Mgr Michał Stachów



Promotor: dr hab. Teobald Kupka

Teoretyczne i spektroskopowe badania uporządkowanych struktur węglowych i innych jako potencjalnych nanokompozytów do nowych materiałów oraz do magazynowania molekularnego wodoru i innych małych molekuł

Słowa kluczowe: nanorurki węglowe; nanokopozyty; MOF; czujniki gazów; magazynowanie wodoru

Cele projektu

Celem projektu jest wykonanie badań teoretycznych i eksperymentalnych uporządkowanych struktur węglowych [1] (oraz innych systemów molekularnych) w aspekcie ich praktycznego zastosowania jako nanokompozytów [2] nowych materiałów (w tym polimerów), układów do magazynowania molekularnego wodoru [3,4] i innych gazów obojętnych oraz usuwania gazów toksycznych [5].

Badane dotyczą następujących obiektów: nanorurek węglowych [1] i ich funkcjonalizowanych pochodnych, fulerenów, zeolitów, siatek metaloorganicznych [3] (MOF, ang. metal organic framework) oraz ich oddziaływań z matrycami polimerowymi i gazami obojętnymi i toksycznymi (w tym metan, tlenki azotu, tlenek i dwutlenek węgla, amoniak, molekularny tlen) [6-8].

Na podstawie uzyskanych wyników zaproponowana zostanie synteza [9] nowych materiałów o korzystniejszych parametrach mechanicznych [10,11], przydatnych również w katalizie [12], do produkcji sensorów gazów i innych molekuł. Planowana jest zarówno synteza (w oparciu o wstępne wyniki modelowania molekularnego [13,14]) jak i patentowanie i wdrożenie do produkcji, począwszy od fazy laboratoryjnej po wielkoskalową.

Ze względu na pionierski i unikatowy charakter pracy, otrzymane wyniki będą publikowane w renomowanych czasopismach naukowych oraz patentowane.

Dotychczasowe badania w ramach wykonywanej pracy magisterskiej pozwoliły opracować metodologię do przewidywania parametrów strukturalnych i spektroskopowych (NMR, IR/Raman) dla nanorurek węglowych [15] i małych molekuł w fazie gazowej [16-17], w celu ich magazynowania. Opublikowano już trzy prace teoretyczne z tego zakresu, zaś kolejne dwie są przygotowywane do wysłania[18-19*].

W aktualnej literaturze przedmiotu brak prac dotyczących badań układów w nanoskali z zastosowaniem techniki NMR. Proponowane badania pozwolą w lepszym stopniu wykorzystać potencjał tkwiący w tej technice badawczej, dodatkowo wspartej modelowaniem molekularnym.

Planowane metody i narzędzia badawcze

W celu przeprowadzenia modelowania molekularnego wybranych nanokompozytów przewiduje się wykorzystanie specjalistycznego oprogramowania (HyperChem, Gaussian09, GaussView05, Dalton, Cfour, Gamess, ADF). Badania rentgenostrukturalne, mikroskopowe (TEM, SEM) w ramach współpracy w kraju i w ośrodkach zagranicznych.

Synteza i oczyszczanie wybranych układów zostanie wykonana w laboratorium nanomateriałów i nanokompozytów Politechniki Warszawskiej i Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie (w ramach wieloletniej współpracy z dr Leszkiem Stobińskim, specjalisty w dziedzinie nowych materiałów polimerowych i nanotechnologii wspomaganej modelowaniem molekularnym).

Ponadto, identyfikacja struktury metodami spektroskopowymi i rentgenograficznymi będzie prowadzona z wykorzystaniem unikalnej aparatury Politechniki Wrocławskiej, Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach, a także w wielu innych ośrodkach w kraju i za granicą w ramach współpracy naukowo badawczej (w tym w Taipei).

Wpływ realizacji projektu na wzrost innowacyjności gospodarki regionu poprzez zintensyfikowanie powiązań między nauką i przemysłem, w tym określenie możliwości zastosowania wyników badań w konkretnym sektorze bądź przedsiębiorstwie

Proponowany projekt umożliwi:

  1. Wszechstronne wykształcenie wysokiej klasy specjalisty z zakresu nanotechnologii i modelowania molekularnego (aktualnie brak szeroko pojętych prac naukowych z zakresu nanotechnologii z ośrodków naukowych i przemysłowych Opola i Opolszczyzny).

  2. Zaprojektowanie i wstępne wdrażanie nowych materiałów przydatnych w gospodarce XXI wieku.:

  • czujników gazów obojętnych i ich mieszanin

  • struktur magazynujących duże ilości (objętości) wodoru molekularnego

  • materiałów utrwalających powierzchnie nietrwałe podatne na niekorzystne warunki zewnętrzne i mikroorganizmy (m. in. konserwacja kości dinozaurów w Krasiejowie).


Proponowany projekt może w znacznym stopniu przyczynić się do wzrostu atrakcyjności inwestycyjnej i zwiększenia potencjału naukowo-gospodarczego województwa Opolskiego. Szerokie zainteresowanie proponowanym projektem jest również wyrażane przez przedstawicieli najwiekszych zakładów chemicznych w naszym regionie (ZAK Kędzierzyn). W tym zakresie Opolszczyzna może znowu (po latach kryzysu i zapaści w przemyśle chemicznym) stać się znaczącym centrum przemysłu chemicznego w kraju, Europie i w świecie.


Literatura


  1. Pozycje ogólne

1. S. Iijima, Nature 1991, 354 (6348), 56 –58

2. C. Wei, D. Srivastava, and K. Cho, Nano Letters 2002, 2 (6), 647-650

3. E. Klontzas, A. Mavrandonakis, E. Tylianakis, and G. E. Froudakis, Nano Letters 2008,8 (6), 1572-1576

4. D. Sun, S. Ma, Y. Ke, D. J. Collins, and H. C. Zhou, J. AM. CHEM. SOC. 2006, 128, 3896–3897

5. E. Atci, I. Erucar, and S. Keskin,J. Phys. Chem. C 2011, 115, 6833–6840

6. S. Peng and, K. Cho, Nano Letters 2003, 3 (4), 513-517

7. J. Liu , Z. Guo, F. Meng, Y. Jia, and J. Liu, J. Phys. Chem. C 2008, 112, 6119-6125.

8. T. Kawano, H. C. Chiamori, M. Suter, Q. Zhou, B. D. Sosnowchik, and L. Lin, Nano Letters 2007, 7 (12), 3686-3690

9. X. Hu, T. Wang, X. Qu, and S. Dong, J. Phys. Chem. B 2006, 110, 853-857

10. Y. C. Jung and B. Bhushan, ACS NANO 2009, 3 (12), 4155-4163


11. S. Sarkar, J. Zou, J. Liu, C. Xu, L. An. and L. Zhai, ACS Applied Materials & Interfaces 2010, 2 (4), 1150-1156

12. A. M. Shultz, O. K. Farha, J. T. Hupp, and S.B. T. Nguyen, J. AM. CHEM. SOC. 2009, 131, 4204–4205

13. T. Kupka, B. Ruscic, R. E. Botto, Solid State Nucl. Magn. Reson., 2, 143-167

(2003)

14. T. Kupka, C. Lim, J. Phys. Chem. A, 111, 1927-1932 ( 2007)

B. Prace własne:

  1. T. Kupka, M. Stachów, M. Nieradka, L. Stobiński, Magn. Reson. Chem. 2011, 49, 549-557.

  2. T. Kupka, M. Stachów, M. Nieradka, J. Kaminsky, J. Chem. Theory Comput. 2010, 6, 1580–1589

  3. T. Kupka, M. Stachów, M. Nieradka, J. Kaminsky, T. Pluta, S. P. A. Sauer, Magn. Reson. Chem. 2011, 49, 231–236.

  4. T. Kupka, M. Nieradka, M. Stachów, J. Kaminsky, T. Pluta, P. Nowak, H. Kjær, J. Kongsted, J. Phys. Chem. A, w przygotowaniu*

  5. T. Kupka, M. Nieradka, M.Stachów, L. Stobiński, P. Nowak, w przygotowaniu*





dol