Revista >> Noiembrie 2021 [Nr. 239] >> Cercetare & Invatamant superior

Proiectele INFLPR în Orizont 2020

19 Noiembrie 2021

Institutul Naţional de Cercetare Dezvoltare pentru Fizică Laserilor, Plasmei şi Radiaţiei (INFLPR) este unul dintre cele mai importante şi de tradiţie institute de cercetare din România. Tematica de cercetare este variată, fiind axată în principal pe studiul şi aplicaţiile laserilor şi plasmei. INFLPR este organizat în 7 laboratoare: 1) Secţia Laseri (departamentul în care, în anul 1962, a fost demonstrat în România primul laser); 2) Laboratorul Electronica Cuantică a Solidului; 3) Laboratorul de Plasmă de Temperatură Joasă; 4) Laboratorul Acceleratoare de Electroni; 5) Laboratorul de Fizică Plasmei şi Fuziune Nucleară; 6) Centrul pentru Tehnologii Laser Avansate (CETAL) şi 7) Centrul de Inovare Interdisciplinar de Fotonică și Plasmă pentru Eco-Nano Tehnologii și Materiale Avansate. În ultimii ani, cercetătorii din INFLPR au fost implicaţi, pe lângă proiecte naţionale, câştigate în cadrul competiţiilor organizate, în proiecte europene de prestigiu. Câteva din aceste proiecte sunt prezentate în continuare.

Proiectul „Biocombs4Nanofibers” (en. Antiadhesive Bionic Combs for Handling of Nanofibers, Grant agreement ID 862016, buget total 3 049 050€), care se desfăşoară în perioada octombrie 2019 - septembrie 2022, are ca obiectiv principal găsirea unor soluţii pentru prelucrarea tehnică a nanofibrelor, transportul şi păstrarea lor în bobine în care atracţia lor către orice suprafaţă este inhibată. O posibilă soluţie la această problemă vine chiar din natură, de la păienjenii din specia Cribellate, care au în anatomie un pipetene cu care pot manipula şi prelucra nanofibrele, fără a se lipi, datorită prezenţei unor nanostructuri speciale asemănătoare amprentelor digitale. Astfel, proiectul Biocombs4Nanofibers oferă o abordare tehnologică nouă la problema descrisă mai sus, şi anume realizarea de strucruri de tip „pieptene” bionic pe suprafeţe tehnice care sunt antiadezive față de nanofibre şi în acelaşi timp vor permite manipularea nanofibrelor. În plus, în cadrul proiectului, se doreşte de asemenea realizarea de nanostructuri antiaderente care pot împiedica aderența celulelor sau a altor microorganisme, cu aplicaţii directe în dispozitive şi implanturi medicale. Consorţiul format pentru rezolvarea acestei probleme include Universităţile Johannes Kepler Universität, (JKU) din Linz, Austria (fiind totodată şi conducătorii proiectului, prin prof. Johannes Heitz), Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule din Aachen, Germania, Institutele Foundation of Research and Technology Hellas din Creta, Grecia, Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung din Berlin, Germania, INFLPR din România, precum şi compania ELMARCO SRO din Cehia. INFLPR este reprezentat în proiect prin prof. dr. Maria Dinescu, ea coordonând echipa din INFLPR, formată din cercetători din 3 departamente diferite, şi anume: grupul Procesare Fotonică de Materiale Avansate (conducător prof. dr. Maria Dinescu) din cadrul Secţiei Laseri, grupul Procese, Materiale şi Suprafeţe în Plasma din cadrul Laboratorului de Plasmă la Temperatură Joasă (coordonator prof. dr. Gheorghe Dinescu), şi Laboratorul Procesare Laser a Materialelor din cadrul CETAL (coordonator dr. Irina Păun).

Obiectivele principale ale INFLPR în cadrul proiectului Biocombs4Nanofibers sunt:
1. producerea de structuri tridimensionale hierarhice, şi anume microstructuri nanostructurate, care să permită manipularea nanofibrelor cu minim de „încurcare” a acestora,
2. precum şi obţinerea de suprafeţe antiaderente pentru celule şi bacterii în vederea folosirii lor în realizarea de implanturi sau în alte aplicaţii medicale.
În prezent, structurile tridimensionale se realizează prin „scriere directă cu laserul” folosind tehnica fotopolimerizării cu doi fotoni (2PP) şi utilizându-se un echipament unicat în Romania - sistemul de litografie 3D Nanoscribe. Principiul de funcţionare al acestui echipament, care poate fi privit ca o imprimantă laser 3D cu rezoluţie spaţială de până la câţiva zeci de nm, se bazează pe focalizarea unui fascicul laser cu pulsuri de sute de femtosecunde într-un material lichid fotopolimerizabil. Astfel, printr-un proces de absorbţie multifotonică, are loc polimerizarea acestuia în zona spotului laser focalizat. Automatizarea sistemului care controlează parcursul spotului laser în materialul nepolimerizat permite scrierea de structuri 3D fără limitări în ceea ce priveşte arhitectura acestora şi cu reproductibilitate perfectă atunci când se doreşte obţinerea unor seturi de probe identice.
Probele 3D astfel structurate precum şi probe 2D cu diferite morfologii, ca de exemplu morfologii de tip structuri periodice realizate de partenerii din proiect urmează să fie funcționalizate prin depunerea de straturi subţiri polimerice folosind tehnica evaporare laser pulsată asistată de matrice (MAPLE), depunerea laser pulsată (PLD) funcționalizare cu fascicul de plasmă la presiune atmosferică. Tehnica de evaporare laser pulsată asistată de matrice oferă avantaje unice, precum i) menţinerea intactă a morfologiei structurilor ce urmează să fie acoperite (permite o acoperire „conformă”), ii) păstrarea intactă a compoziţiei chimice a polimerilor folosiţi, iii) flexibilitate în modularea proprietăţilor „de udare” a acoperirilor realizate (obţinerea de acoperiri hidrofobe sau hidrofile, în funcţie de cerinţele fiecărei aplicaţii). Tehnica PLD permite depunerea de filme subţiri şi heterostructuri cu proprietăţi controlate, aderente la substrat, din materiale metalice şi ceramice.
Partenerii din cadrul proiectului Biocombs4Nanofibers au experienţă şi competențe complementare şi îşi alătură expertiza într-un efort de a rezolva o problemă de interes în domenii diverse, de la cel tehnologic până la cel medical. Proiectul Biocombs4Nanofibers va avea un impact deosebit în multiple direcţii, de la îmbunătăţirea calităţii vieţii până la cel asupra mediului, impact care este atât la nivel de producţie de structuri cu proprietăţi controlate, cât şi relaţionat cu proprietățile îmbunătățite ale suprafeţelor tehnice produse prin scriere directă cu laserul, prin diferitele tehnici folosite: MAPLE, 2PP, PLD, funcționalizare cu fascicul de plasmă.

Proiectul „Photo-Piezo-ActUators based on Light SEnsitive COMposite”/„Foto-piezo-actuatoare bazate pe compozite sensibile la lumină”, acronim PULSE-COM (Grant agreement number: 863227 — PULSE-COM — H2020-FETOPEN-2018-2020/H2020-FETOPEN-2018-2019-2020-01) își propune să exploreze descoperirile tehnologice, dezvoltând și integrând o nouă clasă de Foto-Piezo-Actuatori pentru a deschide o nouă tehnologie radicală în viitor. Viziunea noastră se bazează pe utilizarea foliilor de polimer foto-mobil (PMP) cu costuri reduse și a unui piezo-compozit fără plumb (PZL) pentru a viza utilizarea lor în domenii noi inovatoare, neconsiderate până acum. Pornind de la aspectele fenomenologice și de modelare ale materialelor compozite, vom fabrica și caracteriza experimental dispozitive de tip Foto-Piezo-Actuatoare (PMP-PZL). Proiectul va aborda printr-o cercetare interdisciplinară ambițioasă utilizarea materialelor adecvate și a strategiilor optice adecvate pentru creșterea și reglarea absorbției luminii și, în final, creșterea eficienței dispozitivelor PMP. Cu aceeași țintă, modelele electromecanice și procesele de creștere inovatoare vor ghida optimizarea piezocompozitului pentru a-și îmbunătăți performanța și, prin urmare, sensibilitatea acestuia atunci când este cuplat cu PMP. Dispozitivul PMP-PZL va fi integrat în sisteme opto-electronice mai complexe prin cercetări incrementale cu risc ridicat pentru a realiza o implementare industrială de pionierat. În mod specific, urmărim realizarea de aplicații de ultimă oră bazate pe mașini la scară mezo, activate foto, cum ar fi opto-comutatoare și opto-microvalve, sisteme optice reconfigurabile și sisteme de recoltare a energiei solare. Studiul nostru poate deschide o nouă fereastră asupra dezvoltării viitoare a nanomotoarelor acționate de lumină și a potențialelor aplicații ale acestora în diferite domenii, cum ar fi domeniile biomedical, de mediu și nanoinginerie.
PULSE-COM reunește 8 parteneri din 4 țări europene diferite şi anume: The National Research Council (CNR), Consiliul Național de Cercetare din Italia (CNR, conducătorul proiectului), ENEA din Italia, Universitatea din Grenoble Alpi, Tehnologii Cedrat sau CTEC, Compania Ayming/Benkei din Franţa, INFLPR şi compania SITEX 45 SRL din România, şi Compania Centrul de Cercetare și Dezvoltare Tehnologică pentru Industrie SA, CBRTP din Polonia.
Rețelele optice reconfigurabile vor fi dezvoltate pe baza implementării dispozitivelor optice reconfigurabile în rețele cu noi funcționalități reglabile și comutabile prin intermediul controlului optic.
Dispozitivele piezoelectrice (PZL) pe bază de PVDF au fost fabricate pentru a realiza un dispozitiv flexibil foarte subțire și simplu pentru a fi integrat cu straturile PMP. În acest fel structura PMP/PZL, cu utilizarea foliei de cupru, se va putea integra uşor şi va putea disipa căldura mai simplu dacă PMP este iradiat cu lumină de mare intensitate.

În proiectul PULSE-COM sunt cercetate mai multe elemente piezoelectrice care urmează să fie integrate pe fotomobil-polimer (PMP). Cele două funcții principale ale stratului piezoelectric sunt: dispozitive de detectare, recoltarea energiei. Într-adevăr, atunci când PMP se îndoaie din cauza excitației luminii, este de așteptat ca deformarea mecanică să fie convertită în electricitate prin efectul piezoelectric direct.
Munca de colaborare a echipei PULSE‑COMa dus la depunerea unui brevet european. Brevetul EP21461595.7 intitulat: „Generator de energie foto-piezoelectrică de energie electrică din energie luminoasă” a fost depus în septembrie 2021.
Repetând experimentele făcute pe primul PMP cu al doilea PMP, am văzut că unele caracteristici importante ale PMP au fost modificate, astfel încât ștanțarea nu a mai fost posibilă. Deci, s-a încercat o altă abordare. Am încercat să formăm o peliculă groasă, ordonată, de sfere sub-micronice pe membrană și am realizat acest lucru cu succes pentru o soluție coloidală. Prin scăderea concentrației de coloid s-a format o peliculă compactă și relativ (puține straturi) subțire ordonată.
Nanofirele (NW) piezo-semiconductoare de oxid de zinc (ZnO) sunt candidați excelenți pentru fabricarea de colectoare de energie, senzori mecanici, dispozitive piezotronice și piezofototronice. Sunt cultivate de obicei din straturi subțiri de pornire. Pentru integrarea lor pe substraturi flexibile sunt necesare metode de fabricare la temperaturi joase. Metodele de depunere fără vid vor reduce în cele din urmă costul lor de fabricație. În PULSE-COM, în cadrul unei puternice colaborări a partenerilor ENEA și UGA, metoda de imprimare prin gravură a fost folosită pentru a depune straturi subțiri de ZnO pe substraturile flexibile.
CNR a pregătit cu succes o peliculă de polimer foto-mobil (PMP) care autovibrează în timp ce este expusă la lumina polarizată.
O școală on-line de două zile a fost organizată de consorțiul pe materiale inteligente pentru aplicații optoelectronice. Scopul a fost de a aduce participanților conceptele și principiile de bază de lucru privind tehnologiile de materiale inteligente de la experți în domeniile provenite atât din academie, cât și din industrie. Au fost susținute 16 prelegeri pentru a aborda înțelegerea completă a modului în care materialele inteligente au fost exploatate pentru a obține rezultate semnificative recente în cercetarea inovatoare a PULSE-COM, precum și în științe aplicate, de către investigatorii care lucrează în consorțiul PULSE-COM.

Proiectul 691688 LASIG-TWIN, „Laser Ignition - A Twinning Collaboration for Frontier Research în Eco-Friendly Fuel-Saving Combustion” s-a desfăşurat în perioada ianuarie 2016 - decembrie 2018 în INFLPR, fiind coordonat de dr. Pavel Nicolaie, în cadrul Laboratorului Electronica Cuantică a Solidului (ECS-210). Obiectivul principal al acestui proiect a fost de a crea o colaborare între INFLFR, Laboratorul ECS-210, și patru parteneri din Germania, Marea Britanie și Franța, cu scopul ca INFLPR și partenerii săi să îşi dezvolte excelența și vizibilitatea științifică, capacitatea de inovare tehnologică și pe cea de exploatare industrială în domeniul aprinderii cu laser a combustibililor, urmărindu-se o utilizare eficientă a energiei generate în timpul combustiei și înțelegerea aspectelor știinţifice fundamentele și ale aplicațiilor acesteia. Cei patru parteneri externi au fost: University of Bayreuth - UBT, Chair of Engineering Thermodynamics and Transport Processes, Bayreuth, Germany; The University of Liverpool - UL, School of Engineering, Liverpool, UK; Centre National de la Recherche Scientifique - CNRS, Laboratoire EM2C, Université Paris-Saclay, France şi Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering - IOF, Jena, Germany. În cadrul proiectului au fost definite şapte pachete de lucru (WP).
WP1. „Teaming, Laboratory Training,
Workshop and Summer School Program Setup and Scheduling”. În cadrul WP1 au fost stabilite grupurile de lucru („excellence working teams”) pentru fiecare partner, a fost discutat programul de vizite al fiecărei echipe („the staff exchange program”) şi a fost făcut un program pentru întâlnirile de tip workshops şi pentru două şcoli de vară.
WP2. „Workshops”. Au fost organizate șase workshops, cu prezentări susţinute de experţi invitaţi din străinătate, de profesori sau cercetători din România și din partea fiecărui partener. Scopul fiecărui workshop a fost de a discuta un subiect tehnologic specific; prin urmare, aceste workshops au acționat ca interfețe între partenerii proiectului și comunitățile științifice și tehnologice interesate de aprinderea cu laser a combustibililor în diferite tipuri de motoare.
WP3. „Teaming, Laboratory Training and Lecturing Program”. au fost stabilite trei echipe de lucru: Team 1, „Standardization for Science to Application Transfer în Laser Ignition Measurement and Characterization”, INFLPR şi UBT; Team 2, „Integration Approaches for Harsh Environmental Suitable Laser Systems”, INFLPR şi Fraunhofer – IOF, şi Team 3, „Frontier Applications for Laser Ignition Systems”, INFLPR, UL şi CNRS. Ca mod de lucru, echipa de la INFLPR s-a întâlnit cu fiecare echipă a unui partener, în locaţia partenerului, având discuţii, eventual şi experimente, pe un subiect definit, în legătură cu aprinderea cu laser. Scopul acestor întâlniri a fost de transfer de cunoştiinţe între parteneri, iar în final publicarea de articole în comun. În cadrul acţiunilor de „laboratory training” s-a urmărit transferul de competenţe de la un partener către echipa INFLPR, prin găzduirea echipei INFLPR în locaţia partenerului pentru o durată mai lungă de timp şi efectuarea în comun de experimente. În cadrul WP3 a fost organizat şi un program de susţinere a unor lecţii („lecturing program”). fiecare participant din consorţiu s-a putut deplasa la colaboratori pentru a prezenta o lecţie invitată; acest prilej a putut fi folosit pentru introducerea institutului în care lucrează, pentru a efectua vizite în laborator la instituţia gazdă şi pentru a discuta noi colaborări în timpul proiectului, sau de viitor.

WP4. „Summer Schools”. au fost organizate două şcoli de vară, Laser Ignition Summer School 2017, 19 - 22 iulie 2017, Brașov, şi Laser Ignition Summer School, 2 - 6 iulie 2018, Sibiu, acestea fiind considerate principalele evenimente de diseminare ale proiectului LASIG-TWIN. La aceste şcoli au putut să participe studenţi de tip master şi doctoranzi, precum şi angajaţi PostDoc de la INFLPR şi de la alte instituţii de învăţământ şi cercetare din România. A fost acceptat şi un număr limitat de studenţi din străinătate. Lecţiile au fost susţinute, în principal, de experţi din cadrul proiectului, cu subiecte despre aprinderea cu laser a combustibililor, de la cercetare fundamentală la aplicaţii. Înplus, au fost invitaţi profesori şi cercetători de la alte instituţii de cercetare şi de învăţământ, din ţară şi din străinătate.