Osiągnięcia Oddziału

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.