Driven assembly at the nanoscale by nonlinear chemical dynamics  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
104666
Type K
Principal investigator Lagzi, István László
Title in Hungarian Önszerveződés nanoskálán nemlineáris kémiai dinamikával
Title in English Driven assembly at the nanoscale by nonlinear chemical dynamics
Keywords in Hungarian nanotudományok, nemlineáris kémiai dinamika
Keywords in English nanoscience, nonlinear chemical dynamics
Discipline
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Physical chemistry
Panel Chemistry 1
Department or equivalent Department of Physics (Budapest University of Technology and Economics)
Participants Gyökérné dr. Wittmann, Mária
Holló, Gábor
Horváth, Róbert
Izsák, Ferenc
Kály-Kullai, Kristóf
Mészáros, Róbert
Noszticzius, Zoltán
Rácz, Zoltán
Szalai, István
Szűcs, Rózsa
Tóth-Szeles, Eszter
Volk, János
Starting date 2012-09-01
Closing date 2017-08-31
Funding (in million HUF) 18.196
FTE (full time equivalent) 8.12
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

Napjainkban a nanotudományok és a nanotechnológia elsődleges célja részecskék, objektumok és nanoanyagok nanoméretben történő előállítása. A nanoanyagokat számos területen használják és hasznosítják, például napelemekben, energia-tárolásban, iparban (pl. kihasználva a nanorészecskék katalitikus tulajdonságát), nanoelektronikában vagy a nanogyógyászatban. A hangsúly a nanotudományokban azonban fokozatosan áthelyeződik az egyedi nanoobjektumok előállításáról a nanoobjektumok önszerveződésére és az így előállított nanoanyagok alkalmazására. A pályázat elsődleges célja annak megértése, hogy a nanotudományok hogyan kapcsolhatók össze a nemlineáris kémiai dinamikával és hogyan lehet a nanokomponensek (nanorészecskék) önszerveződését kémiai módszerekkel vezérelni. Ezzel az új módszerrel számos olyan kémiai rendszert fogunk előállítani, ahol a nanoméretű objektumok (nanorészecskék) rendezett struktúrába való szervezését ismert, molekuláris szinten működő önszerveződő folyamatok irányítják. Az ilyen típusú nanoanyagok különleges kémiai és fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek, így későbbi felhasználásuk az alkalmazott tudományok több területén is áttörést hozhatnak.

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 pályázat keretében szertnénk megérteni, hogy a nanotudomyányok hogyan kapcsolhatók össze a nemlineáris kémiai dinamikával és ezzel hogyan lehet a nanokomponensek (nanorészecskék) önszerveződést irányítani. Szeretnénk megvizsgálni, hogyan lehet új rendszereket tervezni azáltal, hogy nanokomponenseket önszerveződését hozzákapcsoljuk a molekuláris szinten müködő önszerveződő folyamatokhoz. Ilyen új rendszerek vizsgálata hozzásegíthet ahhoz, hogy jobban és mélyebben megértsük a nanoobjektumok önszerveződést nanoskálán.

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 kutatás során új módszert dolgozunk ki, ami lehetővé teszi új nanoanyagok előállítását és tervezését. A nanoméretű objektumok (nanorészecskék) önszerveződését nemlineáris kémiai reakciók fogják vezérelni, ezáltal új lehetőségeket teremtve az anyagtudományokban. A felvázolt alapkutatási projekt várható eredményeinek alkalmazása egyszersmind biztosítathat költségkímélőbb alternatívát a nanoanyagok tervezésére és előállítására használt jelenlegi technológiák kiváltására, és vezethet el a nanotudományok eddig nem ismert alkalmazási területei és megoldásai felé. Az ilyen típusú nanoanyagok különleges kémiai és fizikai tulajdonsággal rendelkeznek, ezért számos területen alkalmazhatók, mint nanostrukturált anyagok. A nanorendszerek kémiai tulajdonságainak és viselkedésének megismerése a pályázat legfontosabb célja, amely új alkalmazási lehetőséget rejt az anyagtudományok és a kontrollálható kémiai rendszerek területén.

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 adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A nanotudományok és a nanotechnológia forradalmian új szemléletet és megoldásokat hozhat az anyag-, környezet- és orvostudományokban így segítségünkre lehet a fenntartható fejlődés megvalósításában. A nanotechnológia számos vívmányával mindennapi életünk során is találkozhatunk, anélkül hogy észrevennénk. Azonban a potenciális alkalmazások közül nagyon sok nehezen átültethető a gyakorlatba a relatíve magas költségek miatt. A költséghatékonyság tekintetében az egyik meghatározó tényező a nanoastruktúrák előállításához használt eljárás. A pályázat fő célja a nanotudományok legújabb eredményeinek összekapcsolása olyan kémiai rendszerekkel, amelyek eszközt szolgáltathatnak nanostruktúrák új, a meglevőknél költséghatékonyabb módszerekkel történő létrehozásához, valamint a nanoanyagok kémiai viselkedésének jobb megismeréséhez. Az ún. önszerveződés révén szervezett struktúrák spontán módon alakulnak ki egy adott rendszerben. A nemlineáris kémiai dinamika tudományága az önszerveződő rendszereket molekuláris szinten vizsgálja, ezért ideális hátteret nyújt nanoméretű komponensek (nanorészecskék) rendezett struktúrába való szerveződésének vezérléséhez is. A nanotudományok és a nemlineáris kémiai dinamika összekapcsolásával új kémiai rendszereket tervezhetünk és fedezhetünk fel.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Nowadays, the primary aim of nanoscience and nanotechnology is to synthesize particles and objects at nanoscale and to develop materials in that size. Nanoscale materials can be used in many useful and important applications e.g., in solar cells, energy storage, in industrial applications (using the catalytic property of the nanoparticles), in nanoelectronics or nanomedicine. The focus of nanoscience and nanotechnology is gradually shifting from the synthesis of individual components to their assembly into larger systems and use them as nanostructured materials. The primary goal of this project is to understand how nanoscience and nonlinear chemical dynamics can be used to drive assembly of nanoobjects. Based on this new "bottom-up" approach we will provide several applications where assembly of nanoparticles into ordered nanostructures will be driven by self-organazing chemical systems well-known at molecular level. Such nanostructures can have unique chemical and physical properties, therefore, they can be potential candidates in the future for several applications involving nanomaterials.

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.

In the framework of this project, we would like to understand how the nanoscience and nonlinear chemical dynamics can be coupled and used as a tool to drive assembly of nanoobjects. We would like to analyze their combined advantages and design new nanoscopic systems via coupling self-organizing systems operating at molecular level to nanoscience. These new systems can help us to extend our knowledge about practical issues such as controlling the assembly of nanoscopic objects at small scale.

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.

This research will provide a new “bottom-up” method to design and create nanostructured materials. Assembly of nanoobjects will be driven by nonlinear chemical reactions, thus creating new vistas for material science. The potential results of our proposed basic research can both bring methodological advance in many fields of nanomaterial design providing a cost efficient alternative to already existing methods, and pave the way for exploring new notions of nanoscience. Such nanostructures can have unique chemical and physical properties, therefore, they can be potential candidates in the future for several applications involving nanomaterials. The understanding of chemical properties and behavior of nanoscopic systems in this research can open up new horizons in applications for material sciences and controllable chemical systems.

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 NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Nanoscience and nanotechnology can help us to maintain the sustainable development providing revolutionary new approaches and solutions in material, environmental and medical sciences. There are many aspects of everyday life where we meet products of nanoscience - even without noticing them. However, there are still many possible solutions that nanoscience can provide, but some of them cannot be widely used because of the relatively high costs. It is a fundamental question how these nanomaterials can be synthesized in terms of the cost efficiency. The primary goal of the proposed research is to combine the state-of-the-art in nanoscience and a natural, chemical tool to create alternative, cost efficient ways to construct nanoscopic structures, and to extend our knowledge on characteristics and properties of nanostructures. Self-organization is a process where a structure appears spontaneously in a system. Nonlinear chemical dynamics investigates self-organizing processes at molecular level. Therefore, this can be an ideal candidate to drive also the self-organization of nanoscopic objects. Using combined advantages of nanoscience and nonlinear chemical dynamics, new chemical systems can be designed and explored.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A hangsúly a nanotudományi tárgyú kutatásokban fokozatosan áthelyeződik az egyedi nanoobjektumok előállításáról a nanoobjektumok önrendeződésének vizsgálata felé. Pályázatunkban összekapcsoltuk a nanotudományokat a nemlineáris kémiai dinamikával annak érdekében, hogy hogyan lehet a nanokomponensek (pl. nanorészecskék) önrendeződését kémiai módszerekkel vezérelni. Ezzel az új módszerrel számos technikát és eljárást dolgoztunk ki: (a) vizsgáltuk a kolloidok helikoidális struktúrába való önrendeződését; (b) kémiai hullámokat fedeztünk fel csapadékrendszerekben a kolloidális építőelemek önrendeződésével; (c) reakció-diffúziós módszert dolgoztunk ki nano- és mikrorészecskék előállítására; (iv) kidolgoztunk egy új stratégiát nanoméretű építőelemek önrendeződésének vezérlésére (idő programozott önrendeződés).
Results in English
The focus of nanoscience and nanotechnology has gradually shifted from the synthesis of individual components to their assembly into larger systems. In this project we combined nanoscience and nonlinear chemical dynamics to drive assembly/disassembly of various sized objects (nanoparticles, microparticles). Based on this new "bottom-up" approach we provided several applications and techniques, namely (i) we investigated the self-assembly of colloids into macroscopic helicoidal structure; (ii) we observed precipitation wave due to dynamic self-assembly of colloids; (iii) we proposed a reaction-diffusion method for synthesis of nanoparticles and microparticles; (iv) we developed a new autonomous method for self-assembly of nanoscopic objects (time programmed self-assembly).
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=104666
Decision
Yes





 

List of publications

 
S. Thomas, I. Lagzi, F. Molnár, Z. Rácz: Probability of the emergence of helical precipitation patterns in the wake of reaction-diffusion fronts, Phys. Rev. Lett., 078303, 2013
I. Lagzi: Chemical robotics - chemotactic drug carriers, Cent. Eur. J. Med., 8, 377-382, 2013
R. Mészáros, F. Molnár, F. Izsák, T. Kovács, P. Dombovári, Á. Steierlein, R. Nagy, I. Lagzi: Environmental modeling using graphical processing unit with CUDA, Időjárás, 116, 237-251, 2012
S. Thomas, F. Molnár, Z. Rácz, I. Lagzi: Matalon-Packter law for stretched helicoids formed in precipitation processes, Chem. Phys. Lett., 577, 38-41, 2013
S. Thomas, I. Lagzi, F. Molnár, Z. Rácz: Helices in the wake of precipitation fronts, Phys. Rev. E, 88, 022141, 2013
T. Haszpra, I. Lagzi, T. Tél: Dispersion of aerosol particles in the atmosphere: Fukushima, Geophysical Research Abstracts, 15, EGU2013-11028, 2013
Á. Leelőssy, E.L. Ludányi, R. Mészáros, I. Lagzi: Application of an object-oriented Lagrangian trajectory model for dispersion simulations after the Rouen Lubrizol accident, EMS Annual Meeting Abstracts, 10, EMS2013-409, 2013
Á. Leelőssy, E. L. Ludányi, R. Mészáros, I. Lagzi: Radioaktív anyagok terjedésének modellezése, Geoinformációs Konferencia, A geoinformáció alkalmazási területei, 1-7, ISBN: 978-963-08-6192-2, 2013
T. Haszpra, I. Lagzi, T. Tél: Dispersion of aerosol particles in the free atmosphere using ensemble forecasts, NONLINEAR PROCESSES IN GEOPHYSICS, 20, 759-770, 2013
A. Leelossy, E. L. Ludanyi, M. Kohlmann, I. Lagzi, R. Meszaros: Comparison of two Lagrangian dispersion models: a case study for the chemical accident in Rouen, January 21-22, 2013, IDOJARAS, 117, 435-450, 2013
A. Leelossy, F. Molnar, F. Izsak, A. Havasi, R. Meszaros, I. Lagzi: Dispersion modeling of air pollutants in the atmosphere: a review, CENTRAL EUROPEAN JOURNAL OF GEOSCIENCES, 6, 257-278, 2014
K. Suzuno, D. Ueyama, M. Branicki, R. Toth, A. Braun, I. Lagzi: Maze Solving Using Fatty Acid Chemistry, LANGMUIR, 30, 9251-9255, 2014
B. Duzs, I. Lagzi, I. Szalai,: Propagating Fronts and Morphological Instabilities in a Precipitation Reaction, LANGMUIR, 30, 5460-5465, 2014
S. Thomas, G. Varghese, D. Bardfalvy, Z. Racz, I. Lagzi: Helicoidal precipitation patterns in silica and agarose gels, CHEMICAL PHYSICS LETTERS, 599, 159-162, 2014
I. Derenyi, I. Lagzi: Fatty acid droplet self-division driven by a chemical reaction, PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS, 16, 4639-4641, 2014
M. M. Ayass, I. Lagzi, M. Al-Ghoul: Three-dimensional superdiffusive chemical waves in a precipitation system, PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS, doi: 10.1039/C4CP02587C, 2014
I. Derenyi, I. Lagzi: Fatty acid droplet self-division driven by a chemical reaction, PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS, 16, 4639-4641, 2014
M. M. Ayass, I. Lagzi, M. Al-Ghoul: Three-dimensional superdiffusive chemical waves in a precipitation system, PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS, 16, 24656-24660, 2014, 2014
M. M. Ayass, M. Al-Ghoul, I. Lagzi: Chemical Waves in Heterogeneous Media, JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY A, 118, 11678–11682, 2014, 2014
T. Mona, A. Havasi, I. Lagzi: Solving Reaction-Diffusion and Advection Problems with Richardson Extrapolation, JOURNAL OF CHEMSITRY, 350362, 2015
A. Braun, R. Tóth, I. Lagzi: Künstliche Intelligenz aus dem Chemiereaktor, Nachrichten aus der Chemie 63, 445-446, 2015, 2015
R. M. Walliser, F. Boudoire, E. Orosz, R. Tóth, A. Braun, E. C. Constable, Z. Rácz, I. Lagzi: Growth of Nanoparticles and Microparticles by Controlled Reaction-Diffusion Processes, Langmuir, 31, 1828-1834, 2015
M. M Ayass, I. Lagzi, M. Al-Ghoul: Targets, ripples and spirals in a precipitation system with anomalous dispersion, PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS, 17,19806-19814, 2015
P. Lovass, M. Branicki, R. Tóth, A. Braun, K. Suzuno, D. Ueyama, I. Lagzi: Maze solving using temperature-induced Marangoni flow, RSC Advances 5, 48563-48568, 2015
B. Peter, S. Kurunczi, D. Patko, I. Lagzi, B. Kowalczyk, Z. Rácz, B. A. Grzybowski, R. Horvath: Label-Free in Situ Optical Monitoring of the Adsorption of Oppositely Charged Metal Nanoparticles, Langmuir, 30, 13478-13482, 2015
K. Suzuno, D. Ueyama, I. Lagzi: Chemical-based Maze Solving Methods, CURRENT PHYSICAL CHEMISTRY, 5, 29 - 36, 2015
I. Lagzi: Self-division of a mineral oil–fatty acid droplet, Chemical Physics Letters 640, 1-4, 2015
K Suzuno, D Ueyama, M Branicki, R Tóth, A Braun, I Lagzi: Marangoni Flow Driven Maze Solving, Advances in Unconventional Computing (SPRINGER), 237-243, 2017
A Vágó, G Szakacs, G Sáfrán, R Horvath, B Pécz, I Lagzi: One-step green synthesis of gold nanoparticles by mesophilic filamentous fungi, Chemical Physics Letters 645, 1-4, 2016
D Zámbó, K Suzuno, S Pothorszky, D Bárdfalvy, G Holló, H Nakanishi, D Wang, D Ueyama, A Deak, I Lagzi: Self-assembly of like-charged nanoparticles into Voronoi diagrams, Physical Chemistry Chemical Physics 18 (36), 25735-25740, 2016
R Toth, RM Walliser, I Lagzi, F Boudoire, M Düggelin, A Braun, C E Housecroft, E C Constable: Probing the mystery of Liesegang band formation: revealing the origin of self-organized dual-frequency micro and nanoparticle arrays, Soft Matter, doi: 10.1039/C6SM01564F, 2016
RM Walliser, R Tóth, I Lagzi, D Mathys, L Marot, A Braun, CE Housecroft, E C Constable: Understanding the formation of aligned, linear arrays of Ag nanoparticles, RSC Advances 6 (34), 28388-28392, 2016
R Mészáros, Á Leelőssy, T Kovács, I Lagzi: Predictability of the dispersion of Fukushima-derived radionuclides and their homogenization in the atmosphere, Scientific Reports, 6, 19915, 2016
R Toth, RM Walliser, I Lagzi, F Boudoire, M Düggelin, A Braun, C E Housecroft, E C Constable: Probing the mystery of Liesegang band formation: revealing the origin of self-organized dual-frequency micro and nanoparticle arrays, Soft Matter, 12 (40), 8367-8374, 2016
G Holló, B Dúzs, I Szalai, I Lagzi: From Master–Slave to Peer-to-Peer Coupling in Chemical Reaction Networks, The Journal of Physical Chemistry A 121 (17), 3192-3198, 2017
E Tóth-Szeles, J Horváth, G Hollo, R Szücs, H Nakanishi, I Lagzi: Chemically coded time-programmed self-assembly, Molecular Systems Design & Engineering, 2, 274-282, 2017





 

Events of the project

 
2017-05-08 15:14:41
Résztvevők változása
2017-02-28 21:09:18
Résztvevők változása
2014-12-18 13:28:45
Résztvevők változása




Back »