cercetare  proiecte Nucleu

Program NUCLEU perioada 2016-2017

Tehnologii Izotopice și Moleculare: de la Cercetare-Dezvoltare la Inovare- IZOMOL PN16 30

P5. Tehnici de micro- și nano-fabricație dedicate dezvoltării de dispozitive moleculare respectiv termoelectrice și a senzorilor pe bază de grafene

Responsabil proiect: Dr. Ioan TURCU

Faza 1: Electrozi metalici interdigitaţi modificați cu grafene, utilizaţi la detecția ionilor de metale grele (Cu²⁺; Pb²⁺)

Termen de predare: 15.04.2016

Responsabil fază: Dr. Lidia MĂGERUȘAN

Rezultate: S-au îndeplinit toate obiectivele asociate fazei de proiect privind "Detecţia ionilor de metale grele (Cu²⁺; Pb²⁺) folosind electrozi metalici interdigitaţi, modificați cu grafene". S-a dezvoltat o metoda de obținere a nanocompozitelor pe bază de chitosan și grafene dopate cu atomi de azot; s-a modificat suprafața unor electrozi metalici respectiv interdigitați cu materialul nanocompozit pe bază de chitosan și grafena dopată cu atomi de azot obținut; s-a elaborat un model experimental dedicat detecției ionilor de metale grele din soluții apoase.

Faza 2: Fabricarea de electrozi micro/nano-structuraţi pentru senzori electrochimici prin litografie laser

Termen de predare: 15.06.2016

Responsabil fază: Dr. Nicoleta TOȘA

Rezultate: S-au indeplinit toate obiectivele asociate fazei de proiect privind "Fabricarea de electrozi micro/nano-structurati pentru senzori electrochimici prin litografie laser". S-a dezvoltat un protocol de fabricare de electrozi metalici micro-și nanostructurați ca bază pentru construirea de senzori electrochimici și o metodă de obținere de filme metalice micro-și nanostructurate prin tehnici de litografie laser.
Pe viitor se urmărește modificarea suprafeței pe care sunt fabricați electrozii metalici micro-și nanostructurați prin utilizare de sticle conductoare (lTO), dar și de filme metalice subțiri și testarea aplicabilității lor în experimente de detecție de biomolecule în soluție apoasă sau filme subțiri, atât prin metode spectroscopice, cât și electrochimice. De asemenea, se va urmări optimizarea gradului de nanostructurare a electrozilor metalici și influența acestuia asupra intensității răspunsului detectat. Un alt obiectiv se referă la diversificarea și optimizarea geometriilor electrozilor metalici micro- /nanostructurați pentru testarea influenței acestora asupra eficienței procesului de detecție.

Faza 3: Dioda hibridă organic-anorganic pe bază de compuși moleculari cu centri metalici

Termen de predare: 15.09.2016

Responsabil fază: Dr. Daniel MARCONI

Rezultate: S-au îndeplinit toate obiectivele asociate fazei de proiect privind obținerea unei diode hibride organic-anorganic pe bază de compuşi moleculari cu centri metalici.
S-a optimizat o metodă de obținere a joncţiunii AlZnO/ZnO/FePc/Au și AlNdZnO/ZnO/FePc/Au pe substrat rigid și/sau flexibil prin tehnici de depunere epitaxială cu fascicul molecular.
În viitor ne propunem înlocuirea FePc cu ftalocianine cu alți centri metalici care ar putea îmbunătăți calitățile diodelor obținute. Ne propunem de asemenea găsirea altor materiale cu proprietăți superioare de conducție, utilizate ca electrozi transparenți conductori (oxizi conductori transparenti - TCO) depusi pe substrat cu metode ultraperformante de tip PLD bazate pe ablaţie laser.
Ne propunem să continuăm activitățile CDI de pe acest proiect prin abordarea fazei a 4-a a prezentului proiect intitulată: Structuri supramoleculare ale unor derivaţi de ftalocianină adsorbiţi pe suprafeţe de metale nobile - caracterizare computaţională.

Faza 4: Structuri supramoleculare ale unor derivaţi de ftalocianină adsorbiţi pe suprafeţe de metale nobile - caracterizare computaţională

Termen de predare: 15.10.2016

Responsabil fază: Dr. Luiza BUIMAGA-IARINCA

Rezultate: În aceasta fază s-a elucidat computaţional modul de adsorbţie controlată a cloro-subftalolcianinelor cu bor (Sub-PC) pe suprafaţa de Ag(111). A fost verificată ipoteza propusă şi a fost clarificat modul dinamic în care Sub-PC interacţionează cu suprafaţa de Ag.
Am arătat că molecula de Sub-PC poate să adsoarbă pe suprafaţa metalică într-o mare varietate de structuri geometrice şi pare să "migreze" pe suprafață la temperatura camerei la o acoperire redusă. Pe suprafaţa de argint coexistă: (1) molecule care adsorb pe suprafaţa plană de argint suficient de aproape unele de altele astfel încât să formeze suprafeţe ordonate, (2) molecule care fizisorb mai puternic prin intermediul atomului de Cl prin care interacţionează cu defectele punctuale din suprafaţă şi (3) molecule care nu formează suprafeţe ordonate şi nu interacţionează cu defectele din suprafaţă, ci se află într-o fază gazoasă şi pot să gliseze pe suprafaţă. Moleculele de Sub-PC fizisorb foarte slab prin atomul de Cl şi se rotesc în juriul propriei axe, cel mai probabil sub un unghi de 15 grade faţă de axa oZ. Când unghiul sub care se rotesc creşte spre 30 grade este permisă interacţiunea inelelor benzenice cu suprafaţa metalica prin intermediul forţelor van der Waals şi molecula se fixează.
Aceste rezultate pot sta la baza utilizării acestor molecule ca rotoare moleculare în crearea unor dispozitive moleculare.
1. articole cotate ISI: 1 în curs de redactare
2. participări la manifestări ştiinţifice: 2 (1 comunicare orală şi 1 poster)
3. stagiu de pregătire în străinatate: 1 la Paul Scherrer Institut, în Elveţia, la Laboratorul de Micro şi Nanotehnologie în grupul Prof. Thomas Jung, în noiembrie 2016
4. studii: 1

Faza 5: Straturi ultrasubţiri de moleculelor organice depuse prin epitaxie moleculară în vid ultraînalt (MBE) pe suprafeţe metalice - caracterizare prin spectroscopie vibraţională

Termen de predare: 10.12.2016

Responsabil fază: Dr. Bogdan COZAR

Rezultate: S-au îndeplinit toate obiectivele asociate fazei de proiect privind reconstrucţia de suprafeţe suport pentru filme moleculare şi s-a optimizat o metodă de caracterizare structurală pentru elucidarea geometriei de legare și îmbunătățirea detecției moleculare organice pe filme subţiri, prin metode spectroscopice vibraționale Raman și SERS.

Faza 6: Depunere de molecule prin litografie de tip DipPenLithography cu aplicaţii în domeniul senzorilor şi electronicii moleculare, în valoare de 480.000 lei, conform propunerii.

Termen de predare: 10.12.2016

Responsabil fază: Dr. Adrian CALBOREAN

Rezultate: S-au fabricat prin epitaxie moleculară în condiții de vid ultra-înalt (^~10^-10 mbar) două filme de Au cu grosimi diferite. Substraturile folosite pentru depunerea filmelor de Au au fost de Si (111), reconstrucţia lor făcându-se printr-un tratament termic bine stabilit.
În ceea ce priveşte tehnica DPN, două abordări au fost propuse:
1. scrierea direct pe suprafaţă cu cerneluri moleculare (MHA si DTT) şi
2. funcţionalizarea în prealabil a suprafeţelor de Au (s-au folosit 4 suprafeţe pentru acest studiu) cu DTT prin procedee chimice urmate de scrieri DPN cu trei ioni metalici diferiţi în vederea dezvoltării unui sistem de tip senzor bazat pe recunoaştere moleculară.
Au fost demonstrate prin imagini AFM şi spectroscopie de impedanţă ambele abordări. În plus, am reuşit să scriem forme distincte pentru fiecare ion metalic în parte după cum se poate vedea din imaginile AFM înregistrate chiar în timpul scrierii. Acest proces de inscripţionare al DPN ne-a oferit avantajul unic de a scrie cu diverse specii moleculare pe o suprafață într-un singur experiment. Mai mult decât atât, inscripţionarea selectivă a acestor molecule în locaţii bine definite pe suprafaţă a creat structuri particulare sau chiar structuri specifice unor dispozitive mai mari ce pot fi dezvoltate în viitor.
A fost demonstrată o metodă nouă de micro/nanofabricaţie. Materiale micro/nanostructurate au fost dezvoltate şi un model experimental va fi propus ulterior. Aceasta tehnică oferă posibilități numeroase şi incitante în domeniul tehnologiilor moleculare prin inscripţionarea de structuri nanometrice care pot direcţiona legătura şi orientarea altor materiale dezvoltând astfel noi tehnologii moleculare.

Faza 7: Nanofabricaţie de suprafețe antimicrobiene pentru creşterea eficienţei în combaterea infecţiilor intraspitaliceşti

Termen de predare: 15.03.2017

Responsabil fază: Dr. Diana BOGDAN

Rezultate: S-au îndeplinit toate obiectivele asociate fazei de proiect privind obținerea suprafețelor nano/microstructurate, elucidarea influenţei texturii, morfologiei, topografiei suprafeţei asupra adeziunii bacteriene și asupra efectului de inhibare a dezvoltării coloniilor de bacterii. Dintre suprafețele obținute, pentru continuarea studiilor au fost selectate cele care prezintă cea mai eficientă activitate de blocare a dezvoltării coloniilor bacteriene.
S-a optimizat o metodă de obținere a suprafețelor microstructurate pe substrate diferite prin tehnici de nanoimprintare, iar caracteristicile lor antibacteriene au fost comparate cu cele obținute pe filme de PDA obținute prin sinteză chimică. Chiar dacă cele din urmă arată o eficacitate mai scăzută în prevenirea formării de colonii bacteriene, o analiză suplimentară din punct de vedere al costurilor implicate ne relevă avantajele filmelor PDA microstructurate în momentul în care se urmărește dezvoltarea de produse viabile din punct de vedere economic.

Faza 8: Sinteza de noi materiale nanocompozite pe bază de grafene, utilizate la detecţia fenolilor

Termen de predare: 15.06.2017

Responsabil fază: Dr. Maria COROŞ

Rezultate: În concluzie, prin exfolierea electrochimică a grafitului a fost obţinut un amestec de oxid de grafene/grafene. Procesul de exfoliere electrochimică a fost optimizat urmărindu-se obţinerea unui amestec cu grade diferite de oxidare. După optimizarea metodei s-au introdus nanoparticulele metalice între foile de grafene prin metoda chimică prevenindu-se astfel reformarea structurii grafitice ordonate. Condiţiile optime determinate pentru obţinerea unui amestec de oxid de grafenă/grafene adecvat pentru depunerea nanoparticulelor metalice sunt: concentraţia electrolitului 1M, tensiunea aplicată 4-5 V, timpul de exfoliere 2 h. Materialele preparate au fost apoi folosite la modificarea unor electrozi metalici în scopul detecţiei unui poluant organic, hidrochinona. A fost studiată şi influența diferiților interferenți: bisfenol A şi pirocatechină asupra oxidării moleculei de hidrochinonă. Caracteristicile mult îmbunătățite ale nanocompozitelor preparate au ca obiectiv lărgirea domeniului de detecție electrochimică la alți compuşi fenolici, ceea ce vor constitui noi teme de cercetare. Toate obiectivele şi activităţile propuse în cadrul acestei faze au fost îndeplinite cu succes. S-a dezvoltat o metodă de obţinere a compozitelor pe bază de grafene şi nanoparticule metalice; s-a modificat suprafaţa unor electrozi metalici cu aceste materiale compozite; s-a efectuat un studiu privind detecţia fenolilor din medii apoase.

Faza 9: Micro/nanofabricaţie de cristale fotonice destinate dezvoltării de filtre spectrale

Termen de predare: 15.08.2017

Responsabil fază: Dr. Nicoleta TOŞA

Rezultate: S-au îndeplinit toate obiectivele asociate fazei de proiect privind “Micro/nanofabricaţie de cristale fotonice destinate dezvoltării de filtre spectrale”. S-a dezvoltat un protocol de fabricare de materiale micro/nanostructurate de tipul cristalelor fotonice ca bază pentru construirea de filtre optice prin tehnici de litografie laser.
Pe viitor se urmăreşte modificarea suprafeţei pe care sunt fabricate materiale micro/nanostructurate de tipul cristalelor fotonice prin utilizare de sticle de cuarţ, care atenuează considerabil reflexia pe suprafaţa cele două feţe ale dispozitivului cu proprietăţi de filtrare, dar şi modificarea densităţii optice prin generarea structurilor de forma cristalelor fotonice bidimensionale în filme subţiri depuse prin spin-coating. Un alt obiectiv se referă la diversificarea şi optimizarea geometriilor micro/nanostructurilor de tipul cristalelor fotonice pentru testarea influenţei acestora asupra răspunsului spectral şi a capacităţilor de filtrare.

Faza 10: Materiale avansate cu transport electronic în dimensiuni reduse pentru aplicaţii termoelectrice şi electronice

Termen de predare: 15.09.2017

Responsabil fază: Dr. Daniel BÎLC

Rezultate: Principalele rezultate ale fazei:
• S-au fabricat filme subṭiri de oxid de magneziu, depuse prin ablaṭie laser (Pulsed Laser Deposition) pe substrat de Si (100), cu structura cristalină cubică şi orientare preferenṭială de-a lungul planului cristalografic (100), utilizate ulterior ca strat intermediar pentru depunerea unor materiale avansate (compuşi intermetalici de tip Heusler);
• S-au fabricat filme subṭiri de materiale avansate de tip Heusler pe baza de fier (Fe2TiSn), depuse prin PLD, pe substrat de Si (100), cu strat intermediar de MgO, cu structura cristalină cubică şi faza preponderentă L21 ;
• Au fost optimizate condiṭiile de depunere prin PLD a filmelor subṭiri de MgO şi Fe2TiSn;
• A fost determinată dimensiunea cristalitelor din filmele depuse, atât prin prelucrarea spectrelor de difracṭie de raze X, cât şi din imagini de microscopie SEM;
• A fost determinată rugozitatea filmelor de oxid de magneziu, utilizând imagini AFM.
Stadiul realizării obiectivului fazei: finalizat.
Gradul de îndeplinire al obiectivului cu referire la ṭintele stabilite: 100%.
Stadiul de implementare al proiectului: 10/12 faze.
Indicatorii asociaṭi pentru monitorizare si evaluare:
• S-a realizat deplasarea la un stagiu de pregătire în domeniul materialelor oxidice complexe depuse prin PLD;
• Un articol ISI cu rezultatele obṭinute este în curs de pregătire;
• Rezultatele vor fi diseminate prin participarea la o conferinṭă pe tematica proiectului cu două lucrări.

Faza 11: Nanocompozite pe bază de grafenă/TiO₂ cu potenţial aplicativ în procese de fotodegradare a unor poluanţi organici

Termen de predare: 15.11.2017

Responsabil fază: Dr. Marcela ROŞU

Rezultate: Pe baza analizei stadiului actual al cunoaşterii în domeniu, nanocompozitele obținute au dovedit proprietăți fotocatalitice excelente, cu atât mai mult cu cât acestea folosesc lumina solară (sursă regenerabilă și necostisitoare), astfel putând fi recomandate ca materiale eficiente pentru degradarea coloranților azoici din apele uzate. În plus, utilizarea nanocompozitelor preparate poate fi extinsă în diferite procese fotocatalitice, și la alți poluanți din ape.
Toate obiectivele şi activităţile propuse în cadrul acestei faze au fost îndeplinite cu succes. S-a dezvoltat o metodă de obţinere a a compozitelor pe baza de grafene/TiO₂; s-a efectuat un studiu privind fotodegradarea unor poluanţi organici din medii apoase; s-au obţinut materiale compozite pe bază de grafene/TiO₂.
Publicaţii şi brevete:
1) Cerere Brevet Nr. A/00731/14.10.2016 OSIM: Roșu M.C., Coroș M., Socaci C., Măgerușan L., Pogăcean F., Pruneanu S., „Materiale compozite pe bază de TiO2-Pt/oxid de grafenă și TiO2-Pt/oxid de grafenă redus pentru fotodegradarea coloranților de tip azoic din ape”
2) Articol publicat: Azo dyes degradation using TiO2-Pt/graphene oxide and TiO2-Pt/reduced graphene oxide photocatalysts under UV and natural sunlight irradiation, M.C. Roşu, C. Socaci, M. Coroş, F. Pogăcean, L. Măgeruşan, A. Turza, S. Pruneanu, Solid State Sciences 70 (2017) 13-20
3) Comunicare prezentată la 11th International Conference Processes in Isotopes and Molecules (PIM 2017), 27-29 September 2017, Cluj-Napoca, Romania - Photocatalytic degradation of amaranth dye using PVC/TiO2-Ag/graphene films under natural daylight exposure – M.C. Roşu, M. Coroş, C. Socaci, F. Pogăcean, L. Măgeruşan, A. Turza, S. Pruneanu- poster