Revista >> Octombrie 2024 [Nr. 267] >> Cover Story

Contribuția INCD Fizica Materialelor la implementarea Planului Național de Redresare și Reziliență

Dr. Lucian Pintilie, director stiintific INCDFM

23 Octombrie 2024

În cadrul Planului Naţional de Redresare şi Reziliență (PNRR) au fost lansate două competiţii pentru Investiţia 8-I8, Dezvoltarea unui program pentru atragerea resurselor umane înalt specializate din străinătate în activități de cercetare, dezvoltare și inovare. În cadrul celor două competiţii, INCD pentru Fizica Materialelor (INCDFM), împreună cu Centrul Internaţional pentruPregătireşiCercetareAvansată în Fizică (CIFRA), filială a INCDFM, acâştigat 6 proiecte, 4 la prima competiţie şi 2 la a doua. Prin aceste proiecte, INCDFM+CIFRA a atras în ţară circa 40 milioane lei, echivalentul a circa 8 milioane euro. Aceste fonduri oferă o gură de oxigen pentru anii 2024-2026 în absenţa contractării de proiecte în cadrul programelor din PNCDI IV. Cele 6 proiecte acoperă o gamă variată de tematici de cercetare fundamentală şi experimentală, cum ar fi: realizarea şi studiul unor dispozitive de tip memristor care pot fi utilizate ca sinapse artificiale în reţele de calcul neuromorfic, ceea ce ar reduce sensibil consumul de energie comparativ cu sistemele de calcul digitale bazate pe arhitecturi von Neumann; studiul unor materiale compozite cu potenţial de utilizare în managementul apei, inclusiv combaterea poluării şi asigurarea unor surse sănătoase de apă la costuri reduse; implementarea unor metode optice inovative de vizualizare a sistemelor de viruşi precum şi al particulelor viromimetice (care imită compotamentul de virus); studiul neutrinilor şi prezicerea masei specifice a acestora.

Aceste tematici se aliniază programelor de dezvoltare ale INCDFM şi CIFRA, dar şi obiectivelor generale şi specifice ale Strategiei Naţionale de Cercetare, Inovare şi Specializare Inteligentă (SNCISI) 2022-2027, cu precădere pe partea de pregătire de resursă umană înalt specializată, dezvoltarea de noi tehnici de investigare şi dezvoltarea de noi materiale cu potenţial de utilizare în domenii precum „Digitalizare, industrie şi spaţiu”, „Sănătate” sau „Hrană, bioeceonomie, resurse alimentare, biodiversitate, agicultură şi mediu”. Nu în ultimul rând, aceste proiecte contribuie la implementarea politicilor UE în domeniul cercetării fundamentale, al digitalizării, nanotehnologiilor şi al combaterii poluării (Green Deal).
În cele ce urmează, vor fi prezentate pe scurt cele 6 proiecte (titlul, scurtă biografie a directorului de proiect din străinătate, prezentarea succintă a obiectivelor, rezultatelor estimate şi a echipelor de implementare.

1. Proiectul „Artificial synapses based on ferroelectric tunnel junctions for neuromorphic and analogue computing”- ARSYF). Director de proiect: dr. Athanasios Dimoulas
Dr. Dimoulas a obţinut titlul de doctor în Fizică Aplicată în anul 1991, la Universitatea din Creta şi FORTH, în Grecia. Apoi a obţinut o bursă EU-Human Capital & Mobility Fellow la Universitatea din Groningen (Ţările de Jos) unde a stat până în anul 1994, şi o bursă la CALTECH, finalizată în anul 2006. A mai fost cecetător asociat la Universitatea din Maryland până în 1999, cercetător vizitator la IBM Zuerich în 2006 şi 2007, iar între 2016 şi 2018 a fost numit LANEF Chair of Excellence la CEA-INAC şi Universitatea Grenoble Alpes, Franța. În prezent, dr. Athanasios Dimoulas este director cu cercetarea la NCSR-DEMOKRITOS, în Atena, Grecia. El este fondatorul şi şeful Laboratorului de Epitaxie şi Ştiinţa Suprafeţelor (ESSL) încă din anul 1999. Este şi membru al comitetului de consultanță al guvernului grec pe probleme de Ştiinţe Fizice. A fost ales şi profesor plin de Fizică Experimentală a Materiei Condensate în cadrul Departamentului de Fizică al Universităţii Naţionale Kapodistriene din Atena. Are peste 200 de lucrări publicate, cu mai mult de 7.000 de citări (H=45), şi peste 60 de prezentări invitate la conferinţe internaţionale. A fost şi este director la mai multe proiecte de cercetare, inclusiv un ERC Advanced Grant. Începând cu ianuarie 2024 este directorul proiectului PNRR I8 cu titlul de mai sus, proiect care se va finaliza pe 30 iunie 2026.
Obiectivul principal al proiectului PNRR-760239/2024 constă în producerea şi caracterizarea unor dispozitive de tip memristor, pe bază de diode tunel feroelectrice, care să acţioneze ca sinapse artificiale cu potenţial de aplicaţii în calculul neuromorfic şi analogic. Sunt avute în vedere două materiale feroelectrice mai puţin uzuale, cercetate în special în ultimii 10 ani datorită compatibilităţii lor cu tehnologia CMOS bazată pe Si, respectiv HfO2 dopat cu Zr (HfZrO2-HZO) şi AlN dopată cu Sc (AlScN-ASN). Cele două materiale s-au dovedit a fi feroelectrice pentru anumite concentraţii de Zr (în jur de 50 %) şi Sc (în jur de 30 %). Straturile subţiri de HZO şi ASN vor fi depuse prin diferite tehnici, cum ar fi MBE, pulverizare în RF cu magnetron, PLD, pe diferite tipuri de substraturi, cum a fi SrTiO3 (STO) monocristalin dopat cu vacanțe de oxigen, GaN de tip n crescut epitaxial pe safir, SiC dopat n, TiN/Si, Pt/Si, LSMO/STO. Apoi, prin metode de metalizare şi litografie, se vor realiza nişte dispozitive de tip memristor, care vor fi caracterizate în amănunţime din punct de vedere structural şi al proprietăţilor electrice. Proiectul este unul de cercetare fundamentală, plecând de la TRL maxim 2 şi ţintind un TRL de maxim 4 la final, cu nişte dispozitive memristor care să prezinte minim 32 de stări intermediare de rezistență la pulsuri de tensiune de maxim 1.8 V. Se mai au în vedere 6 publicaţii în jurnale clasificate Q1 sau Q2, 8 prezentări la conferinţe şi, potenţial, 1-2 brevete. Echipa proiectului este un mix de cercetători cu experienţă şi tineri cercetători (2 poziţii normă întreagă post-doc şi 2 poziţii normă întreagă studenţi la doctorat, în total sunt 6 tineri în echipa de implementare a proiectului).

2. Proiectul „Composite materials for the applications in the water management”. Director de proiect: prof. dr. Stefano Bellucci
După obţinerea titlului de doctor în Fizică în 1986 şi efectuare unor stagii de lucru la Universitatea Maryland - USA (Octombrie 1986 – Septembrie 1987) şi Universitatea California - USA (Septembrie 1987 - Septembrie 1988), prof. dr. Stefano Bellucci a ocupat poziţia de cercetător la Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Frascati Naţional Laboratory, în perioada Februarie 1987 – Decembrie 2003. Între 2004 și 2024, domnul Stefano Bellucci a fost cercetător senior la INFN, având funcţia de şef al grupului de teorie în perioada 1999-2002 şi 2011-2015. Profesorul S. Bellucci a publicat 830 de articole, având un indice Hirsch de 54, ocupând poziţia 59.574 în lista Universităţii Stanford care nominalizează cei mai importanţi 2% cercetători din lume. Activitatea prof. S. Bellucci a fost focalizată pe fizica materiei condensate, dezvoltarea de nanoparticule pentru livrarea medicamentelor şi nanotehnolgia compozitelor bazate pe nanostructuri carbonice pentru aplicaţii în domeniul membranelor pentru purificarea apei şi nanobiosenzorilor.
Anul acesta, profesorul S. Bellucci s-a alăturat echipei INCDFM în vederea implementării proiecutului cu titlul menţionat mai sus (PNRR-760270/2024). Obiectivele proiectului constau în: i) prepararea unor membrane prin metoda procesului de inversie de fază, cu încorporarea agenţilor de decontaminare în matricea gazdă de poli (clorură de vinil), în vederea eliminării succesive a poluanţilor de tipul compuşilor organici (coloranţi, compuşi farmaceutici) şi anorganici (compuşi conţinând ioni de tip azotat, ai metalelor grele, etc.); ii) prepararea a noi senzori optici folosind spectroscopia Raman exaltată prin plasmoni de suprafaţă („Surface Enhanced Raman Scattering” – SERS) ca tehnică analitică pentru monitorizarea concentraţiei poluanţilor în apele contaminate; şi iii) formarea unei noi generații de tineri cu expertiză în managementul apelor poluate. Implementarea acestui proiect va permite: i) dezvoltarea unei noi direcţii de cercetare legată de managementul apelor uzate în INCDFM prin utilizarea de membrane conţinând agenţi de decontaminare a apelor poluate; ii) îmbunătăţirea curriculum vitae al fiecărui membru al echipei de implementare prin publicarea rezultatelor în reviste ISI cotate Q1 și elaborarea unor cereri de brevete EPO sau solicitate în alte ţări ale Uniunii Europene (UE), iii) dezvoltarea abilităţilor de comunicarea a rezultatelor în cazul doctoranzilor şi cercetătorilor postdoctoranzi; și iv) dezvoltarea unui sistem de filtrare cu potenţial de a fi implementat în reţelele de apă locale.

Echipa de implementare, coordonată de prof. Stefano Bellucci, constă din: i) 4 CS I cu expertiză în domeniul proprietăților optice ale nanomaterialelor, membranelor și compușilor macromoleculari evidenţiate prin spectroscopia SERS, analiza unghiului de contact, microscopie de forţă atomică și microscopie electronică de baleiaj (dr. habil. Mihaela Baibarac, dr. Irina Zgură, dr. Marcela Socol, dr. Elena Matei); ii) 2CS II cu expertiză în spectroscopia de fotoelectroni de raze X și termogravimetrie (dr. Cătălin Negrilă, dr. Cristina Bartha), iii) 2 CS III cu expertiză în procese fotochimice și microscopie electronică prin transmisie (dr. Mirela Văduva, dr. Ionel Mercioniu), iv) 4 postdoctoranzi cu expertiză în spectroscopia UV-VIS și IR, procese de fotodegradare ale coloranţilor, difracţie de raze X și sinteza materialelor compozite de tipul compușilor oxidici semiconductori/oxid de grafenă redus (dr. Ion Smaranda, dr. Adelina Udrescu, dr. Andreea Nilă, dr. Monica Dinescu) și v) 4 doctoranzi, care își desfășoară studiile la Școala Doctorală a Facultăţii de Fizică de la Universitatea București, sub coordonarea știinţifică a doamnei dr. Mihaela Baibarac, având subiectele tezelor de doctorat legate de obiectivele proiectului (Radu Cercel, Mirela Paraschiv, Teodora Burlănescu, Cristina Ştefănia Florica). Echipa de implementare a acestui proiect este prezentată alăturat.

3. Proiectul „Implementation of novel terahertz spintronic technologies fornext generation nanodevices and THzbroadband communications.” Director de proiect: dr. Evanghelos Papaioannou
Dr. Papaioannou a studiat fizica și și-a obținut doctoratul în nanomagnetism în 2006 la Universitatea Aristotel din Salonic (Grecia), apoi a activat ca post-doc la Universitatea Liberă din Berlin (Germania) și la Universitatea Uppsala (Suedia). Din anul 2014 dr. Papaioannou a demarat activităţi de cercetare în domeniul spintronicii THz la Universitatea Tehnică din Kaiserslautern în calitate de profesor junior. În 2019 dr. Papaioannou a primit un post de cercetător permanent la Universitatea Martin-Luther, Halle-Wittenberg (Germania), iar în 2023 a acceptat un post de profesor la Universitatea Aristotel din Salonic. Dr. Papaioannou are preocupări în domeniul spintronicii ultrarapide, a nanomagnetismului și științei materialelor. De asemenea, are preocupări în dinamica spinului și fenomenele spin-orbită în nanostructuri magnetice și metamaterialele magneto-plasmonice. A primit o bursă Carl Zeiss și a câştigat trei proiecte de la Ministerul Educației din Germania și Uniunea Europeană. Dr. Papaioannou are până în prezent 83 de publicații în reviste prestigioase, dintre care amintim: Nature Nanotechnology, iScience, Nanoletters, Nano Photonics, Scientific Reports, având un indice Hirsch de 25 şi peste 2100 de citări.

Scopul proiectului PNRR-760085 este de a dezvolta o nouă direcție de cercetare: spintronica THz, prin utilizarea radiaţiilor cu frecvenţă în domeniul terahertzilor. Această direcție de cercetare este consecinţa îmbinării interdisciplinare a cunoştinţelor existente în INCDFM în domeniul magnetismului și al dispozitivelor nanostructurate, cu expertiza extinsă a directorului de proiect în domeniul spintronicii THz. Întrepătrunderea acestei expertize cu experiența aprofundată a echipei din INCDFM în ce priveşte heterostructurile magnetice și platformele integrate nanomagnet-logice furnizează o oportunitate unică de a explora dincolo de aceste cunoştinţe dobândite separat și de a dezvolta o tehnologie multitasking în domeniul THz.

Se preconizează exemplificarea viabilității acestei tehnologii prin realizarea unui demonstrator tip structură multistrat, capabil să emită radiații THz controlate. Implementarea acestei tehnologii în INCDFM va permite stabilirea unei noi direcții de cercetare cu potențial major în definirea INCDFM ca actor major în domeniul tehnologiilor THz. Evidenţierea potențialului acestei tehnologii de a dezvolta dispozitive cu aplicabilitate în domeniul comunicaţiilor broadband, respectiv în domeniul testărilor non-distructive, deschide perspective bune de a dezvolta competenţe extinse pentru tinerii cercetători și realizarea de premise viabile pentru alte tipuri de aplicații care utilizează tehnologia THz: memorii RAM, telecomunicaţii 5G, etc.
Echipa de implementare este alcatuită din directorul de proiect, doi CS I (dr. Crișan Ovidiuș dr. Randrianantoandro Nirina), un CS II (dr. Crișan Alina), un CS III (dr. Geculeasa Simona), doi post-doctoranzi (dr. Locovei Claudiu, dr. Stanciu Anda) și doi studenți la doctorat (Leca Aurel, o poziție vacantă).