Konzorcium, társ p.: Anyagok egyensúlytól távoli szintézise
Angol cím
Consortional assoc.: M ERA-NET2 Material synthesis in non-equilibrium conditions
magyar kulcsszavak
gélek, nanorészecskék
angol kulcsszavak
gels, nanoparticles
megadott besorolás
Fizikai kémia és elméleti kémia (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)
100 %
Ortelius tudományág: Fizikai kémia
zsűri
Kémia 1
Kutatóhely
Fizika Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem)
résztvevők
Horváth Judit Lawson Hugh Shearer Leelőssyné Tóth Eszter
projekt kezdete
2017-10-01
projekt vége
2021-09-30
aktuális összeg (MFt)
17.778
FTE (kutatóév egyenérték)
3.34
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
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.
angol összefoglaló
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.
