de quasi-multistrat, şi folosire de ţinte cu câteva procente de nanoincluziuni de fază secundară. Cele mai bune rezultate au fost obţinute în cazul centrilor de pinning sinergetici, în care decorarea substratului şi quasi-straturile intercalate au fost realizate cu nano-insule de argint, iar ţinta de YBCO a conţinut 4-5 % nanoincluziuni de zirconat de bariu. Un alt rezultat semnificativ a fost creşterea forţei de fixare a liniilor de câmp magnetic în planul a-b al nanostructurii prin intercalarea unor straturi de titanat de stronţiu cu grosimi de câteva zeci de microni. AF.2 Găsirea celor mai bune adaosuri şi arhitecturi şi concentraţii pentru obţinerea nanocompozitelor de MgB₂ cu centri de fixare eficienţi. Au fost obţinute probe de MgB₂ sub formă de corp solid său de benzi în teacă metalică, din amestecuri de pulberi de MgB₂ şi diferite adaosuri inteligente (BN hexagonal, Ge₂C₆H₁₀O₇, CuGeO₃, B4C) utilizând tehnologia sinterizării în câmp electric pulsat. AF.3 Găsirea procentelor şi dimensiunilor granulare optime în nano-compozitele MgB₂/REBCO. Au fost preparate un număr mare de probe în 4 sisteme (MgB₂-Y₁₂₃; MgB₂-Y₂O₃; MgB₂-CuO şi MgB₂-BaCO₃) sub formă de bandă şi corp masiv şi a fost studiat procesul de densificare şi alte aspecte ale preparării. AF.4 Studii fundamentale ale stării de vortexuri în materialele supraconductoare. Au fost efectuate măsurători de magnetometrie SQUID/MPMS pentru construcţia diagramei de vortexuri, pentru determinarea regimurilor dinamice şi detectarea excitaţiilor specifice în materialele supraconductoare. Aceste măsurători au fost corelate cu studii de susceptibilitate multiarmonică şi cu experimente de vizualizare directă a vortexurilor prin imagistica magneto-optică şi prin microscopie Hall de baleiaj. Materialele investigate au fost atât cele pe bază de bor şi pământuri rare studiate la activităţile AF1-AF3, cât şi nişte materiale mai noi, supraconductori pe bază de fier, cum ar fi monocristale de pnictid dopat isovalent BaFe₂(Aş1-xPx)₂, sau un monocristal dintr-un sistem descoperit foarte recent, CaKFe₄Aş₄

În cadrul D1 au fost desfăşurate 2 activităţi de Cercetare industrială:
AI.1 Creşterea şi optimizarea parametrilor critici a straturilor REBCO nanostructurate pe substraturi metalice flexibile texturate, utilizabile în aplicaţii industriale, şi, respectiv, AI. 2 Optimizarea parametrilor critici ai nanocompozitelor supraconductoare de MgB₂ şi MgB₂ (optimizat)/REBCO pentru aplicaţii în câmpuri magnetice reduse şi/sau intense. În cadrul acestor activităţi au fost crescute straturi supraconductoare nanostructurate folosind sistemele şi arhitecturile cu cele mai bune rezultate pe substrate flexibile metalice compatibile cu aplicaţiile practice (cabluri, bobine, solenoizi) cu arhitectură multistrat buffer NiW/CeO₂/YSZ/CeO₂, şi, respectiv, au fost continuate studiile pe sistemul pe bază de bor folosind adausurile cu cele mai bune rezultate efectuând un reglaj fin al concentraţiilor şi parametrilor de preparare. Direcţia de cercetare D1 a cuprins şi o activitate de Dezvoltare experimentală: ADE.1 Aplicaţie practică: Stocator de energie magnetică. Au fost fabricate două demonstratoare, constând în discuri de MgB₂ cu adaos de h-BN+B₄C sau G+B₄C, prelucrabile prin aşchiere, care stochează valori ridicate ale câmpului magnetic, în apropiere de 3 T (adică de circa 10 000 ori mai mare decât câmpul magnetic terestru).
În cadrul D2 au fost desfăşurate 3 activităţi de Cercetare fundamentală: AF.5 Studiul fenomenelor de anizotropie magnetică aleatoare şi a configuraţiilor magnetice necolineare în compuşi intermetalici de tip TM-RE-B, inclusiv efectul impus de dimensiunea/dimensionalitatea redusă. Au fost preparate sisteme prezentând configuraţii magnetice necoliniare, sub formă de benzi, straturi subţiri bidimensionale sau structurate prin litografie, din sistemele Fe-Au, Fe-Ag, FeCo-Ag, Gd-Fe, Gd-Au, Fe-Dy, Fe-Dy-B, Fe-Gd-B, Fe-Cr, Fe-Mo. AF.6 Studiul sistemelor soft magnetice amorfe conţinând B în raport cu fenomene de magneto-impedanta şi alte tipuri de răspuns la stimuli magnetici oscilanţi. Au fost preparate sisteme soft magnetice conţinând bor, sub formă de fire, benzi, şi straturi subţiri, cu diverse compoziţii, Fe₃₅Co₁₅Pt₄₀B₁₀, Co₄₈Pt₂₈Ag₆B₁₈, Fe₆₀Cr₃₀Zr₂B₈, Fe₇₅Cr₁₅Zr₂B₈, Fe₈₅Cr₅Zr₂B₈, Fe₆₈Pt₁₃Nb₂B₁₇, Fe₆₈Pt₂₁Nb₂B₉, Fe₆₅Pt₂₅Nb₂B₈, Fe-Gd-B şi Fe-Dy-B. AF. 7 Studiul cuplajelor magnetice la interfaţa fazelor soft magnetice pe bază de B cu faze hard magnetice sau cu faze cu structuri magnetice necolineare (aspero sau sperimagnetice) pe bază de B şi RE. Studiul efectelor de exchange spring şi exchange bias. Au fost preparate sisteme multifazice, soft/hard sau soft/speri sub formă de nanocompozit sau bipătură magnetică: sistemul Fe-Dy-B (sperimagnetic), structuri tip bistrat magnetic, formate din filme ferimagnetice de Fe-Gd cuplate cu filme de Fe-Co (soft magnetice), şi straturi intermetalice şi aliaje pe bază de Fe-Pt cu adaos de Mn. Toate aceste sisteme, având diverse morfologii, preparate în cadrul AF5-AF7, au fost caracterizate structural şi morfologic prin XRD, SEM/EDX, TEM/HRTEM, EELS, şi, respectiv, din punct de vedere al proprietăţilor magnetice prin SQUID, MOKE, Mossbauer, magneto-transport.