Consortional main: M ERA-NET2 Material synthesis in non-equilibrium conditions  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
125746
Type NN
Principal investigator Tóth, Ágota
Title in Hungarian Konzorcium, fő p.: M ERA-NET2 Anyagok egyensúlytól távoli szintézise
Title in English Consortional main: M ERA-NET2 Material synthesis in non-equilibrium conditions
Keywords in Hungarian intelligens felületek
Keywords in English innovative surfaces, coatings, interfaces
Discipline
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Physical chemistry
Panel Chemistry 1
Department or equivalent Department of Physical Chemistry and Materials Science (University of Szeged)
Participants Horváth, Dezső
Kumar, Pawan
Schuszter, Gábor
Starting date 2017-10-01
Closing date 2021-09-30
Funding (in million HUF) 17.778
FTE (full time equivalent) 3.75
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A nem-egyensúlyi körülmények között lejátszatott kémiai csapadékképződés kiváló lehetőséget nyújt arra, hogy iparilag jelentős szilárd részecskéket (katalizátorok, gyógyszeralapanyagok) állítsunk elő. Jelen projekt keretén belül ilyen körülmények között fogjuk kísérletileg vizsgálni a csapadékképződést kvázi 1 dimenziós (mikrofluidika) és kvázi 2 dimenziós (vékony folyadékréteg) reaktorokban. Ezenfelül megvizsgáljuk annak a lehetőségét is, hogy gélekben milyen körülmények között állíthatók elő nanorészecskék.
Ezekben a kísérletekben a reaktánsok koncentrációjának, a mágneses térnek, az ionerősségnek, stb. térbeli gradiense egyszerűen fenntartható és vizsgálható. A különböző gradiensek hatása, melyek akár egy kémiai komponens termodinamikailag instabil módosulatának előállításához is vezethetnek, nem elérhetőek az elterjedten használt ipari eljárások során. Továbbá az általunk használni kívánt reaktorok geometriájának köszönhetően a sűrűségkülönbségből adódó konvekció jelentősen csökkenthető, így az eredményeink előkísérletként szolgálnak a tervezett mikrogravitációs kísérletekhez, melyek a felhajtóerő hatását fogják elkülöníteni a szintézisfolyamatok során. Mivel a csapadékképződés már önmagában is komplex heterogén fázisú reakció, így a kvázi 1D-s és 2D-s egyszerűsítések segítenek megérteni, hogy mi a felhasznált reaktánsok kémiai jellemzőinek hozzájárulása a csapadék végső szerkezetéhez. Az elvégzett kísérletek elméleti alátámasztása szintén a rendszer megértését és szabályozhatóságát célozzák meg.
A projekt során nyert tudás egyaránt elősegíti az energiatakarékos folyamatok, az innovatív katalizátor felületek, és a többfunkciós reaktorok előállítását.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A következő általános kérdéseket célozzuk meg a kutatás során:

1. Hogyan befolyásolják a különböző térbeli gradiensek által indukált áramlások a csapadékképződés dinamikáját mikrofluidikás reaktorokban?
2. Mennyire pontos a vékony folyadékrétegben sugárirányú áramlásban kialakuló csapadék dinamikáját leíró elméleti modell?
3. Hogyan használhatók reakció-diffúziós folyamatok nanorészecskék előállítására?

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A hagyományos kémiai szintézis során a lehető leghomogénebb reaktánsoldat alkalmazása a cél, hogy a hőmérséklet, mágneses tér, reaktáns koncentráció, pH, stb. térbeli gradiense által indukált mellékreakciók a legjobban kiküszöbölhetők legyenek.
Ugyanakkor ezen gradienseket a termelés javítására is felhasználhatjuk, ha a kialakulásuk módját és a hatásmechanizmusukat pontosan ismerjük és szabályozzuk. Jelen projekt keretén belül diffúzió-vezérelt és áramlás-vezérelt kémiai csapadékképződést vizsgálunk gélekben, mikrofluidikás reaktorokban és vékony folyadékrétegekben. Ezek a kísérletek a mágneses tér illetve a reaktánskoncentráció gradiensének hatását vizsgálják a csapadék mikro-és makroszerkezetére. Az ilyen, alulról építkező és a részecskék önszerveződését is kiaknázó gradiens-vezérelt kísérletek rávilágíthatnak, hogy a különböző kémiai komponensek viselkedése hogyan befolyásolja a végtermék tulajdonságait, illetve hogy ezek hogyan szabályozhatóak a gradienseken keresztül.
A rendszer alapos megértése segíthet új termelési protokollok kidolgozásában, melyek energiatakarékosak és "zöldebb" szintézist eredményeznek a különböző adalékanyagok mennyiségének csökkentésre révén. Továbbá, az ilyen és ehhez hasonló innovatív technológiák a katalizátorok fejlesztéséhez és egyes kémiai anyagok hagyományosan nem elérhető módosulatainak termeléséhez vezethetnek.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A jelenlegi ipari folyamatok során a leghatékonyabb és legreprodukálhatóbb módja a különböző kemikáliák előállításának, ha a rendszerre jellemző paraméterek (reaktánskoncentráció, sűrűség, mágneses tér, stb.) térbeli inhomogenitása (gradiense) elkerülhető. Ezen gradiensek tér-és időbeni anyagmozgást indukálnak, ami nem várt reakciók lejátszódásához vezethet. Ugyanakkor az élő (biológiai) rendszerek kifejezetten ilyen gradiensek segítségével építik és tartják fenn a saját, meglehetősen bonyolult testüket. Ez egyben azt is jelenti, hogy egy "zöldebb" kémiai ipari termelésnek feltétlenül meg kell próbálnia ezen gradienseket beépíteni a szintézis folyamatába.
Első lépésként a különböző gradiensek kialakulását és hatásmechanizmusát kell megértenünk. Ennek megfelelően jelen projekt keretén belül szeretnénk megmutatni, hogy hogyan lehet egyszerű kémiai rendszerekben az önszerveződést és a térbeli gradienseket összekapcsolni. Nem csak a kiválasztott modell rendszer viselkedését fogjuk leírni, hanem példákon keresztül illusztráljuk, hogy hogyan valósítható meg különböző anyagok kontrollált szintézise gradiensterek alkalmazásával.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Chemical precipitation carried out under out-of-equilibrium conditions seems to be a promising tool for producing solid materials being relevant for different industrial purposes (e.g. as catalysts or pharmaceuticals). During this project, we will conduct such precipitation experiments either in quasi 1D (microfluidic) or in quasi 2D (confined) reactors. Additionally, we will investigate how hydrogels can be used for synthesis of nanoparticles. In those experimental systems, spatial gradients of reactant concentrations, magnetic field, ionic strength, etc. can be maintained and thus thoroughly investigated.
This effect of various gradients, which either can lead to the production of the thermodynamically unstable polymorph of a chemical species, is not accessible via commercial synthesis methods. In addition, due to the reactor design, results corresponding to reduced buoyancy force can be gathered which bear with relevance for preliminary microgravity experiments. Such microgravity experiments will provide us with the contribution of buoyancy-driven convection on the synthesis. Since a precipitation reaction represents a fairly complex and heterogeneous system, 1D and 2D simplifications will also help us to understand how the chemical behavior of different reactants can impact on the final precipitate structure. In addition, the experiments will be supported by theory as well to achieve better control on the system. This knowledge may pave the way for energy efficient synthesis of innovative solid surfaces and for the design of multifunctional reactors.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The following general questions will be addressed during our research:

1. How is the dynamics of the precipitate formation affected by the flow in gradient-driven systems in microfluidic reactors?
2. How accurate is the theory on radial transport in confined reactive systems?
3. How reaction-diffusion processes can be used for synthesis of nanoparticles?

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
In traditional chemical synthesis, the most homogeneous reactant mixture is targeted to possibly avoid side reactions arising due to the spatial gradients of heat, magnetic field, reactant concentration, pH, etc. However, one could benefit on those gradients once their effects and mechanisms are understood and controlled. In this project, we will perform chemical precipitation under diffusive flux in gels, under flow conditions in microfluidic and in confined reactors. Such systems will allow us to thoroughly investigate the effect of magnetic field gradient and concentration gradient on the micro and macro structure of the precipitate. This bottom-up synthesis using the self-assembly of solid particles will show how the different chemicals behave and how such behaviors can be tuned by different and well-controlled gradients. This understanding may lead to new experimental protocols where energy efficiency can be increased and greener chemistry can be reached while avoiding additives. Such innovative technology may also provide us with new type of catalysts and thermodynamically unstable polymorphs of chemicals.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
During industrial methods, the most convenient and reproducible way to produce chemicals is usually based on systems where gradients of different quantities (concentration, density, magnetic field, etc.) are omitted. The reason is that such spatial gradients will generate a process in which matter is transported in space and time thus unexpected reactions may happen. However, living organisms use those gradients to efficiently maintain or develop their highly structured body. This means that a greener chemical industry should aim for somehow implementing those gradients. But of course, the effect and mechanisms of those gradients on the synthesis process must be understood first. Therefore, in this work we demonstrate that we can construct simple chemical systems where self-organization is driven by spatial gradients. In the study we will not only be able to describe the behavior of the system but also show that controlled synthesis of materials can be achieved in the presence of different gradients.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Szilárd anyagokat állítottunk elő egyensúlytól távoli körülmények között a kiindulási anyagok áramlását kihasználva mikro- vagy 3D reaktorban, vékony folyadékrétegben, illetve a diffúziót alkalmazva gélekben. Bemutattuk, hogy a vegyészek virágoskertjéhez hasonló, állandó térfogatnövekedési sebességgel jellemezhető üreges szerkezetek hozhatók létre lítium-foszfátból. Szerves vegyületen alapuló virágoskertet állítottunk elő kitozánszolok nátrium-hidroxid-oldatba történő áramoltatásával. Az üvegfal által segített kitozáncsövek növekedése során komplex felületi instabilitások alakulnak ki, melyek fémion hozzáadásával modulálhatók. Paramágneses ionok hatására önmozgó kitozán csónakokat hoztunk létre és bemutattuk több kitozánegység kör alakú önrendeződését. Egy egyszerű másodrendű reakcióban kimutattuk, hogy a front szélessége hatványfüggvény szerint változik az injektálási sebességgel és az oldatvastagsággal, amennyiben az egyik reaktánst radiálisan áramoltatjuk a másik reaktánsoldat vékony rétegébe. A csapadékképződés kinetikai leírását kiterjesztettük ellentétes töltésű fém nanorészecskék csapadékképződésére. Két módszert dolgoztunk ki nanorészecskék önrendeződésére: az egyikben a fényindukált oldószerközegbeli inhomogenitás vezérli a diszpergált nanorészecskék rendeződését, míg a másikban az oldószer párolgása a hajtóerő. Végezetül különböző méretű és alakú, nanogömböktől mikrolemezkékig terjedő, arany nanorészecskéket szintetizáltunk hidrogélben kémiai redukció segítségével.
Results in English
Chemical compounds are synthesized under out-of-equilibrium conditions using flow in micro-, confined or 3D reactors and using diffusive flux in gels. We have shown that lithium phosphate hydrothermal-vent like precipitate structures develop similar to chemical gardens with a constant volume growth rate. The soft organic chemical garden is produced via sol-gel transition when chitosan sol is injected into a pool of sodium hydroxide solution. Boundary-aided growth gives rise to intricate surface instabilities which can be modulated by the addition of metal ions. Introducing paramagnetic ions to the chitosan sol, we have been able to create self-propelled chitosan boats which resulted in ring-shaped ordering in the presence of a flotilla. A power-law dependence of front width on the injection rate and solution height is determined experimentally in a simple second-order reaction when the reactants are initially separated and one is injected radially. The empirical law of the precipitation is extended to the precipitation of oppositely charged nanoparticles. Two methods have been developed to control the self-assembly of nanoparticles: In the first technique, light-induced inhomogeneity in the solvent matrix drives the assembly of dispersed nanocrystals, while in the second one the solvent evaporation is the major driving force. Finally gold nanoparticles - ranging from nano-sized spheres to micro-sized plates - have been generated in hydrogels using chemical reduction.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=125746
Decision
Yes





 

List of publications

  
Eszter Tóth-Szeles, Zsófia Medveczky, Gábor Holló, Judit Horváth, Rózsa Szűcs, Hideyuki Nakanishi, István Lagzi: pH mediated kinetics of assembly and disassembly of molecular and nanoscopic building blocks, Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis 123, 323-333, 2018
T Kovacs, R Szucs, G Holló, Z Zuba, J Molnár, HK Christenson, I Lagzi: Self-assembly of chiral menthol molecules from a liquid film into ring-banded spherulites, Crystal Growth & Design, 2019, 19, (7) 4063-4069, 2019
G Holló, I Lagzi: Autonomous Chemical Modulation and Unidirectional Coupling in Two Oscillatory Chemical Systems, The Journal of Physical Chemistry A, 2019, 123 (8), 1498-1504, 2019
R Szűcs, D Balogh-Weiser, E Sánta-Bell, E Tóth-Szeles, T Varga, Z Kónya, L Poppe I. Lagzi: Green synthesis and in situ immobilization of gold nanoparticles and their application for the reduction of p-nitrophenol in continuous-flow mode, RSC Advances 9 (16), 9193-9197, 2019
Y Miele, Z Medveczky, I Lagzi, MA Budroni, F Rossi: The Relevance of Inorganic Nonlinear Chemical Reactions for the Origin of Life Studies, WIVACE 2018: Artificial Life and Evolutionary Computation 138-150, 2019
H Nakanishi, A Deák, G Holló, I Lagzi: Existence of a Precipitation Threshold in the Electrostatic Precipitation of Oppositely Charged Nanoparticles, Angewandte Chemie International Edition 57 (49), 16062-16066, 2018
Michael Emmanuel, Gábor Schuszter, Ágota Tóth, Dezső Horváth: Flow-driven crystallization, GRC on Crystal Growth and Assembly, 2019
Paszkál Papp, Ágota Tóth, Dezső Horváth: Modeling of precipitation reactions, 30/80 Meeting at Granada, 2019
Michael Emmanuel, Evelin Rauscher, Gábor Schuszter, Dezső Horváth, Ágota Tóth: Flow-driven crystallization, 30/80 Meeting in Granada, 2019
Á. Tóth, G. Schuszter, N.P. Das, E. Lantos, D. Horváth, A. De Wit, F. Brau: Effects of radial injection and solution thicknesson the dynamics of confined A + B-Cchemical fronts, Phys. Chem. Chem. Phys., 2020
M. Emmanuel, D. Horváth, Á. Tóth: Flow-driven crystal growth of lithium phosphate in microchannels, CrystEngComm, 22, 4887-4893, 2020
P. Kumar, D. Horváth, Á. Tóth: Bio-inspired flow-driven chitosan chemical gardens, Soft Matter, 16, 8325-8329, 2020
K. Rakotozandriny, A. Bourg, P. Papp, Á. Tóth, D. Horváth, I.T. Lucas, F. Babonneau, C. Bonhomme, A. Abou-Hassan: Investigating CaOx crystal formation in absence and presence of polyphenols under microfluidic conditions in relation with nephrolithiasis, Crystal Growth & Design, Accepted manuscript, 2020
H. Nabika, M. Itatani, I. Lagzi: Pattern Formation in Precipitation Reactions: The Liesegang Phenomenon, Langmuir 36 (2), 481-497, 2020
Y. Miele, Z. Medveczky, G. Holló, B. Tegze, I. Derényi, Z. Hórvölgyi, E. Altamura, I. Lagzi, F. Rossi: Self-division of giant vesicles driven by an internal enzymatic reaction, Chemical Science 11 (12), 3228-3235, 2020
M. Morsali, M. T. A. Khan, R. Ashirov, G. Holló, H. T. Baytekin, I. Lagzi, B. Baytekin: Mechanical Control of Periodic Precipitation in Stretchable Gels to Retrieve Information on Elastic Deformation and for the Complex Patterning of Matter, Advanced Materials 32 (10), 1905779, 2020
H. S. Lawson, G. Holló, R. Horvath, H. Kitahata, I. Lagzi: Chemical Resonance, Beats, and Frequency Locking in Forced Chemical Oscillatory Systems, Journal of Physical Chemistry Letters 11 (8), 3014-3019,, 2020
H. Nakanishi, Y. Kawabata, S. Tsujiai, H. Tanaka, S. Teraji, G. Holló, I. Lagzi, T. Norisuye, Q. Tran‐Cong‐Miyata: Nanocrystals Assembled by the Chemical Reaction of the Dispersion Solvent, Angewandte Chemie International Edition, 59 (31), 13086-13092, 2020
Á. Tóth, G. Schuszter, N.P. Das, E. Lantos, D. Horváth, A. De Wit, F. Brau: Effects of radial injection and solution thickness on the dynamics of confined A + B->C chemical fronts, Phys. Chem. Chem. Phys. 22, 10278-10285, 2020
P. Kumar, C. Hajdu, Á. Tóth, D. Horváth: Flow-driven surface instabilities of tubular chitosan hydrogel, ChemPhysChem 22, 488-492, 2021
Kumar, Pawan; Sebők, Dániel; Kukovecz, Ákos; Horváth, Dezsö; Tóth, Ágota: Hierarchical self-assembly of metal-ion modulated chitosan tubules, Langmuir, accepted, 10.1021/acs.langmuir.1c02097, 2021
Gábor Holló, Ylenia Miele, Federico Rossi, István Lagzi: Shape changes and budding of giant vesicles induced by an internal chemical trigger: an interplay between osmosis and pH change, Physical Chemistry Chemical Physics 23 (7), 4262-4270, 2021, 2021
Gábor Holló, Nobuhiko J Suematsu, Elliott Ginder, István Lagzi: Electric field assisted motion of a mercury droplet, Scientific Reports 11 (1), 1-11, 2021
Hugh Shearer Lawson, Gabor Holló, Norbet Német, Satoshi Teraji, Hideyuki Nakanishi, Robert Horvath, Istvan Lagzi: Design of non-autonomous pH oscillators and the existence of chemical beat phenomenon in a neutralization reaction, Scientific Reports 11, 1-9, 2021
Amanda J Ackroyd, Gábor Holló, Haridas Mundoor, Honghu Zhang, Oleg Gang, Ivan I Smalyukh, István Lagzi, Eugenia Kumacheva: elf-organization of nanoparticles and molecules in periodic Liesegang-type structures, Science Advances 7, eabe3801, 2021
Ylenia Miele, Gábor Holló, Istvan Lagzi, Federico Rossi: Effect of the Membrane Composition of Giant Unilamellar Vesicles on Their Budding Probability: A Trade-Off between Elasticity and Preferred Area Difference, Life-Basel 11, 634,, 2021
Min-kyung Jo, Young Shin Cho, Gábor Holló, Jeong-Mo Choi, István Lagzi, Sung Ho Yang: Spatiotemporal and Microscopic Analyses of Asymmetric Liesegang Bands: Diffusion-Limited Crystallization of Calcium Phosphate in a Hydrogel, Crystal Growth & Design, doi: 10.1021/acs.cgd.1c00536, 2021




 

Events of the project

  
2020-01-09 16:37:52
Résztvevők változása



Back »