Onderzoeksproject P6/17 (Onderzoeksactie P6)
Anorganische materialen kunnen, omwille van hun bijzonder specifieke eigenschappen, zelden door andere alternatieven vervangen worden en spelen daarom een centrale rol in de werking van veel technologisch geavanceerde instrumenten. Opdat de eigenschappen van een materiaal nauw zouden aansluiten bij de vereiste functie van het instrument, is een grondige kennis vereist van de correlatie tussen de microstructuur en de materiaaleigenschappen. Omdat de microstructuur op haar beurt afhangt van de synthese parameters is processing de sleutel tot het ontwikkelen van succesvolle materialen. Daar waar de randvoorwaarden voor toepassingen doorgaans goed gedefinieerd zijn, staan materiaalwetenschappers voor de continue uitdaging om nieuwe en vooral betrouwbare methoden te ontwikkelen om, met minimale kost in energie en grondstof, anorganische materialen van zeer uiteenlopende vorm te produceren.
Het objectief van dit zeer vernieuwend project is de toepassing van innoverende nanochemische syntheseroutes voor de engineering van anorganische materialen. Zo stelt het onderzoek zich tot doel om “near-net shape” synthese en vormgeving van relevante materialen onder aanvaardbare materiaalkosten mogelijk te maken. Eveneens wordt de mogelijkheid in het vooruitzicht gesteld om de energiekost drastisch te verlagen, in een chemische synthesemethode die doorgaans met grote energie-input (o.a. hoge temperaturen) wordt geassocieerd. Het voorgestelde onderzoek is dus zowel van fundamentele aard - het begrijpen en controleren van de synthese uit gepaste precursoren als bouwstenen - als van toegepaste aard waarbij de technologisch vereiste vormgeving voorop staat. Deze nieuwe synthesetechniek houdt de spontane of reversibele associatie in van geschikte bouwstenen tot een groter functioneel geheel. Dergelijke materialen zullen dus eerst op nanometerschaal moeten “ontstaan” uitgaande van multi-metaal precursoren volgens een zelfassemblerend bottom-up proces dat vanuit de moleculaire entiteit wordt opgestart en dat eventueel kan aangestuurd door externe vectoren. In tegenstelling tot een ruime maar onterecht verspreide perceptie, ontbreekt het ons nog steeds aan bijzonder veel wetenschappelijke kennis over de associatie van deeltjes, het ontwikkelen van patronen en texturen, het versneld sinteren, het maken van prototypes en de densificatie van precursoren tot ingewikkelde vormen en samenstellingen. De organisatie van moleculaire bouwstenen over steeds toenemende grootteorden in afmeting is de basis van het streven dat hier wordt voorgesteld als sleutel voor de design van nieuwe (anorganische) materialen. De gestuurde groei vanaf een moleculair niveau tot een macrostructuur kan bereikt worden door een vloeibaar medium tot een vast materiaal te laten omzetten. Hierbij inspireren wij ons ten volle op bestaande biologische modelsystemen die het natuurlijk voorbeeld zijn van efficiëntie op dat gebied
Om deze doelstellingen te bereiken kozen wij de volgende werkpaketten voor chemische synthese van (sub)nanometerdeeltjes en voor de assemblage en densificatie tot functionele keramische materialen:
WP1: De “gel”-toestand; fundamenteel onderzoek en toepassingen.
WP2: Dunne film processen uitgaande van vloeistoffen.
WP3: Poeder-synthese op nano- en microschaal.
WP4: Natte en droge vormgeving met inbegrip van snelle prototypering
WP5: Densificatie op nanoschaal in composieten; nieuwe benaderingen.
WP6: Patroonontwikkeling, textuur, zelfassemblage en het concept van de bio-geïnspireerde architectuur.
WP7: Nieuwe methoden voor karakterisering en beeldvorming.
Met behulp van deze 7 nieuwe benadering zullen we in eerste instantie oxiden, carbiden en nitriden synthetiseren met de volgende kenmerken en via de volgende methoden:
- (nano-)depositiemethoden voor de bedekking met en vormgeving van (multi)functionele componenten (brandstofcellen, batterijen, membranen, katalysatoren, optische, magnetische en chemische sensoren, stockage-materiaal voor gassen, ...).
- materialen met doorgedreven of geïntegreerde vormgeving (reactieve morfologie, abrasieven, bio-geïnspireerde weefsels,...)
Werkpakket 1 en 2 zullen geconcentreerd zijn op de ontwikkeling en het gebruik van gel precursoren om de vorming van op maat gesneden materialen mogelijk te maken via gecontroleerde hydrolyse van netwerk-vormende reagentia. Wat het beoogde doel ook weze, hetzij de vorming van een keramisch poeder of de afzetting van een film, hetzij de uitbreiding van klassieke gel-systemen gebaseerd of Si- en Ti-precursoren, zij vereisen steeds de inbreng van nieuwe kennis en expertise. Deze is vooral van thermodynamische, theoretische en structurele aard en houdt in dat de volgende punten worden uitgeklaard: de bepaling van de stabiliteitsconstanten van de metaalcomplexen in gegellifiëerde toestand, het modelleren van metaalcomplexen in een poreus 3D-netwerk, de structuur en fase samenstelling van de hydrolysaten, de tomografie en textuur van de gevormde keramiek met behulp van X-straal spectroscopieën en elektronen microscopie. Bij de afzetting van dunne lagen in deze geconcentreerde en viskeuze media zal speciale aandacht moeten besteed worden aan het onderzoek van de fundamentele fysicochemische processen om de tot op heden onbekende groeimechanismen bloot te leggen. Hierbij zal een chemisch georiënteerd onderzoek vereist zijn waarin verschillende taken klaar liggen zoals de chemische modificatie van de oppervlakkige eigenschappen van het substraat, het onderzoek van de bevochtiging tussen substraat en precursor en het gebruik van externe stimuli (UV, geluid, elektrische velden, magnetische oriëntatie) om zo de moleculaire organisatie en het groeimechanisme van de film te leren sturen.
De werkpakketten 3,4 en 5 bestuderen de vormgeving van poedervormige materialen via directe verdichting of via een vloeibare, colloïdale tussenstap waarin kleine partikels in suspensie, tijdens de agglomeratie worden geordend. Door selectie van verschillen in afmeting, in vorm en in verdeling van de vaste partikels zal een intelligente methode van densificatie worden ontwikkeld. Zij vereist de modellering van het persgedrag in functie van de drie hoger aangehaalde parameters. Nieuwe sintertechnieken die gebruik maken van microgolven, gepulseerde elektrische velden of plasma’s, zullen hierop worden toegepast om de materiaalkarakteristieken te verbeteren. Analoge processen zullen gebruikt worden bij de vormgeving van de poeders bij elektroforetische afzetting. Het centrale gegeven in dit onderzoek wordt gevormd door het gebruik van deeltjes met gecontroleerde afmeting als precursor voor engineering van nieuwe materialen. Interpartikel interacties zullen gestuurd worden door de gecombineerde actie van een oppervlakbehandeling, solventkeuze, toevoeging van niet absorberende additieven en het gebruik van externe drijvende krachten zoals de magnetische velden of getextureerde substraten. Het aldus gemoduleerde gedrag van de partikels zal ons de controle verlenen over de natuur van de afgezette laag in dit zogenaamde “direct” afzettingsproces. Dit vereist echter de ontwikkeling van specifieke strategieën voor de synthese van precursor poeder met specifieke stoichiometrie en aangepaste chemische en morfologische eigenschappen. Hieronder vallen nieuwe syntheseroutes die gebruik maken van homo- of heterometallische coördinatiecomplexen zullen gestudeerd.
Werkpakket 6 behelst de toepassing van strategieën voor de aanmaak van geavanceerde en complexe anorganische materialen die hun inspiratie zoeken in voorbeelden uit de natuur. Verschillende hulpmiddelen moeten hiervoor worden ontwikkeld: (i) de “transcriptie” die gebruik maakt van pre-organisatie of zelfassemblage van moleculaire structuren als templaat voor de vorming van een vast materiaal, (ii) de “synergetische condensatie” die overeenkomt met de assemblage van die moleculaire structuren op een templaat in situ, (iii) de “morfosynthese” waarin de chemische transformatie plaatsgrijpt in gelokaliseerde geometrieën (micellen, micro-emulsies...), (iv) de “integrerende synthese” die al de vorige methoden bijeen brengt bij de vorming van een hiërarchische structuur en tenslotte (v) de “zelfgeneratie” met behulp van omgevingsfactoren die de natuurlijke omgeving simuleren en aanleiding kunnen geven tot de spontane vorming van de hiërarchische structuur met specifieke chemische samenstelling. Het sleutelprobleem dat WP6 aanpakt is het begrijpen van de voorkeur voor bepaalde anorganische basiscomponenten en de natuurlijke selectie van de bouwkundige principes die aan de basis liggen van de reproduceerbare, de efficiënte en duurzame vormgeving van materialen gebaseerd op biomimetische principes.
Telkens waar mogelijk en relevant zullen de methodologieën en de materialen die in de verschillende werkpaketten worden ontwikkeld op continue wijze worden gevolgd. In Werkpakket 7 wordt daarom aandacht besteed aan de ontwikkeling en het gebruik van nieuwe beeldvormende technieken om de interacties op alle niveaus van assemblage, van moleculaire tot materiële schaal, te volgen. Met behulp van spectroscopische analysetechnieken die telkens aan de verschillende soorten materialen van elke partner aangepast zijn, zullen beelden opgemaakt worden, geresolveerd in tijd en tempratuur. De partners zullen de hun ter beschikking staande beeldvormende technieken prioritair ter beschikking stellen van het consortium. Het voornaamste objectief van dit onderzoeksconsortium is de ontdekking van de fundamentele entoegepaste kennis die nodig is om nieuwe, geavanceerde anorganische materialen te produceren met minimale energie-input en dit, door verschillende stappen aan elkaar te verbinden waarvoor de antwoorden reeds voor een deel bij de verschillende partners aanwezig zijn. Het voorgestelde onderzoek brengt inderdaad specialisten, met lange ervaring en internationale wetenschappelijke erkenning in verschillende domeinen van de materiaalchemie, bijeen. Door daarenboven de chemie duidelijk in het middelpunt van de belangstelling te plaatsen, zal hier een materiaalkundige vernieuwing mee plaatsgrijpen in het gebied dat traditioneel de zwakste kennispool in de vaste stof wetenschappen omvatte. Zo kan een thermodynamisch gunstig reactiepad ontdekt worden dat zich inspireert op voorbeelden van biologische materialen uit de natuur die ons omringt, en dat ondersteunt wordt door theoretische modellering en specifiek ontwikkelde visualisering- en analysetechnieken.
Samengevat, stellen wij voor de hele fysicochemie van”soft solution processsing” uit te werken
