Materiale Nanocompozite cu Proprietăţi Ajustabile

În cadrul echipei există un interes crescut în obținerea şi dezvoltarea de materiale compozite magnetice nanometrice atât din punct de vedere fundamental cât și aplicativ.  Aplicaţiile tehnologice abordate sunt: protecţia mediului, terapia fotodinamică, agenţi de contrast în imagistică medicală, hipertermia magnetică, micromagneţi cuplaţi prin schimb etc.

Tematici iniţiate / dezvoltate:

  • Studiul fenomenelor de interfață în materiale nanostructurate compozite:
    • transfer de sarcină şi spin
    • procese cuantice de cuplaj magnetic la interfață
  • Studiul proceselor fotocatalitice in materiale nanostructurate compozite cu interfețe modificate prin polimeri si surfactanți
  • Procese de fotogenerare în straturi subţiri pentru dispozitive fotovoltaice
  • Studiul producerii speciilor reactive de oxigen prin tehnica capcanelor de spin cuplată cu RES
  • Procese de cuplaj în compozite magnetice nanostructurate
  • Terapie prin hipertermie magnetică şi fototermică

Domenii de expertiză:

1. Expertiză privind prepararea prin metode chimice (MC) şi depuneri prin pulsuri laser (PLD)

  • Nanocompozite pe bază de materiale semiconductoare şi magnetice, cu compoziție şi caracteristici ajustabile utilizate în protecția mediului (MC)
  • Nanocompozite pe bază de structuri de carbon decorate cu nanoparticule semiconductoare (MC)
  • Materiale magnetice întărite prin schimb cu aplicații în stocarea de energie (MC, PLD)
  • Filme subțiri semiconductoare utilizate în producerea de energie electrică prin efect fotovoltaic obținute prin PLD
  • Filme subțiri multistrat feromagnet/semiconductor obținute prin PLD
  • Nanocompozite magnetice biofuncţionalizate în diverse arhitecturi cu aplicații medicale (MC)

2. Expertiza privind caracterizarea nanostructurilor:

  • analiza compozițională cantitativă și calitativă prin spectroscopie de fotoelectroni (XPS) de înaltă rezoluție
  • studiul benzilor de conducție sau valență prin spectroscopie de fotoelectroni cu excitare UV (UPS)
  • caracterizări structurale prin difracție de raze X (pulberi şi straturi subțiri)
  • caracterizări magnetice; câmp maxim 8T, interval de temperatură 3 – 300 K (VSM, SQUID)
  • rezonanţa electronică de spin (RES)

Lider de Grup

Dr. Ioan Ovidiu PANĂCercetător Științific I
Domeniu de expertiză: Ştiinţa materialelor, nanoparticule, nanocompozite.

Membri:

Maria GROZATehnician

Dr. Maria Simona GUŢOIUCercetător Științific III
Domeniu de expertiză: Știința materialelor, Chimie, Chimie fizică, Fizică aplicată.

Dr. Cristian LEOŞTEANCercetător Științific  II
Domeniu de expertiză: Știinţa materialelor, nanoparticule, nanocompozite.

Ing. Gabriel Sergiu MACAVEIInginer de Dezvoltare Tehnologică I
Domeniu de expertiză: Difracție de raze X,AFM/STM,PLD SYSTEM, Dezvoltare şi proiectare sisteme de măsură pentru caracterizarea nano-particulelor şi a filmelor subţiri.

Dr. Stelian Gheorghe PINTEACercetător Științific III
Domeniu de expertiză: Fizica materialelor, Fizica suprafețelor și interfețelor.

Dr. Adriana Paula POPACercetător Științific II
Domeniu de expertiză: Rezonanță electronică de spin, Nanomateriale, Fotocataliză.

Dr. Teofil-Dănuţ SILIPAŞCercetător Științific II
Domeniu de expertiză: .

Dr. Maria Viorica ŞTEFANCercetător Științific II
Domeniu de expertiză: Știinţa și ingineria materialelor, Nanomateriale, Chimie anorganică, Fotocataliza.

Dr. Olimpia Adina STEGĂRESCUCercetător Științific III
Domeniu de expertiză: Chimie.

Dr. ing. Ramona Crina SUCIUCercetător Științific III
Domeniu de expertiză: Știința și Ingineria Materialelor.

Dr. Dana Aurica TOLOMANCercetător Științific II
Domeniu de expertiză: Rezonanță electronică de spin, Nanomateriale, Fotocataliză.

Procese fotocatalitice în noi materiale nanostructurate compozite; Studiul producerii speciilor reactive de oxigen prin tehnica capcanelor de spin cuplată cu RES 

Nanoparticulele compozite SnO2-TiO2 modificate la interfață au fost obținute în două etape: în prima etapă au fost preparate nanoparticule de SnO2 prin precipitare chimică în prezenţa polyvinypyrrolidone (PVP) şi tratate termic la 500 C, apoi TiO2 a fost depus pe suprafața SnO2

modificat, urmat de un tratament termic final. În urma acestui tratament s-au obținut nanoparticule compozite Sn
O2-TiO2 cristaline, iar PVP-ul a fost descompus în unități monomerice şi alte fragmente moleculare mici. TGA cuplat cu spectroscopia FT-IR au confirmat prezenţa monomerilor şi a altor fragmente ca rezultat al fragmentării termice a PVP-ului. Fazele cristaline şi compoziția celor doi oxizi au fost evidențiate prin difracție de raze X, HRTEM şi XPS. S-a găsit ca aria suprafeței specifice a compozitelor creşte cu creșterea cantității de PVP. De asemenea, potențialul de oxidare al stratului extern de TiO2, determinat din spectroscopia de  fotoelectroni în UV (UPS), descrește semnificativ cu creșterea cantității de PVP şi prin urmare modifică aliniamentul de benzi dintre SnO2 şi TiO2.

În plus, spectrele XPS şi UPS precum şi investigațiile EPR, indică prezenţa multor stări localizate în interiorul benzii de energie interzisă a TiO2-ului. Conținutul moderat de PVP combinat cu efectele aliniamentului de bandă, a stărilor localizate şi porozitatea fac posibilă generarea unui număr crescut de specii reactive de oxigen (ROS) astfel crescând activitatea fotocatalitică a compozitelor la degradarea soluției de RhB sub acțiunea radiației

vizibile. Mecanismul fotocatalitic a fost elucidat pe baza identificării speciilor reactive implicate şi în acord cu aliniamentul de benzi, stările din banda interzisă şi porozitate. Pe lângă utilizarea în fotocataliză pentru purificarea apelor, nanocompozitele obținute, pot fi utilizate şi în alte aplicații

cum ar fi antibacterian şi anti-tumoral, purificarea aerului, auto-curățare, senzori de gaze, precum şi în producerea de hidrogen.


Noi fenomene de interfață în materiale nanostructurate compozite: – transfer de sarcina şi spin;- procese cuantice de cuplaj magnetic la interfață

Proprietățile acestor nanocompozite pe bază de materiale magnetice şi semiconductori sunt puternic influențate de transferul de sarcină/spin la interfață produs de egalizarea potențialelor. Spre exemplu, în cazul compozitelor nanostructurate de tip Fe3O4/SnO2, magnetizările de saturație calculate în raport cu conținutul de Fe3O4 exprimat în magnetoni Bohr/f.u. au valori mai mari decât în cazul nanoparticulelor de Fe3O4 neacoperite iar, în unele cazuri, se obțin valori mai mari ale magnetizării de saturație decât valoarea maximă admisă pentru magnetită (4 μB). Diferența este atribuită unei ordonări feromagnetice induse în SnO2 prin transfer de sarcina/spin la interfața proces care generează așa numitul feromagnetism mediat de purtători. Fe3O4 este un „half-metal” având doar stări polarizate de tipul spin-(↓) la nivelul Fermi.

Astfel doar stările cu spin-(↓) pot tunela din bandă de valenta a SnO2 pe stări neocupate aflate deasupra nivelului Fermi din magnetită în timp ce stările cu spin-(↑) rămân blocate în SnO2. Se produce astfel un dezechilibru între densitățile celor două orientări în interiorul SnO2. Pe de altă parte stările polarizate cu spin-(↓), fiind comune, se extind atât în magnetită cât și în nanocristalele de SnO2 și printr-un mecanism de tip RKKY, se generează stări ordonate magnetic în interiorul SnO2, fapt care determină creșterea magnetizării totale. Consecința este că SnO2 devine un material feromagnetic prin ordonarea atât a excesului de spin-(↑) din banda de valenţă cât şi a vacantelor de oxigen din banda interzisă.