Osiągnięcia Oddziału

Najważniejsze osiągnięcia naukowe Oddziału w 2017 roku

Stworzono i opisano nowy przewodnik jonowy Li(BH4)1−x(NH2)x o przewodności 6.4 × 10−3 S/cm w temperaturze 40°C. Opisano mechanizm przewodnictwa jonowego w heksagonalnej strukturze Na2B12H12. Opracowano komputerowy model drzewa tętniczego uwzględniający osobnicze cechy anatomiczne i opisano ilościowo najwcześniejsze zmiany przebiegu fal tętna w wyniku nagłych incydentów krążeniowych. Model ten został też zintegrowany z modelem odpływu żylnego z mózgu (Grupy Fizyki Medycznej Uniwersytetu w Ferrarze).

W czystym niobie, stosowanym w konstrukcji wnęk rezonansowych w akceleratorach linowych, zastosowano spektroskopię anihilacji pozytonów do badań warstwy wierzchniej powstałej podczas produkcji. Stwierdzono, że rozciąga się ona na głębokość ok. 150 μm, zawiera głównie dyslokacje, a na ich krawędziach - wakancje. Badania te są istotne ze względu na dobroć rezonatorów, gdyż prądy wysokich częstotliwości płyną w silnie zdefektowanej warstwie przypowierzchniowej (efekt naskórkowy).

Dla nadprzewodników na bazie żelaza przeprowadzono badania przejścia Lifszyca, indukowanego zewnętrznym polem magnetycznym. Obliczenia pokazują, że w możliwe są dwa przejścia Lifszyca, w których zmienia się liczba powierzchni Fermiego (elektronowych lub dziurowych). Jedno zachodzi w fazie nadprzewodzącej i w stałym polu magnetycznym. W związkach FeSe i BaFe2As2 wyjaśniono mechanizm przejść fazowych obserwowanych eksperymentalnie (Sci. Rep. 7 (2017) 41979).

Badania dwuwymiarowych magnetyków molekularnych na bazie Mn(II)-Nb(IV) oraz Cu(II)-W(V) wykazały anizotropię efektu magnetokalorycznego (MCE), warunkującą pojawienie się niezerowego obrotowego efektu magnetokalorycznego (RMCE). Pionierskie wyniki (Inorg. Chem. 56 (2017). 2777 oraz 11971) wskazują, że RMCE może być wydajniejszy niż konwencjonalny MCE. Występuje to dla układów wykazujących odwrotny MCE, który daje dodatkowy wkład do zmiany entropii magnetycznej podczas obracania monokryształu.

Niekonwencjonalne metody nanostrukturyzacji układów cienkowarstwowych zostały poszerzone o nową metodę - litografii nanocząstek polistyrenowych wspomaganych trawieniem plazmowym połączoną z nanostrukturyzacją przy pomocy porowatych podłoży tlenkowych. Po raz pierwszy uzyskano tą metodą wysokouporządkowane, w pełni elastyczne matryce nanostruktur do wykorzystania w giętkiej elektronice oraz do depozycji materiałów magnetycznych (Nanotechnology 28 (2017) 194003).

W ramach kompleksowych badań tzw. glass-formerów przebadano wpływ położenia grupy CF3 w molekułach pochodnych alkoholi fenylowych na własności fizykochemiczne oraz termiczne zachowanie farmaceutyka EXT. Opisano także dynamikę molekuł 3BT w fazie smektycznej E i mechanizmy żelowania oraz przemian żel-zol w słabych roztworach naturalnych LMOG (SANS). Ponadto, przeprowadzono badania strukturalne i kalorymetryczne dla układu Ag-Li oraz wodorków typu RE7Rh3 i AB2 , zdolnych do magazynowania wodoru.

W celu kontrolowanego wytworzenia trójskładnikowych nanokatalizatorów do utleniania etanolu, zsyntezowano nanocząstki Pt, Re oraz SnO2 i zmierzono ich potencjały zeta, co pozwoliło je połączyć (J. Phys. Chem. Solids 107 (2017)). Wykorzystując metody spektroskopowe opracowany został marker depresji –równowaga fosfolipidowo-białkowa (Spectrochimica Acta 176 (2017)). Ponadto udało się zweryfikować wpływ metodyki przygotowania surowicy krwi na otrzymane widma (Pharma. Biomed. Anal. 150 (2018)).



Najważniejsze osiągnięcia naukowe Oddziału w 2016 roku

Badania strukturalnych i dynamicznych własności materiałów naturalnych i syntetycznych w różnych skalach wielkości i czasu. Zaproponowano model dynamiki wewnętrznych powierzchni porów w krzemionce MCM-41. Stwierdzono, że przybliżenie ośrodka ciągłego jest poprawne dla najniższych modów propagacji zarówno w przypadku porów pustych, jak i wypełnionych częściowo i całkowicie wodą. Wyznaczono relacje dyspersji i przewidziano wartości wektorów odcięcia oraz punktów przegięcia (faz Airy’ego) dla fal powierzchniowych. Określono zakres temperatury ich występowania: w niektórych fazach stałych wody pewne mody propagacji są wykluczone. Zbudowano teorię fal Stoneleya w geometrii cylindrycznej.

Badania fazy skondensowanej metoda spektroskopii jądrowej; anihilacja pozytonów. Dla Fe, Cu i Ag określono, w wyniku implantacji jonami Xe o energii 160 MeV, profil zdefektowania na głębokości do 10 mikrometrów i nie potwierdzono obecności defektów poza zasięgiem implantacji. Te nowe wyniki otworzyły w pracowni anihilacji pozytonów tematykę badawczą przy współpracy z ZIBJ. Ponadto, czasy życia pozytonów dla 4-butyl-4-sothiocyano-1,1-biphenylu potwierdzają model nanosegregacji części molekuł (tworzących warstwy w smektyku E) oraz łańcuchów alkilowych molekuł w stanie ciekłym, który ulega zamrożeniu podczas witryfikacji.

Badania własności magnetycznych materiałów objętościowych i nanostrukturalnych. Dla klastrów molekularnych o rdzeniach Ni3W2 i Ni9W6, spin w stanie podstawowym (odpowiednio S=4 i S=12) wynika z ferromagnetycznego sprzężenia między momentami NiII i WV poprzez mostki cyjanowe. Dla dwóch odmian strukturalnych rdzenia Ni3W2, związanych z sąsiedztwem różnych ligandów, wyznaczono całki wymiany oraz energie anizotropii jednoosiowej i stwierdzono słabe oddziaływania między klastrami. Dla Ni9W6 efekt magnetokaloryczny (ΔTad=4.6 K przy T = 2.2 K i zmianie pola 5T) oraz jego zależność od pola magnetycznego rokują dla chłodzenia w obszarze subkelvinowym.

Prace nad poznaniem struktury i dynamiki materii miękkiej i materiałów funkcjonalnych przy pomocy komplementarnych metod doświadczalnych i obliczeniowych. Charakter procesów relaksacyjnych w relacji do stwierdzonej sekwencji faz termodynamicznych przebadano dla substancji ciekłokrystalicznych o złożonym polimorfizmie (np. chiralny 4′-butyl-4-(S)-(2-metylbutoksy)azoksybenzen, 4ABO5*) za pomocą spektroskopii wibracyjnej, analizy termicznej, relaksacji dielektrycznej, NMR (współpraca z Uniwersytetem w Pizie). Przebadano polimorfizm fazowy dla dwóch nowych ciekłokrystalicznych alkanów trójblokowych: H(CH2)n(CF2)6(CH2)nH oraz F(CF2)n(CH2)6(CF2)nF ( n = 6, 8, 10, 12), tworzących stany szkliste.

Syntezy oraz badania mikroskopowe nowych katalizatorów do ogniw paliwowych. Przy pomocy skaningowej mikroskopii elektronowej kontynuowano badania nanostruktur, w szczególności procesy przemian strukturalnych i chemicznych indukowane termicznie. Analiza skaningową mikroskopią elektronową i spektroskopią FTIR wykazała zmiany strukturalne i chemiczne w pyłkach bylicy (Artemisia vulgaris L.), zachodzące pod wpływem zanieczyszczeń komunikacyjnych. Wykryte zmiany w strukturze protein i lipidów pozwalają wnioskować, że spektroskopia FTIR mogłaby być stosowana w biomonitoringu.

Badania komputerowe struktury i dynamiki materiałów krystalicznych i nanomateriałów. Po raz pierwszy przeprowadzono kompleksowe badania dynamiki sieci kryształach neodymu i tlenku europu (EuO) stosując nieelastyczne rozpraszanie promieni X i obliczenia metodą ab initio. Odkryto silny wpływ oddziaływania spin-fonon w stanie ferromagnetycznym na szerokości fononów w EuO. Zbadano własności dynamiczne kryształu, cienkich warstw i nanoklastrów EuSi2, co pozwoliło określić wpływ powierzchni, podłoża i obszarów styku między klastrami na widmo drgań atomowych. [Phys. Rev. B 94 (2016) 014303, Phys. Rev. Lett. 116 (2016) 185501, Phys. Rev. Lett. 117 (2016) xxx].



Najważniejsze osiągnięcia naukowe Oddziału w 2015 roku

Wyznaczono własności strukturalne i wibracyjne Na[Al(NH2BH3)4] (uwalnia 9% wodoru poniżej 200 K) i porównano z danymi eksperymentalnymi. Znaleziono relacje dyspersji fal i rezonansów powierzchniowych w cylindrycznych porach materiałów sprężystych. Zaproponowano opis dynamiki porów krzemionki pokrytych warstwą wody. W nowym materiale ferroelastyczno-ferroelektrycznym wykonano teoriogrupową analizę granic domenowych i mechanizmu porządkowania. Podano nowe, ujednolicone równanie skalujące zespoloną przenikalność dielektryczną dla różnych klas materii miękkiej.

Metodą anihilacji pozytonów wykazano istnienie lokalnej struktury w fazach ciekłokrystalicznych substancji 4BT: antyrównoległe porządkowanie molekuł w SmA i zjawiska nanosegregacji w SmE. W układach nanocząstek metalicznych w żywicach epoksydowych stwierdzono występowanie tzw. "efektu akumulacji pozytonów". W próbkach stali nierdzewnej implantowanej wysokoenergetycznymi protonami w ZIBJ w Dubnej, dla wiązki powolnych pozytonów potwierdzono poprawność rozwiązania modelu dyfuzyjnego uwzględniającego tzw. schodkowy rozkład defektów w obszarze przy powierzchni.

Prowadzono badania dynamiki molekuł ND3 oraz (CD3)2CO metodami rezonansu magnetycznego w komorach zeolitów. Stwierdzono występowanie, oprócz reorientacji molekuł, również przeskoków rotacyjnych wokół osi symetrii, obserwowanych dotychczas tylko w polimerach.

Dla nowej odmiany tlenku żelaza (FeO) w postaci cienkich warstw na powierzchni platyny przeprowadzono komputerowe symulacje materiałowe. Stwierdzono zmianę charakteru drgań atomowych od dwuwumiarowego dla 1-2 monowarstw do trójwymiarowego dla grubszych warstw. Materiał może być wykorzystany w spintronice, a także przy konstruowaniu różnego typu czujników i detektorów.

Dla związku [Cr(NH3)6](BF4)3 wykryto cztery przejścia fazowe. Analiza teoretyczna anomalii Schottkiego w cieple właściwym poniżej 20 K przy 1T, 3T, 5T i 9T dała parametr anizotropii osiowej jonu Cr(III) |D| = 0.23 K i brak oddziaływań magnetycznych między kompleksami. Dla materiału molekularnego Mn2-L-Nb(CN)8 przy zmianach ciśnienia, niemagnetycznego ligandu lub uwodnienia stwierdzono, że efekt magnetokaloryczny maleje jak Tc-2/3. Z zależności od pola magnetycznego uzyskano informacje o modelu oddziaływań magnetycznych i zachowaniu krytycznym.

Wykorzystując techniki spektroskopowe, dyfrakcję rentgenowską oraz kwantowochemiczne obliczenia ab-initio przebadano diagram fazowy mezogenów z estrowymi pochodnymi cholesterolu w funkcji historii termicznej oraz wpływ wiązań wodorowych na polimorfizm rezorcinolu i kwasu litocholowego. Badając kilkoma metodami mechanizm zimnej krystalizacji dla nematycznego glassformeru 4CFPB wykryto, że proces ma charakter termodynamiczny dla ogrzewania powyżej 8 K/min. Dla wolnego ogrzewania, krystalizacja pojawia się ona w niższej temperaturze bo jest zdefiniowana dyfuzją molekuł.



Najważniejsze osiągnięcia naukowe Oddziału w 2014 roku

Metodą teorii funkcjonału gęstości obliczono przesunięcia chemiczne atomów 11B w borowodorkach. Znaleziono korelacje pomiędzy stabilnością tych związków a przesunięciem chemicznym boru. Analizując ładunki efektywne na kationach pokazano, iż potencjał chemiczny zdefiniowany jako stosunek ładunku do promienia jonowego jest skorelowany z temperaturą dekompozycji borowodorków.

Po raz pierwszy, metodami anihilacji pozytonów zaobserwowano generację skupisk wakancji w wyniku tzw. odwrotnej przemiany martenzytycznej fazy α’. Faza ta powstaje podczas odkształcenia plastycznego w stali austenitycznej; tu 1.4301 (EN). Jej zanik zachodzi w zakresie temperatur 450 – 700 oC, i objawia się wzrostem wartości parametru S, czułego na obecność defektów. Spadek wartości parametru S w zakresie temperatur od 100 do 500 oC związany jest z wygrzewaniem w wyniku procesu zdrowienia i rekrystalizacji defektów powstałych podczas odkształcenia.

W oparciu o dokładne obliczenia metodą hybrydowej teorii funkcjonału gęstości wyjaśniono struktury krystaliczne tlenków metali przejściowych Pd, Pt, Cu, Ag i Hg. Każdy badanych tlenków okazał się niestabilny w strukturze typu NaCl. Właśnie ta niestabilność prowadzi do struktur jakie są przyjmowane w niskiej temperaturze, a także do półprzewodnikowego charakteru struktury elektronowej zgodnego z eksperymentem. Urojony mod fononowy pojawiał się dla wszystkich tlenków w tym samym punkcie strefy Brillouina, L=(1/2, 1/2, 1/2). Wyniki opublikowano w lipcowym Phys.Rev. Lett.

W pracy R. Pełka Current Inorganic Chemistry 4 (2014) 146-166, przedstawiono obszerną analizę wyników badań kalorymetrycznych wybranych magnetyków molekularnych. Przedyskutowano metody wyznaczania przyczynku magnetycznego do ciepła właściwego oraz zbadano zachowanie się entropii i efektu magnetokalorycznego (MCE) w pobliżu przejścia do fazy z uporządkowaniem dalekiego zasięgu. Na przykładzie zmiany znaku MCE obserwowanej w układzie warstwowym pokazano, że oprócz własności termodynamicznych, kalorymetria testuje także anizotropię układu.

Zastosowanie substancji ciekłokrystalicznych w zaawansowanych technologiach, stymuluje badania tych związków w skali nano-. Metodą spektroskopii dielektrycznej zbadano dla związku 4CFPB krótko- i dalekozasięgowe korelacje czasowe dla procesów relaksacyjnych przypisywanych dynamice typu flip-flop, a także ruchom pełzającym (reptation-like) oraz kolektywnym, nieobserwowanym w warunkach normalnych. Stwierdzono wpływ wielkości porów na te ruchy. Opisano efekt porządkowanie molekuł wzdłuż ścian porów przy ogrzewaniu i porównano z zachowaniem dla czystej próbki.