Importanta Activitatilor de Cercetare Si Inovare In Domeniul Nanomaterialelor

Importanța activităților de cercetare și inovare în domeniul nanomaterialelor este deja un subiect foarte binecunoscut la acest moment, atât pe continentul Nord American sau al Asiei, dar și în Europa.

Conform raportului final din iunie 2011 al grupului de lucru la nivel înalt privind Key Enabling Technologies (KETs), de altfel menționate și între obiectivele programului “Orizont 2020”, capacitățile de integrare a nanomaterialelor și a nanostructurilor sunt esențiale pentru dezvoltarea nanotehnologiilor. Implementarea și dezvoltarea de noi metode de depunere, sinteză și nanostructurare a materialelor vor conduce la obținerea de progrese semnificative privind simularea și studierea proprietăților fizico-chimice ale nanomaterialelor sintetizate și aplicațiile acestora. De exemplu, eforturi considerabile sunt depuse de către comunitatea științifică și industrială în direcția descoperiririi unor materiale alternative siliciului, care pot fi reduse prin nanotehnologii la scară moleculară și eventual la scară atomică, deschizându-se astfel o traiectorie tehnologică nouă pentru dezvoltarea de circuite integrate cu dimensiuni din ce în ce mai mici și implicit, a noi generații de dispozitive și aplicații ale acestora. Printre cele mai studiate astfel de materiale, carbonul este considerat elementul cu cel mai apreciat potențial în nanotehnologiile viitorului. Fulerenele, nanotuburile de carbon, nano-onions sau grafena, de exemplu, prezintă proprietăți electrice, termice și mecanice extreme, fapt pentru care ele reprezintă unele dintre nanomaterialele industriei de mâine.

Un pas tehnologic important în exploatarea caracteristicilor nanomaterialelor bazate pe carbon a fost perfecționarea metodelor de obținere și procesare ale acestora: fulerenele (1) și nanotuburile (2) – având la bază un element structural comun: grafena; grafena însăși a fost întâi definită și abia apoi sintetizată în 2004 prin exfolierea grafitului (3). Toate aceste rețele hexagonale de atomi de carbon formând nanostructuri diverse 1-, 2- și 3-dimensionale au stimulat activități de cercetare și inovare de amploare și reprezintă poate cel mai elocvent exemplu de nanomateriale cu potențial industrial și economic practic nelimitat (4). Cea mai atractivă formă alotropă a carbonului pentru industrie o reprezintă nanotuburile de carbon, datorită proprietăților fizice și mecanice ale acestora, cum ar fi: (i) Mobilitate a purtătorilor de sarcină mare (~120000 cm2 V-1 s-1); (ii) Arie de suprafață mare (~1600 m2 g-1); (iii) Absorbție în domeniul IR (Eg: 0.48 to 1.37 eV); (iv) Caracter semiconductor – ideal pentru aplicații fotovoltaice

Aceste proprietăți fac deosebit de atractive nanotuburile de carbon pentru aplicații diverse, cum ar fi: biosenzori, sisteme fotovoltaice, nano-electronică, haine inteligente, etc.

Din considerentele de mai sus reiese clar că nanomaterialele pe bază de carbon oferă șansa unică de a dezvolta o nouă familie de sisteme integrate. Este de așteptat ca progrese semnificative în sinteza și procesarea acestora, să conducă la dezvoltarea erei post-siliciu a electronicii și la dezvoltări esențiale în direcția realizării senzorilor multifuncționali și ultrasenzitivi, a componentelor pentru procesarea optică a informației, a celulelor solare de eficiență ridicată, etc.

Carbonul, element cu numărul atomic șase din tabelul periodic al elementelor, este adesea considerat coloana vertebrală a vieții pe Pământ. Cu cei patru electroni de valență carbonul poate forma legături cu multe geometrii și configurații electronice foarte diferite. El este prezent în toate macromolecule biologice și joacă un rol esențial în procesele biologice fundamentale datorită capacității deosebite de a forma legaturi chimice cu alți atomi, dar și cu el însuși. Cele mai cunoscute forme naturale ale carbonului sunt grafitul și diamantul. Grafitul este foarte moale în timp ce diamantul este cea mai dură substanță cunoscută de om.

Relativ recent, în anul 1985, a fost descoperită o a treia clasă de compuși ai carbonului – fulerenele, care au fost urmate de descoperirea nanotuburilor, nano-cepelor, etc. Nanotuburile de carbon, cu un singur perete sau cu pereți multipli, s-au dovedit a avea proprietăți fizice, chimice și mecanice deosebite (rezistență mecanică, conductivitate, stabilitate la temperaturi ridicate, etc.).

Tematica tezei de doctorat se înscrie în acest context de dezvoltare de noi metode și echipamente pentru obținerea nanotuburilor de carbon cu randament mai mare și cu defecte structurale cât mai puține, dezvoltarea unor instrumente complementare pentru caracterizarea mai rapidă și la nivel atomic a suprafeței materialelor și nu în ultimul rând a unor dispozitive electronice, e.g., celule solare, ce au în componența lor nanotuburi de carbon.

Teza de față a avut drept obiectiv general efectuarea de studii și cercetări experimentale pentru obținerea, caracterizarea și utilizarea nanomaterialelor pe bază de carbon, materiale cu vastă arie de aplicabilitate în domeniul nanotehnologiei.

Teza este structurată pe opt capitole, din care primele trei constituie studiul și prezentarea aspectelor științifice teoretice și practice din literatura de specialitate, următoarele patru capitole conțin contribuțiile originale, iar ultimul capitol este dedicat concluziilor finale și perspectivelor de continuare a cercetării.

După capitolul introductiv, în care sunt subliniate importanța domeniului în care se situează teza, în capitolul 1 sunt prezentate proprietățile remarcabile ale nanomaterialelor pe bază de carbon și potențialele aplicații ale acestora. Apoi, in cel de-al doilea capitol se tratează noțiuni despre metode și tehnici de obținere a nanostructurilor de carbon, metode cunoscute în literatura de specialitate, respectiv metoda arcului electric, metoda sintezei prin depunere chimică în stare de vapori și metoda ablației laser.

Capitolul trei al tezei descrie unele metode de caracterizare morfologică, electronică și structurală a nanostructurilor din carbon, respectiv spectroscopia RAMAN, microscopia electronică prin transmisie (TEM), microscopia electronică de baleiaj (SEM) și microscopia cu forțe atomice (AFM).

Partea a doua a lucrării, în care sunt enumerate contribuțiile originale ale autorului, începe odată cu capitolul patru unde este abordat subiectul unui cap de masură nou pentru un microscop cu forțe atomice. De la design la implementare, sunt prezentate în detaliu părțile componente ale capului de măsură realizat, caracteristicile și funcționalitățile acestora.

Prin utilizarea în cadrul laboratorului a capului de măsură realizat pentru un microscop cu forțe atomice s-a reușit performanța maximă pentru un astfel de microscop, și anume performanța de rezoluție atomică în aer. Această performanță a fost demonstrată pe o suprafață proaspăt clivată de mica, fiind evidențiat faptul că a fost verificată prin măsurători constanta atomică de rețea specifică atomilor de mica de 5,2 Å.

O altă parte originală a lucrării este capitolul cinci care trateaza „Sinteza nanostructurilor din carbon prin ablație laser”. Este prezentată schema principiului de funcționare a unei camere de ablație laser bazată pe un concept și un design nou, cu proprietăți superioare față de precedentele echipamente întâlnite în literatura de specialitate. Sunt descrise caracteristicile specifice camerei de ablație în comparație cu sistemele precedente precum și avantajele, față de configurații anterioare, care influențează pozitiv procesul de creștere al nanotuburilor și nano-cepelor de carbon.

Tot în capitolul cinci este descrisă o procedură nouă de preparare a țintelor de grafit utilizate în procesul de obținere a nanostructurilor din carbon, parametrii tehnologici ai procesului de ablație, precum și metoda de purificare a natotuburilor de carbon obținute.

În ordinea firească, capitolul șase al tezei prezintă rezultatele obținute prin folosirea metodelor prezentate în capitolul al II-lea pentru caracterizarea morfologică, structurală și electronică a nanostructurilor din carbon obținute prin metoda ablației laser. De asemenea, cu ajutorul tehnicilor TEM, HR-TEM și Raman s-a studiat influența mai multor catalizatori metalici pentru obținerea de nanotuburi și de nano-cepe de carbon.

Capitolul 7 al tezei vine cu o alta contribuție originală privind aplicațiile nanotuburilor de carbon în prepararea de matrici organice și obținerea structurilor „OPV” de celule solare de generația a treia (care conțin în compoziție și nanotuburi de carbon). Structurile astfel realizate au fost caracterizate din punct de vedere optic și electric.

Se încheie, astfel, un ciclu care, așa cum este firesc, începe cu studiul teoretic al domeniului nanostructurilor din carbon, obținerea și caracterizarea acestora, pentru ca în final să fie implementate în aplicații practice, în celule solare de generația a III-a.

Lucrarea se încheie cu concluzii finale asupra contribuțiilor proprii și perspective de continuare a cercetării în domeniul care face obiectul tezei de doctorat.

Rezultatele originale obținute pe durata stagiului de cercetare au fost parțial valorificate prin publicații în reviste de specialitate în țară și în străinătate, precum și prin prezentări în cadrul unor conferințe naționale și internaționale.

REFERINȚE:

. R.E. Smalley, Rev. Mod. Phys. 69 (1997), 723

2. S. Iijima, Helical microtubes of graphitic carbon, Nature (London) 354, 56, (1991).

3. A. Geim and P. Kim, Scientific American, 68 (2008)

4. Graphene: Near-term Opportunities and Long-term Ambitions, Lux Research State of the Market Reports, Lux Research Inc., March 2009