Este un program de instruire teoretică și practică adresat studenților de la fizică / chimie, care vizează aplicații în domenii precum știința materialelor, cataliză,  ingineria mediului, farmaceutic etc.

Programul constă dintr-o serie de module care pot fi combinate astfel încât să satisfacă cerințele concrete de instruire ale studentului, și va fi adecvat nivelului de pregătire teoretică a acestuia.

Tehnici analitice

Tematica 1: Spectroscopie RMN pe solide (RMN-s) – concepte de bază și aplicații practice

Modulul 1: Introducere în spectroscopia RMN-s  – concepte teoretice de bază ale spectroscopiei RMN, cu accent pe caracteristicile specifice ale aplicațiilor pe probe solide și diferențierea față de probele lichide; ilustrarea practică a fiecărui concept major cu exemple / experimente concrete din laboratorul RMN-s – canale de radiofrecvență (rf), pulsuri (secvențe de pulsuri) rf, prepararea probei, particularitățile transformatei Fourier în spectroscopia RMN, ilustrate cu optimizarea calității unui spectru RMN-s, înregistrarea, procesarea și interpretarea de spectre RMN-s uni-dimensionale (1D) pe diferite nuclee de interes (1H, 13C, 15N, 29Si, 31P și 2H)

Modulul 2: Tehnici de bază în spectroscopia RMN-s  – rotația în jurul unghiului magic (MAS – Magic Angle Spinning), tehnici de decuplare homonucleară, tehnica CP-MAS (Cross-Polarization under Magic Angle Spinning), tehnici de decuplare heteronucleară, determinarea timpilor de relaxare și corelarea lor cu informații de dinamică moleculară. Tehnicile vor fi demonstrate pe spectre 1H și 13C RMN-s

Modulul 3: Tehnici RMN-s avansate – fundamente teoretice și demonstrații experimentale; se vor aborda experimente RMN-s 2D de separare și de corelație, de exemplu, HETCOR (Heteronuclear Correlation), PDSD (Proton Driven Spin Diffusion), DQ-MAS (Double Quantum under Magic Angle Spinning) sau REDOR (Rotational Echo Double Resonance), în funcție de aplicațiile convenite cu studentul

Modulul 4: Aplicații practice ale spectroscopiei RMN-s  – se vor considera două aplicații moderne ale spectroscopiei RMN-s: (1) determinarea structurii cristaline a unor compuși de interes farmaceutic printr-o abordare de tip cristalografie RMN; (2) caracterizarea prin metode RMN-s a materialelor amorfe pe bază de polimeri

Tematica 2: Spectrometrie de masă şi cromatografie – concepte de bază și aplicații practice

Modulul 1: Introducere în spectrometria de masă pentru rapoarte izotopice (IRMS) – background teoretic (definiții, principiul spectrometriei de masă pentru rapoarte izotopice, standarde internaționale utilizate în IRMS, prepararea probelor), echipamentele specifice (spectrometrele de masă IRMS, analizorul de izotopi), domenii de aplicare a tehnicii IRMS cu exemple specifice (siguranța alimentară, ştiințele vieții aplicate, ştiințele Pământului, sănătate).Aplicații practice: calculul concentrației de 15N dintr-o probă dată, pe baza spectrului de mase, prepararea probelor organice prin combustie, pentru analiza izotopică.

Modulul 2: Introducere în spectrometria de masă cu plasma cuplată inductiv (ICP-MS) – noțiuni teoretice de bază ale spectrometriei de masă cu plasma cuplată inductiv, prezentarea aparaturii, optimizarea metodelor de analiză, prepararea probelor.  Prezentarea domeniilor de aplicare ale tehnicii ICP-MS: siguranța alimentară, mediu, sănătate, industrie. Aplicații practice: determinarea conținutului de elemente dintr-o probă lichidă dată.

Modulul 3: Introducere în cromatografia de lichide de înaltă performanță (HPLC)  – concepte teoretice de bază ale cromatografiei de lichide, cu accent pe separarea compuşilor organici, optimizarea metodelor de analiză, alegerea coloanelor cromatografice, calcularea ariilor, interpretarea rezultatelor; Aplicații practice: prepararea probelor pentru analiză, injectarea probelor, alegerea gradientului în funcție de compuşii analizați, optimizarea parametrilor în fucție de metodă, folosirea standardelor, calculul concentrațiilor pe baza curbelor de calibrare, interpretarea rezultatelor.

Modulul 4: Introducere în cromatografia de gaze cu diferiți detectori  – concepte teoretice de bază ale cromatografiei de gaze și a domeniului de aplicare a acestei tehnici, cu accent pe explicarea fenomenului de separare cromatografică, alegerea coloanelor cromatografice (capilare vs. convenționale) de separare a compuşilor organici, alegerea condițiilor de lucru pentru o separare optimă într-un timp cât mai scurt și alegerea tipului de detector utilizat; Aplicații practice: prepararea probelor pentru analiză, injectarea probelor, separarea cromatografică, optimizarea parametrilor în fucție de metodă, folosirea standardelor, identificarea și cuantificarea compușilor organici separați, calculul ariilor și a concentrațiilor compușiilor identificați, interpretarea rezultatelor.

Tematica 3: Spectroscopie RES – concepte de bază și aplicații practice

Modulul 1: Introducere în spectroscopia RES  – considerații teoretice de bază ale spectroscopiei RES: efect Zeeman, factor giromagnetic g, forma liniei de rezonanță, intensitate integrală, interacția hiperfină.

Modulul 2: RES în undă continuă – considerații experimentale: componentele de bază ale unui spectrometru RES în undă continuă, înregistrarea, procesarea și interpretarea de spectre RES. Măsurători la temperatura camerei pe diferite sisteme paramagnetice conținând electroni d și f, radicali liberi.

Modulul 3: Tehnici RES avansate – Dinamica de spin în funcție de temperatură. Experimente RES în regim de frecvență/câmp magnetic înalt (banda Q). Metoda capcanelor de spin.

Modulul 4: Aplicații practice ale spectroscopiei RES  – se vor considera următoarele aplicații moderne ale spectroscopiei RES: identificarea stării de valență și a interacțiilor magnetice în cazul unor ioni paramagnetici înglobați în diverse matrici oxidice, evaluare activitate antioxidantă, identificare de specii reactive de oxigen (OH, ) implicate în procese de fotocataliză.

Tematica 4: Spectroscopia de fotoelectroni cu raze X (XPS) şi Spectroscopia de pierdere de energie a electronilor (EELS)

Modulul 1: principiul metodei XPS şi descrierea spectrometrului

Modulul 2: Analiza şi interpretarea spectrului XPS: achiziția spectrului şi analiza elementală calitativă şi cantitativă. Aplicații ale metodei XPS

Modulul 3: Spectroscopia de fotoelectroni cu raze UV (UPS): se înlocuieşte sursa de raze X cu lampa UV. Analiza şi interpretarea spectrului UPS. Aplicatii ale metodie UPS

Modulul 4: Spectroscopia EELS:  principiul metodei EELS şi descrierea spectrometrului. Structura unui spectru EELS, analiza şi interpretarea spectrului EELS. Aplicații ale metodei EELS

Tematica 5: Cromatografie de lichide – concepte de bază și aplicații practice

Modulul 1: Introducere în cromatografia de lichide – concepte teoretice de bază privind cromatografia de lichide pe strat subțire (TLC – Thin Layer Chromatography) şi de înaltă performanță (HPLC – High Performance Liquid Chromatography); prezentarea aparaturii utilizată pentru realizarea celor două tehnici, existentă în cadrul Departamentului de Fizica sistemelor nanostructurate din INCDTIM (TLC şi HPLC-DAD/FD/RI/MS Shimadzu); prezentarea şi exemplificarea mărimilor caracteristice procesului de separare cromatografică; prezentarea noțiunilor de bază privind validarea unei metode cromatografice şi exemplificarea determinării fiecărui parametru de validare prezentat. La nevoie se vor putea construi coloane cromatografice pentru separarea prin cromatografie de lichide a compușilor organici.

Modulul 2: Etapele de pregătire şi analiză a unei probe – prezentarea operațiilor fizico-chimice începând de la prelevarea unei probe până la introducerea acesteia în aparatul de analiză (colectarea, conservarea, stocarea, extracția/concentrarea/izolarea, identificarea şi determinarea); ilustrarea practică a tehnicii de extracție pe fază solidă (SPE – Solid Phase Extraction) utilizând dispozitivul Supelco Vacuum Extraction.

Modulul 3: Aplicații practice ale cromatografiei de lichide – separarea coloranților, uleiurilor volatile, polifenolilor și a altor compuși organici, utilizând tehnicile TLC, respectiv HPLC-DAD/FD/RI/MS

Tematica 6: Andocarea moleculară - Metoda numerică de prognoză şi analiză a interacțiunilor moleculare şi biomoleculare

Modulul 1: Instruire privind utilizarea bazelor de date – obținerea datelor structurale de input ale moleculelor de interes – Introducere în metoda numerică de andocare moleculară; Prezentarea principalelor baze de date care conțin structurile moleculelor de interes; Prezentarea tehnicilor de selecție a datelor de interes și de vizualizare a datelor de input. Exemple de molecule de tip host şi de tip guest. Identificarea de potențiale aplicații.

Modulul 2: Tehnici de prelucrare numerică a datelor şi de rulare a codului de calcul – Tehnici de prelucrare a datelor de input; Conversii între mai multe tipuri de fişiere; obținerea tuturor fişierelor necesare rulării codului, i.e. datele de input pentru molecula „host” şi pentru molecula „guest” în formatul solicitat de cod; crearea fişierului de comandă; rularea codului în linie de comandă.

Modulul 3: Obținerea fişierelor de output şi interpretarea rezultatelor – Obținerea fişierelor de rezultat; încărcarea datelor în softul de analiză şi ierarhizarea rezultatelor; Analiza şi interpretarea rezultatelor; prognoza tipului de interacțiune moleculară.

Modulul 4: Metode de vizualizare şi prelucrare de imagine – Vizualizarea grafică a rezultatelor în softuri dedicate; procesarea datelor de output în format grafic. Metode de prelucrare de imagine.

Tematica 7: Metodă de diagnoza ultrasenzitivă a microorganismelor utilizând spectroscopia SERS (Surface-Enhanced Raman Spectroscopy)

Modulul 1: Introducere în spectroscopia SERS – noțiuni teoretice a fenomenului de împrăștiere a luminii; efectul Raman; contribuția chimică şi electromagnetică în efectul SERS; tipuri de substrate SERS; instrumentație Raman; aplicații biomedicale ale spectroscopiilor Raman și SERS.

Modulul 2: Metode de sinteză a suprafețelor amplificatoare SERS – trecere în revistă a metodelor (fizice/chimice) de obținere a substrațelor amplificatoare SERS; prepararea practică a unui tip de coloid de argint; caracterizare spectroscopică a coloidului preparat.

Modulul 3: Obținerea de spectre SERS pe culturi microbiene – noțiuni teoretice de bază privind caracteristicile bacteriilor Gram-pozitive şi Gram-negative; noțiuni de bază privind modul de interpretare şi analiză a unui spectru SERS; pregătirea unei probe SERS biologic viabile în vederea înregistrării spectrului SERS şi interpretarea acestuia; optimizarea parametrilor de înregistrare a spectrului SERS.

Modulul 4: Discriminarea şi caracterizarea probelor investigate prin analiza statistică avansată a spectrelor SERS – introducere în metoda de analiză chemometrică Principle Component Analysis (PCA), familiarizarea cu pachetul „The Unscrambler”, prelucrarea spectrelor SERS înainte de analiza chemometrică (scăderea liniei de bază, normalizare, etc) utilizând programe software dedicate, realizarea bazei de date și prelucrarea acesteia (definirea probelor, a variabilelor, a grupurilor de clasificare), crearea de modele de discriminare, validarea modelelor, obținerea și prelucrarea rezultatelor, interpretarea rezultatelor. Metoda poate fi aplicată pe orice tip de date de spectroscopie vibrațională (FT-IR, Raman, SERS) înregistrate pe orice tip de probe.

Materiale: metode de sinteză / obținere

Tematica 1: Sinteză de materiale compozite pe bază de polimeri

Modulul 1: Introducere în sinteza materialelor magnetice de tipul magnetită, ferite și clusteri magnetici – Prezentarea teoretică și practică a diferitelor metode de obținere a materialelor magnetice cu proprietăți controlate, folosind următoarele metode de preparare: metoda coprecipitării, decompoziției termice, emulsiei directe sau inverse, solvotermică.

Modulul 2: Sinteza materialelor polimerice – Prezentarea teoretică și practică a diferitelor tipuri de polimeri cu funcționalități specifice, cum ar fi polimeri conductori, polimeri responsivi (pH, temperatură), polimeri reticulați, hidrogeluri, etc.

 Modulul 3: Teste privind aplicațiile materialelor sintetizate – Materialele sintetizate vor fi testate în aplicații cum ar fi: depoluare, senzori chimici și electrochimici, eliberare controlată a unor specii de interes, aplicații biomedicale.

Tematica 2: Extracția compuşilor bioactivi din materiale vegetale

Modulul 1: Tehnici de extracție frecvent utilizate pentru extracția compuşilor bioactivi din diferite materiale vegetale (plante aromatice, fructe de pădure, legume cu frunze verzi, etc): extracția prin macerare, extracția utilizând refluxarea, extracția în câmp de microunde şi extracția prin ultrasonare – concepte teoretice de bază şi ilustrarea practică a fiecărei metode de extracție.

Modulul 2: Optimizarea metodei de extracție – evaluarea influenței solventului, a timpului de extracție şi a temperaturii de extracție asupra conținutului de compuşi bioactivi din materialele vegetale; optimizarea metodelor de extracție a compuşilor bioactivi din materiale vegetale utilizând designului experimental CCD (Central Composite Design).

Modulul 3: Aplicații practice – extracția compuşilor polifenolici, uleiurilor volatile, clorofilelor și a altor compuși bioactivi din diferite materiale vegetale; prepararea extractelor vegetale şi analiza acestora prin determinarea cantitativă a conținutului de compuşi bioactivi utilizând spectrofotometria UV-Vis și / sau cromatografia; înregistrarea, procesarea și interpretarea spectrelor UV-Vis / cromatogramelor; determinarea activității antioxidante a extractelor obținute; determinarea factorului de protecție solară al extractelor.

Tematica 3: Metode avansate de sinteză a materialelor compozite - noțiuni generale și aplicații

Modulul 1. Noțiuni generale și teoretice referitoare la tipurile de materiale compozite (core-shell) cu aplicații în depoluarea apelor uzate prin efect fotocatalitic; metode de sinteză utilizate pentru obținerea materialelor compozite: principii de bază și avantaje; exemple: metode de sinteză din soluții (precipitare/coprecipitare, sol-gel, solvotermală), metode de sinteză în stare solidă, descompunerea termică, ajustarea proprietăților materialului în funcție de condițiile de sinteză.

Modulul 2. Experimentări metode de sinteză: se vor sintetiza două tipuri de materiale compozite magnetice-semicomductoare și nanostructuri de carbon (nanotuburi de carbon, grafene) decorate cu semiconductori (ZnO, TiO2). Ca și materiale magnetice se vor alege magnetita  sau materiale din clasa feritelor (ferita de  cobalt, nichel), iar ca și materiale semiconductoare (TiO2, ZnO, ZnS, etc) cu sau fără dopanți.

Modulul 3. Testarea materialelor obținute în depoluarea apelor uzate prin efect fotocatalitic: principiu de bază al fotocatalizei; tehnici spectroscopice utilizate în evidențierea absorbției poluantului și degradării acestuia în prezența unui material compozit sub acțiunea radiației UV sau vizibil; teste de reutilizare a materialului compozit folosit ca fotocatalizator.

Tematica 4: Nanomateriale cu structură poroasă controlată – preparare, caracterizare și aplicații în cataliza heterogenă

Modulul 1: Prepararea şi caracterizarea structurală a unor nanomateriale cu structură poroasă controlată – În cadrul acestui modul se vor prepara şi caracteriza stuctural nanomateriale cu porozitate controlată şi cu potențiale aplicații în cataliză. Nanomaterialele care se au în vedere sunt compozite de tipul nanoparticule metalice depuse pe suport (suport = oxizi simpli sau micşti şi grafene). Activitățile prevăzute sunt: (i) – sinteza unui astfel de nanomaterial folosind diferite tehnici: precipitare, co-precipitare, impregnare, depunere – precipitare; (ii) – caracterizare structurală prin difracția de raze X pe pulberi pentru identificarea materialului, determinarea cristalinității şi a dimensiunii cristalitelor; (iii) – caracterizarea texturală prin adsorbția/desorbția azotului, determinarea ariei suprafeței specifice, volumului de pori şi distribuția dimensiunii porilor; (iv) – caracterizarea morfologică prin microscopie electronică; (v) – determinarea stabilității termice prin analiza termogravimetrică.

Modulul 2: Tehnici de caracterizare funcțională a nanomaterialelor poroase cu aplicații în cataliză – În cadrul acestui modul se va estima potențialul catalitic al unor materiale poroase folosind tehnici de interacțiune a moleculelor cu suprafața. Activitățile prevăzute în cadrul acestui modul sunt: (i) o prezentare teoretică a tehnicilor de reducere/desorbție/reacție la temperatură controlată; (ii) măsurarea unui material poros folosind tehnicile amintite mai sus şi stabilirea proprietăților suprafeței; (iii) estimarea potențialului catalitic al materialului studiat.

Modulul 3: Aplicații practice ale nanomaterialelor cu porozitae controlată în cataliza heterogenă – Activitățile prevăzute în această etapă încep cu prezentarea teoretică a modului de testare a unui catalizator într-un proces heterogen şi a parametrilor catalitici de interes – definire, mod de calcul. Activitățile practice constau în: (i) testarea un material într-o reacție catalitică de interes pe plan internațional: metanare a CO2, reformare a biogazului, descompunere a acidului formic; (ii) se vor calcula parametrii catalici ai procesului cum sunt: conversia, selectivitatea, (iii) se studiază dezactivarea catalizatorului.

Tematica 5: Nanomateriale cu structură poroasă controlată: Structuri metal-organice (MOF)

Modulul 1: Sinteza şi caracterizarea structurilor metal-organice  (5 zile) – În cadrul acestui modul se va parcurge toate activitățile care presupun sinteza ṣi caracterizarea structurilor metal-organice (metal-organic frameworks, MOFs). Activități propuse:

  • Prezentarea clasei de materiale structuri metal-organice: nomenclatură, clasificare, proprietăți.
  • Sinteza unor structuri metal-organici folosind diferite tehnici: solvotermic/hidrotermic, meacnochimie (mojarare manuală ṣi automată cu moară cu bile), activare cu microunde ṣi ultrasunete.
  • Metode de purifica/activare: reflux în solvenți, schimb de solvenți, extracție, degazare la anumite temperaturi.
  • Caracterizare structurală: difracția de raze X pe pulberi sau monocristal pentru determinarea structurii sau identificarea materialului, determinarea cristalinității şi a dimensiunii cristalitelor.
  • Caracterizare texturală: adsorbția/desorbția azotului la 77K, determinarea suprafeței specifice, volumul de pori, distribuția de pori.
  • Caracterizare compozițională: FT-IR, RAMAN, spectroscopia fotoelectronică de raze X.
  • Caracterizare morfologică: microscopia electronica de baleiaj, microscopia electronică de transmisie.
  • Determinarea stabilității termice: analiza termogravimetrică.

Modulul 2: Aplicații ale structurilor metal-organice: (5 zile)

  •  Adsorbția de gaze prin metoda volumetrică. Stocarea hidrogenului.
  • Cataliza eterogenă: producerea hidrogenului prin descompunerea acidului fomic. Se vor determina parametrii catalitici ai procesului cum sunt: conversia, selectivitatea, dezactivarea catalizatorului etc.

Tematica 6: Tehnici de Micro/Nano-fabricație – designul şi obținerea suprafețelor nanostructurate

Modulul 1: Proiectarea nanostructurilor și elaborarea matrițelor utilizate în tehnici MBE respectiv NIL –  concepte teoretice de bază ale metodelor de depunere de tip epitaxia în fascicul molecular (Molecular Beam Epitaxy – MBE) respectiv litografia de nanoimprint (Nano-Imprint Lithography – NIL); concepte teoretice de bază ale nanostrurilor 3D folosite; exemple / experimente concrete din laboratorul de Nanofabricație a suprafețelor nanostructurate pentru elaborarea matrițelor.

Modulul 2: Depuneri de filme ultrasubțiri definite până la rezoluție atomică prin metoda MBE – depuneri de metale, semiconductori și materiale organice sub formă de straturi subțiri prin metoda MBE în vid ultra-înalt; optimizarea parametrilor de depunere: temperatura de substrat și a ratei de depunere; obținerea de nano/microstructuri cu arhitectură controlată care vor fi utilizate în funcție de aplicațiile convenite cu studentul.

Modulul 3: Obținerea de nano-arhiecturi 3D prin tehnica NIL– utilizarea matriței rigide cu modele 3D nano/micrometrice; utilizarea polimerilor lichizi depuși prin ”spin coating” pe un substrat solid sau a celor flexibili și transparenți sub formă de folie cu o grosime predefinită; găsirea unei combinații potrivite de presiune,  temperatură și/sau iradiere cu lumină UV, astfel încât nano-arhiecturile 3D  din matriță sa fie transferate în substratul vizat.

Modulul 4: Caracterizarea topografiei suprafețelor nanostructurate prin microscopie de scanare (AFM, STM) – concepte teoretice de bază ale metodelor microscopice de scanare cu accent pe microscopia de scanare prin efect tunel (STM) și microscopia de forță atomică (AFM); pregătirea probei pentru caracterizări în vid ultra-înalt; caracterizarea topografiei filmelor ultrasubțiri depuse pe strat conductor prin STM; evaluarea calității imprintării în polimeri flexibili și transparenți prin măsurători AFM; înregistrarea, procesarea și interpretarea imaginilor topografice.

Tehnologii emergente

Tematică: Informație cuantică

Modulul 1: Citirea și manipularea qubiților supraconductori. Metode de calcul ale rezultatelor măsurării stării cuantice a qubiților supraconductori (transmoni, fluxoni, etc.). Simularea evoluției stării circuitelor cuantice sub influența câmpurilor electromagnetice externe.

Modulul 2: Surse de erori în qubiți supraconductori. Calculul ratelor de decoerență pentru qubiții supraconductori pentru diferite tipuri de zgomot (termic, de sarcină, de flux, etc.)

Energii Alternative

Tematica 1: Caracterizarea surselor de energie electromagnetică în domeniul de microunde (max. 40 ore)

(i) Poluare electromagnetică şi metode de caracterizare

(ii) Interacţiuni bioelectromagnetice şi standarde de protecţie

(iii) Caracterizarea unui circuit de microunde (antene, cavităţi rezonanțe)

(iv) Măsurarea spectrului de frecvenţe de microunde din mediul ambiant

(v) Determinarea densităţii de putere de microunde pentru sursele de poluare.

Tematica 2: Caracterizarea surselor de poluare sonoră şi vibraţie (max. 25 ore)

(i) Noţiuni introductive: prezentarea analizorului spectral, unităţi de măsură specifice

(ii) Măsurarea şi caracterizarea poluării sonore

(iii) Măsurarea şi caracterizarea vibraţiilor

Tematica 3: Metode de caracterizare a stocării de energie în baterii (max. 25 ore)

(i) Determinarea capacităţii bateriilor prin încărcare/descărcare

(ii) Măsurători de impedanţă cu tehnica PEIS (Potentio Electrochemical Impedance Spectroscopy) şi obţinerea curbelor Nyquist

(iii) Interpretarea parametrilor Randle din circuitul echivalent

Tematica 4: Bilanţ energetic într-un sistem de conversie de energie (max. 25 ore)

(i) Noţiuni introductive – vor fi prezentate modalităţile de concentrare, captare şi conversie a energiei solare, determinarea energiei pierdute şi calculul eficienţei de conversie energetică

(ii) Proiectarea receptorului solar – plecând de la condiţiile iniţiale (iradiantă, tipul şi caracteristicile concentratorului solar) vor fi prezentaţi paşii de proiectare a receptorul cu ajutorul modulului Fluent al software-ului ANSYS

(iii)Testarea receptorului şi calculul bilanţului energetic – se va realiza modelul experimental de testare a unui receptor solar, urmat de testarea receptorului în condiţii reale de funcţionare şi calcularea eficienţei energetice a acestuia