"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF9292
ETF9292 "Kombineeritud sool-geel ja tahkis-vedelik faasieraldusel põhinevad protsessid uudsete metalloksiidnanokeraamiliste materjalide valmistamiseks. (1.01.2012−31.12.2015)", Tanel Tätte, Tartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Füüsika Instituut.
ETF9292
Kombineeritud sool-geel ja tahkis-vedelik faasieraldusel põhinevad protsessid uudsete metalloksiidnanokeraamiliste materjalide valmistamiseks.
Combined sol-gel and solid-liquid phase separation processes in elaboration of novel shaped metal oxide nanoceramics.
1.01.2012
31.12.2015
Teadus- ja arendusprojekt
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ETIS klassifikaatorAlamvaldkondCERCS klassifikaatorFrascati Manual’i klassifikaatorProtsent
4. Loodusteadused ja tehnika4.12. Protsessitehnoloogia ja materjaliteadusT153 Keraamilised materjalid ja -pulbrid 2.3. Teised tehnika- ja inseneriteadused (keemiatehnika, lennundustehnika, mehaanika, metallurgia, materjaliteadus ning teised seotud erialad: puidutehnoloogia, geodeesia, tööstuskeemia, toiduainete tehnoloogia, süsteemianalüüs, metallurgia, mäendus, tekstiilitehnoloogia ja teised seotud teadused).100,0
PerioodSumma
01.01.2012−31.12.20127 080,00 EUR
01.01.2013−31.12.20137 080,00 EUR
01.01.2014−31.12.20147 080,00 EUR
01.01.2015−31.12.20157 080,00 EUR
28 320,00 EUR

Tänapäevastel kõrgtehnoloogiatel põhinevate uudsete toodete väljatöötamine on tekitanud vajaduse erisuguse geomeetrilise kujuga metalloksiidsete keraamiliste materjalide järele. Tuntud meetod soovitud geomeetriaga materjalide (n. sfääride või kiudude) valmistamiseks on sobivate sulamaterjalide, lähteainete või lahuste pressimine läbi düüsi. Mikromõõtmetes metalloksiidsete struktuuride valmistamiseks on võetud kasutusele molekulaarsed homogeensed metallalkoksiididel põhinevad sool-geel-lähteained. Sool-geel materjale on rakendatud küll kiudude tegemiseks, kuid need pole seni veel leidnud kasutust mikrotorude (mikrokapillaaride) valmistamisel. Peamiseks takistuseks on olnud jugade õõnsaks tegemine. Otsene õõnsate jugade pressimine on võimatu, kuna lähteaine suure pindpinevuse tõttu kollapseerub õõnsus koheselt, enne selle tahkestumist. Sool-geel-meetod, millele järgneb faasieraldus, on üks paljutõotavamaid tehnikaid valmistamaks keerulise kujuga materjale (mikrotorusid, torroide, õõnsaid sfääre jms.) ning teatud keerukaid sisestruktuure (hierarhilised poorsed materjalid). Käesoleva projekti eesmärgiks on uudsete metalloksiidsete mikro- ja nanostruktuuride teadmistepõhine väljatöötamine ja valmistamine, kasutades metallialkoksiidjugade töötlemisel kombineeritud sool-geel/tahkis-vedelik faasieraldus protsesse. Projekti raames uuritakse üleminekumetallide (n. Zr, Hf, Ce, Sn) alkoksiidide sool-geel-üleminekute kineetikat ja tingimusi, mis viivad faasieralduse toimumisele. Käesoleva ETF-i projekti taotluse esitamise peamiseks põhjuseks on soov töötada välja kontrollitavad meetodid soovitud omadustega mikrotorude valmistamiseks. Meetodite intellektuaalse omandi kaitseks on Tartu Ülikoolil sisse antud kaks patenditaotlust. Projekti hädavajalikkus on seotud protsesside voolamisomaduste mõju mõistmise vajadusega protsesside kontrollitavaks suunamiseks, mis on aga hädavajalik meie patenteeritud teadmiste kontrollitud viisil praktikas rakendamiseks. On alust arvata ka, et protsesside tunnetuslike aspektide parem mõistmine viib meid täiesti uute materjalitöötluse kontseptsioonideni. Kuna uuritavad protsessid (sool-geel üleminek ja vedel-tahke faasieraldus) on oma olemuselt vastandlikud ja üldjuhul teineteist välistavad nähtused, on nende koosesinemist väga vähe uuritud. Seetõttu on antud projekt uudne maailma mastaabis.
Emerging novel products of up-to-date advanced technologies have set up the need for metal oxide nanoceramics in different geometrical shapes. One of the well-known methods to produce materials with specified geometry, e.g. spheres or fibres, is based on the extrusion of suitable melts, precursors or solutions through nozzles. For preparation of micro-scale metal oxide structures, molecular level homogeneous metal alkoxide sol-gel precursors have been taken into use. Sol-gel materials have been used in fibres production, but not yet in microtubes (microcapillaries) preparation. The main difficulty, which has prevented the usage of the precursors, is the problem of hollowing the jets. Direct extrusion of hollow jets is impossible as hollow region inside the jet collapses prior solidification under high surface tension of the precursor. A sol–gel method accompanied by phase separation is one of the more promising techniques for fabricating materials of complex shapes (microtubes, toroids, hollow spheres, etc.), as well as specific complex inner structures (hierarchical porous materials). The purpose of the proposed project is knowledge-based design and preparation of novel metal oxide micro and nano structures through the combined sol-gel/solid-liquid phase separation processes of metal alkoxide jets. In the frame of the project the kinetics of sol-gel transition of alkoxides of transition metals like Zr, Hf, Ce, Sn will be studied. The main motivation to propose for this ESF project is to elaborate controllable methods for preparation of microtubes with desired properties. Two patents have been requested by the University of Tartu to protect the intellectual property of the methods. Urgent need for the proposed project is also related to the lack of understanding of rheological aspects important for choosing suitable conditions, in order to take our patented know-how into practice in a controllable manner. We believe that deeper understanding of cognitive aspects of the processing will result in totally new concepts in materials processing.
Projekti eesmärgiks oli uurida metallialkoksiide geelistumisel kulgevaid faasieraldusprotsesse. Uuringud viidi läbi kasutades uuritava ainekogusena lähtematerjalist tõmmatud vedelikujugasid. Jugade tõmbamise ja sellele järgnevate labori õhus isekulgevate keemilste protsesside tulemina osutus võimalikuks sünteesida neist nii kiudusid, kapillaare, kui ka seest õõnsaid ja ka täidetud sfääre. Sfääre oli sealjuures võimalik sünteesida, kui vedeliku juga oli lastud õhus katkeda ja enne tahkumist ümarad tilgad moodustada. Kasutatud lähtematerjale uuriti karakterisatsioonimeetodide: XRD, EXAFS, SAXS, IP spektroskoopia abil. Sünteesitud materjalid kuumtöödeldi temperatuuril kuni 1000 ˚C, mis võimaldas vabaneda neis leiduvaist soovimatutest lisanditest ja saada tiheda struktuuriga nanokristallilisi materjale. Lõppmaterjalide analüüsiks kasutati peamiselt XRD, HR-TEM, FIB-SEM, ja optilise- ning impedantsspektroskoopia ja mehhaanilisi meetodeid. Uuringud näitasid, et saadud materjalide termo-mehhaaniline stabiilsus võimaldab kasutada neid ekstremaalsetel tingimustel nagu kõrge rõhk, temperatuur või plasma. Mikrotorude rakendus kapillaarse isolaatormaterjalina demonstreeriti mikroplasma düüside konstruktsioonis. Kõrgematel temperatuuridel (üle 700˚C) omavad sünteesitud materjalid (eeskätt üütriumiga stabiliseeritud tsirkooniumoksiid) elektroonse komponenditada ioonjuhtivust, olles seeläbi rakenduslikud kõrgtemperatuurse kütuselemendi elektrolüüdina. Lisaks demonstreeriti võimalust sünteesitud struktuuride temperatuurimonitooringuks Eu3+-lisandispektroskoopiliselt. Projekti raames sünteesitud mikrosfääre, mis saadi veepõhiste SnO2 nanosoolide emulgeerimisel kuiva alkoholi, rakendusena demonstreeriti väga suure tundlikkusega gaasisensoreid, mida uuriti redutseerivate gaaside CH4, H2 ja CO suhtes. Innustatuna projekti tulemustest ja baseerudes omandatud tehnoloogilisele suutlikusele, meetod torude sünteesiks on patendeeritud, kuulub meie töögrupi tulevikuplaanidesse portatiivse mikrotubulaarse kütuselemendi konstrueerimine ja turundamine, näiteks mõne TÜ spin-off ettevõtte kaudu.