Materiały o nowych właściwościach z Uniwersytetu Śląskiego

Zdjęcie

Aparatura, umożliwiająca wymianę protonową w monokryształach tlenków niobianu litu i tantalanu litu (fot. Uniwersytet śląski)

/ 

Zespół naukowców z Uniwersytetu Śląskiego (mgr Irena Gruszka, dr hab. Andrzej Molak, dr Julita Piecha) opracował nowy sposób prowadzenia reakcji wymiany protonowej w monokryształach podwójnych tlenków niobianu litu i tantalanu litu przy zastosowaniu dotychczas nieużywanych reagentów. Wymiana ta odbywa się w skonstruowanej przez uczonych aparaturze, umożliwiającej reakcję w roztworach stężonych kwasów nieorganicznych. Ułatwia to zmianę właściwości badanych ciał stałych poprzez modyfikację ich warstwy powierzchniowej oraz wnętrza, co oznacza wytworzenie nowych materiałów, które znajdują zastosowanie m.in. w optoelektronice. Nowatorski sposób przeprowadzenia reakcji oraz zestaw aparaturowy zostały objęte ochroną patentową.

Badacze z Zakładu Fizyki Ferroelektryków badali właściwości elektrycznych mono- i polikryształów o modyfikowanych składach chemicznych. Zaprojektowany układ służy do przeprowadzania reakcji wymiany protonowej w tych materiałach.

- Reakcja wymiany protonowej w przeprowadzanym przez nas eksperymencie polegała na wymianie jonowej zachodzącej w monokryształach niobianu litu LiNbO3 oraz tantalanu litu LiTaO3 przy zastosowaniu wymagającego reagenta, jakim był kwas azotowy - jeden z najsilniejszych nieorganicznych kwasów tlenowych - wyjaśnia mgr Irena Gruszka z zespołu patentowego. Jak dodaje, do przeprowadzenia reakcji chemicznej zostały użyte specyficzne materiały, bowiem z jednej strony modyfikacją objęte były niezwykle trwałe monokryształy, z drugiej - zastosowany stężony kwas azotowy jest reagentem żrącym, silnie korodującym. Konieczne okazało się więc zaprojektowanie nowej aparatury, nieodzownej w przypadku reakcji prowadzonych w środowisku stężonym, wykonanej przede wszystkim ze szkła odpornego na działanie kwasów. Podczas prac okazało się, że nowa aparatura umożliwia wprowadzanie zmian w głębszych warstwach struktury monokryształu oraz wynikającą z tego dalszą modyfikację właściwości fizycznych i chemicznych materiału. Jak stwierdza dr hab. Andrzej Molak, oznacza to, że można otrzymać kryształy o lepszych właściwościach optycznych i elektrycznych, które mogą być stosowane w optoelektronice, np. jako światłowody w skali nano, tym bardziej, że zaprojektowane przez naukowców środowisko gwarantuje bezpieczną wymianę reagenta, jakim jest stężony kwas azotowy oraz utrzymywanie określonej temperatury środowiska, w którym zachodzi reakcja chemiczna.

Aparatura może ponadto być wykorzystywana do przeprowadzenia reakcji wymiany protonowej w innego rodzaju materiałach, które wykazują powinowactwo do wymiany jonowej - także z zastosowaniem odmiennego reagenta.

Aby przeprowadzić reakcję wymiany protonowej, naukowcy wprowadzali do kolby odpowiednią ilość reagenta w postaci stężonego deuterowanego kwasu azotowego(V) HNO3-D lub stężonego kwasu azotowego(V) HNO3 oraz kryształy niobianu litu LiNbO3 lub tantalanu litu LiTaO3. Następnie kolbę podgrzewali w łaźni olejowej, utrzymując układ w zakresie temperatur od 113 - 118 st.C. Potem kryształy wyjmowane były z kolby, następowała wymiana przereagowanego kwasu na jego nową porcję i cały proces powtarzano aż do zakończenia danego cyklu wymiany jonowej. Co ważne, zestaw aparaturowy i sposób przeprowadzenia reakcji według opatentowanego wynalazku pozwalają na prowadzenie procesu wymiany protonowej w praktycznie nieograniczonym przedziale czasowym.

MM