Oddział Fizyki Materii Skondensowanej - Nasza misja

Nauka o materiałach zajmuje się systemową charakterystyką właściwości badanych substancji, opisem i interpretacją mechanizmów obserwowanych w nich zjawisk fizycznych, a także poszukiwaniem materiałów o obiecujących zastosowaniach. W czterech zakładach naukowych Oddziału III prowadzimy badania materiałów o złożonej budowie chemicznej, wieloma technikami pomiarowymi w kilku laboratoriach IFJ PAN i na dużych europejskich urządzeniach badawczych, a także przy pomocy analiz teoretycznych i obliczeń numerycznych. Najważniejsze nurty naszej działalności dotyczą własności i zjawisk fizycznych w nowych magnetykach molekularnych, w substancjach nazywanych materią miękką, w różnego rodzaju nanostrukturach oraz w materiałach, których specyfika może sprzyjać ochronie środowiska i oszczędzaniu energii.

Magnetyzm jest ważnym, intensywnie rozwijanym działem fizyki materii skondensowanej. Poszukiwanie nowych materiałów magnetycznych, objętościowych i nanostrukturalnych ma służyć zastosowaniu ich w nowoczesnych technologiach, w informatyce, elektronice i medycynie. W Zakładzie Materiałów Magnetycznych i Nanostruktur (NZ34) badane są układy nanostrukturalne (cienkie warstwy metali i stopów, nanodruty, nanocząstki), powłoki węglowe, diamentowe i ceramiczne oraz magnetyczne materiały molekularne. Nanowymiarowe warstwy metaliczne wykazujące efekt gigantycznego magnetooporu to podstawa elementów spintronicznych, zaś warstwy magnetyczne z anizotropią prostopadłą do podłoża, poddane dodatkowo procesom nanostrukturyzacji, pozwalają zwiększyć gęstość zapisu danych w stosunku do stosowanych obecnie nośników. Syntezę warstw i wielowarstw magnetycznych wykonujemy wykorzystując ultra wysoką próżnię, zaś nanodruty otrzymywane są metodą elektrodepozycji. Opracowaliśmy szereg metod nanostrukturyzacji cienkich warstw, takich jak bezpośrednia interferencyjna litografia laserowa, litografia nanosfer. Wykorzystywanie jako podłoża periodycznych nanoporowatych tlenków metali pozwalana na otrzymywanie matryc uporządkowanych nanostruktur. Badamy strukturę, własności magnetyczne i magnetotransportowe otrzymanych nanoobiektów. W szczególności nasza uwaga koncentruje się na zjawiskach przemagnesowania nanostruktur oraz na problemie oddziaływań na międzywierzchniach materiałów ferro- i antyferromagnetycznych. Posiadamy doświadczenie w formowaniu wielowarstwowych powłok węglowych do zastosowań w medycynie, dysponujemy też technikami syntezy powłok bioceramicznych (implanty) oraz domieszkowanych powłok diamentowych (detektory). Istotną dziedziną naszych zainteresowań jest synteza powłok hydroksyapatytowych na podłożach nanostrukturyzowanych i ich domieszkowanie dla uzyskanie lepszej biozgodności przy wykorzystaniu w implantach ortopedycznych. Przedmiotem naszych badań są również magnetyki molekularne, potencjalne materiały funkcjonalne przełączane za pomocą światła, temperatury czy ciśnienia, lub tzw. gąbki magnetyczne, zmieniające własności magnetyczne w sposób odwracalny w zależności od liczby cząsteczek wody związanych w sieci. Z kolei wysokospinowe klastry molekularne to nanomagnesy lub materiały służące do osiągania najniższych temperatur przy pomocy efektu magnetokalorycznego. Prowadzimy prace eksperymentalne oraz analizę teoretyczną powyższych właściwości dla próbek objętościowych (bulk), opracowujemy też metody otrzymywania filmów molekularnych oraz filmów hybrydowych na bazie krzemionki, zawierających magnetyczne jony lub cząsteczki.

Określenie materia miękka, zaproponowane przez Pierre-Gilles de Gennes w latach siedemdziesiątych ubiegłego stulecia, obejmuje rożne typy organicznych materiałów takich jak polimery, ciekłe kryształy, koloidy, żele czy struktury amfifilowe. Pomimo istotnych różnic w budowie, materiały te mają wiele cech wspólnych takich jak słabe oddziaływania pomiędzy elementami strukturalnymi, pewien stopień ich dalekozasięgowego uporządkowania, a także złożona dynamika, charakteryzująca się szerokim zakresem tempa obserwowanych ruchów. Substancje o stosunkowo giętkich molekułach (często połączonych wiązaniami wodorowymi), które tworzą różne fazy cieczopodobne i kryształopodobne badamy różnymi technikami eksperymentalnymi w Zakładzie Badań Materii Miękkiej (NZ35), a od strony teorii w Zakładzie Badań Strukturalnych (NZ31). Naszym zadaniem jest identyfikacja polimorfizmu fazowego oraz zmian molekularnej dynamiki jaka towarzyszy przejściom fazowym w czasie eksperymentalnych cykli ogrzewania i ochładzania czy też podczas zmian ciśnienia zewnętrznego, a także dla cieczy zamkniętych w porach. Systematyczne badania prowadzone kilkoma technikami np. dla szeregu homologicznego, mają na celu powiązanie struktury poszczególnych faztermodynamicznych z dynamiką molekuł i oddziaływaniami pomiędzy nimi oraz próbę zrozumienia mechanizmów jakie rządzą ustalaniem się równowagi termodynamicznej uwarunkowanej tymi czynnikami. Wiąże się to z badaniami nad czynnikami istotnymi w rywalizacji pomiędzy tendencją do zeszklenia, a tendencją do krystalizacji dla cieczy izotropowych o różnym kształcie molekuł, a także dla wysoko uporządkowanych faz ciekłokrystalicznych. Dynamika niewielkich molekuł organicznych i mechanizm oddziaływań molekularnych w materiałach ważnych technologicznie badana jest metodami deuteronowej spektroskopii rezonansu magnetycznego w Zakładzie Materiałów Magnetycznych i Nanostruktur (NZ34).

Strukturalne przejścia fazowe, którym towarzyszą zmiany własności elektronowych i magnetycznych badane są metodami obliczeniowymi z pierwszych zasad w Zakładzie Komputerowych Badań Materiałów (NZ33). Przykładami takich zjawisk są przejścia Verveya w magnetycie i magnetostrukturalne przejście fazowe w arsenku manganu. Dynamika badanych układów jest opisywana w oparciu o rozważania teoretyczne, symulacje komputerowe oraz wyniki eksperymentów.

W Zakładzie Badań Strukturalnych (NZ31) prowadzone są obliczania i symulacje komputerowe na poziomie atomowym, m.in. mechanizmów transportu jonów metalicznych oraz własności katalitycznych z wykorzystaniem technik funkcjonału gęstości. W badaniach wykorzystywane są metody magnetycznego rezonansu jądrowego, rozpraszania neutronów oraz anihilacji pozytonów. Badamy również powierzchnie zewnętrzne materiałów oraz granice międzyfazowe i ściany domenowe, np. ferroiczne, które są obiektami dwuwymiarowymi w trójwymiarowych strukturach kryształów. Modelowanie dynamiki powierzchni i złączy w rożnych geometriach pozwala je traktować jako falowody dla różnego rodzaju fal powierzchniowych. Zmierzamy do identyfikacji dynamiki sieci w warstwach krystalicznych oraz dynamiki kolektywnej w układach porowatych, a także do oceny wpływu czynników zewnętrznych na zasięg i rodzaj defektów w warstwach wierzchnich struktur metalicznych.

W badaniach prowadzonych przez poszczególne zakłady naszego Oddziału zajmujemy się również materiałami ciekawymi nie tylko ze względu na aspekt poznawczy zjawisk, które są identyfikowane, ale również na możliwości aplikacyjne. Chodzi tu przede wszystkim o pewne minerały, a także o układy molekularne, które mają własności katalityczne, są obiecujące dla spintroniki, umożliwiają redukcję CO2 w środowisku czy przechowywanie wodoru.