Zakład Fizyki Układów Molekularnych i Badań Radiospektroskopowych (ZN8)

Badania

Obszar badawczy

Dynamika molekularna i właściwości fizyczne nowych materiałów do zastosowań technologicznych.

Cele badawcze

W Zakładzie Fizyki Układów Molekularnych i Badań Radiospektroskopowych prowadzone są zarówno badania podstawowe, których celem jest poznanie i określenie fundamentalnych zjawisk fizycznych oraz własności fizykochemicznych organicznych i nieorganicznych materiałów w fazie ciekłej, stałej i tzw. miękkiej materii, jak również prace aplikacyjne mające na celu zaprojektowanie i wytworzenie nowych układów do zastosowań m.in. w takich obszarach technologicznych jak odnawialne źródła energii, biokompatybilne związki farmaceutyczne czy elektronika molekularna. W ostatnich latach nasza grupa koncentrowała się na trzech głównych tematach związanych z projektowaniem, optymalizacją i charakteryzacją takich materiałów jak:

  • neutralne dla środowiska, ciałostałowe, bezwodne przewodniki protonowe do zastosowań w ogniwach paliwowych oparte na biopolimerach (m.in. nanokrystalicznej i mikrowłóknistej celulozie) używanych jako biokompatybilne matryce oraz molekułach heterocyklicznych (imidazol i jego pochodne),
  • termicznie odnawialne elektrolity stałe dla układów opartych na bazie jonów litu do zastosowań w układach magazynujących energię,
  • biokompatybilne układy hydrożelowe zawierające jony nanosrebra i nanozłota do zastosowań w produktach farmaceutycznych.

W celu realizacji wyznaczonych zamierzeń prowadzimy badania dynamiki molekularnej, procesów relaksacyjnych i dyfuzyjnych, własności termicznych, mechanizmów przewodnictwa jonowego i elektronowego w układach organicznych oraz funkcjonalnych materiałach dielektrycznych. W szczególności koncentrujemy się na badaniach układów supramolekularnych i wpływie struktury żelatora oraz oddziaływań między cząsteczkowych na procesy samoorganizacji molekularnej, transportu ładunku, stabilności termicznej i trwałości wytwarzanych materiałów.

Profil badawczy

Zakład Fizyki Układów Molekularnych i Badań Radiospektroskopowych realizuje badania i prace rozwojowe z wykorzystaniem zaawanasowanych technik pomiarowych magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR), w tym dyfuzometrii NMR, wysokorozdzielczej spektroskopii NMR w ciele stałym, relaksometrii NMR metodą Fast Field-Cycling. Korzystając z głowic pomiarowych dedykowanych dla cieczy, materii miękkiej i ciała stałego prowadzimy obserwację zjawiska NMR na wielu rodzajach jąder atomowych (m.in. 1H, 2H, 13C, 19F, 15N, 7Li, 29Si), co umożliwia przeprowadzenie kompleksowej i szczegółowej analizy badawczej. Dzięki zastosowaniu dodatkowych akcesoriów, takich jak pompy, kriostaty czy chłodziarki, możemy prowadzić pomiary w szerokim zakresie temperatur (od 10 do 400 K). Posiadana na wyposażeniu aparatura do analizy termicznej pozwala uzyskać informacje na temat stabilności termicznej i przemian fazowych w badanych materiałach, a także przeprowadzać badania starzeniowe z wykorzystaniem technik termograwimetrycznych (TGA) i skaningowej kalorymetrii różnicowej (DSC). Za pomocą opracowanej w zakładzie techniki termicznej konduktometrii skaningowej (TSC) możliwe jest badanie przewodnictwa jonowego in-situ układów podlegających samoorganizacji molekularnej w funkcji temperatury. Więcej informacji na temat wykorzystywanych metod badawczych znajduje się w zakładce „Wyposażenie”.

Poza badaniami realizowanym w ramach działalności statutowej i projektowej prowadzimy szeroką współpracę z różnymi ośrodkami krajowymi i zagranicznymi, co umożliwia angażowanie się w badania interdyscyplinarne, które dotyczą:

  • układów biologicznych i produktów żywnościowych (np. wina, miody, oliwy, napoje alkoholowe), w tym weryfikacji autentyczności składu badanych produktów,
  • opracowywania nowoczesnych środków konserwujących dla zachowania obiektów dziedzictwa kulturowego,
  • produktów farmaceutycznych (projektowanie i charakterystyka własności fizykochemicznych),
  • nowoczesnych materiałów technologicznych, np. elektrod do układów nowoczesnych baterii, superkondensatorów, czy katalizatorów.

Wyposażenie

Wyposażenie

  • Spektrometr Bruker ASCEND wyposażony w szerokordzeniowy (89 mm) magnes nadprzewodnikowy wytwarzający pole magnetyczne o wartości 11,74 T (500 MHz dla 1H). Konsola spektrometru wyposażona jest w trzy wzmacniacze RF o wysokiej mocy oraz moduł gradientowy, posiada rozbudowaną konfigurację powalająca na prowadzenie badań NMR zarówno w ciele stałym, materii miękkiej jak i cieczach. Spektrometr jest wyposażony w następujące akcesoria:

    • Trójkanałową szerokopasmową głowicę pomiarową 2.5mm (1H/X/Y) umożliwiającą rejestrację wysokorozdzielczych widm NMR w ciele stałym z wykorzystaniem techniki MAS (Magic Angle Spinning) pozwalającą na rejestrację sygnałów w zakresie częstości od 15N-31P, z możliwością prowadzenia badań w zakresie temperatur od -120 °C do 150 °C.
    • Dwukanałową szerokopasmową głowicę pomiarową 4mm (1H/X) umożliwiającą rejestrację wysokorozdzielczych widm NMR w ciele stałym z wykorzystaniem techniki MAS (Magic Angle Spinning) pozwalającą na rejestrację sygnałów w zakresie częstości od 15N-31P, z możliwością prowadzenia badań w zakresie temperatur od -120 °C do 150 °C.
    • Dwukanałową głowicę pomiarową (X/Y) dyfuzyjną umożliwiającą prowadzenie badań w cieczach oraz materii miękkiej dla szeregu jąder np. 1H, 2H, 19F, 7Li, 31P za pomocą wymiennych cewek nadawczo-odbiorczych oraz w zakresie temperatur od -70 °C do 80 °C
    • Niskotemperaturową sondę szerokopasmową z kriostatem oraz z czterema cewkami (10 mm dla 15N, 5 mm i 10 mm dla 2H - 139La oraz 5 mm dla 59Co - 69Ga) umożliwia wykonywanie pomiarów NMR w temperaturze do 7 K (-266 °C).
    • układ gradientowy współpracujący z sondą dyfuzyjną umożliwiający przeprowadzenie eksperymentów metoda PFG NMR z gradientem pola impulsowego (PFG) o maksymalnej sile gradientu wynoszącej 3000 G/cm.
    • dodatkowy sprzęt taki jak przewody wysokociśnieniowe do pracy z azotem lub suchym powietrzem, wymienniki ciepła, parownik azotu, wydajna chłodziarka laboratoryjna, naczynia Dewara, pompy itp. pozwalają na uzyskanie szerokiego zakresu eksperymentalnych warunków temperaturowych.

     

  • Spektrometr Bruker AVANCE wyposażony w szerokordzeniowy (90 mm) magnesem nadprzewodnikowy wytwarzający pole magnetyczne o wartości 7,046 T (300 MHz dla 1H). Specjalne akcesoria, takie jak system gradientowy, głowica pomiarowa do mikroobrazowania i zaawansowany pakiet oprogramowania, umożliwiły wykonanie obrazowania NMR. Maksymalna siła gradientu w trzech prostopadłych kierunku x, y i z wynosi 100 G/cm. Głowica pomiarowa posiada cztery wymienne cewki nadawczo-odbiorcze o średnicy 5, 10, 15 i 25 mm. Uzyskiwana rozdzielczość dwuwymiarowych obrazów MRI w naszym laboratorium wynosi 10 µm. Pakier oprogramowanie Para Vision obsługuje szereg specjalnych funkcji przetwarzania, w tym analizę statystyczną w obszarach zainteresowania i rekonstrukcję powierzchni 3D. Stosowane techniki pomiarowe w metodzie mikroobrazowania MRI:

    • Gradient Echo Fast Imaging (GEFI)
    • Multislice/Multiecho (MSME), T2 calculations
    • Snapshot FLASH Method
    • Contrast imaging
    • Diffusion imaging (SEDIFFUSION, STEDIFFUSION)
    • Constant time/ single point imaging (CTI/SPI)
    • Localized spectroscopy (VOSY,VSEL)
    • Chemical shift imaging (CSIND)



  • Relaksometr SPINMASTER FFC2000 to unikalna aparatura badawcza zaprojektowana do pomiaru czasów relaksacji jądrowej spin-sieć (T1) oraz spin-spin (T2) w funkcji pola magnetycznego w zakresie od 10 kHz do 40 MHz (częstotliwość Larmora 1H).

    Relaksometr połączony jest z szerokopasmowym elektromagnesem wytwarzającym pola magnetyczne w zakresie od 10-4 do 1T, posiada podwójny obwód magnesu/system chłodzenia, 3 głowice pomiarowe pracujące w różnych zakresach częstotliwości; system regulacji i stabilizacji temperatury do kontroli temperatury próbki z dokładnością 0,1 °C w zakresie od - 120 do + 140 °C; lokalny system kompensacji pola magnetycznego pozwalający na prowadzenie badań w polach magnetycznych bliskich polu ziemskiemu, oraz pakietu oprogramowania: AcqNMR32.

    Spinmaster FFC2000

  • TGA 8000 PERKIN ELMER (Analizator termograwimetryczny). TGA jest metodą analizy termicznej materiałów, w której ubytek masy próbki mierzony jest w funkcji temperatury. Metoda pozwala na uzyskanie informacji o przejściach fazowych, absorpcji, desorpcji, rozkładzie, reakcjach chemicznych oraz pozwala na oznaczanie poszczególnych składników próbki, określanie odporności materiałów na wysokie temperatury, analizę pełnej kinetyki procesów cieplnych zachodzących w próbce oraz określanie czystości składu w próbkach stałych i ciekłych. Urządzenie pracuje w zakresie temperatur od -20 do 1200oC i wymaga próbek o masie od kilku do kilkunastu miligramów.

     TGA 8000

  • DSC 4000 PERKIN ELMER (różnicowa kalorymetria skaningowa) mierzy przepływ ciepła do lub z próbki podczas jej ogrzewania, chłodzenia lub utrzymywania w warunkach izotermicznych. Metoda ta jest wykorzystywana do charakteryzowania materiałów organicznych i nieorganicznych, takich jak: polimery, włókna, folie, kompozyty, produkty farmaceutyczne, żywność, kosmetyki itp. Technika ta wymaga szczelnie zamkniętej próbki o masie kilku miligramów w tyglu i umożliwia testowanie w zakresie temperatur od -50oC do 450oC, przy użyciu różnych szybkości zmian temperatury. DSC jest podstawową metodą uzyskiwania cennych informacji na temat następujących właściwości materiałów, takich jak: temperatury topnienia, przemiana szklista, czasy i temperatury krystalizacji, ciepło topnienia i krystalizacji, analiza składu, pojemności cieplne, stabilność termiczna, polimorfizm itp.

    W pomiarach zaawansowanych prowadzi się analizę pełnej kinetyki zachodzących w układzie procesów przemian z wykorzystaniem różnych modeli teoretycznych dostosowanych do danego rodzaju przemiany.

    DSC 4000 PERKIN ELMER 

  • A&D Japan SV10 i SV100 - wiskozymetry wibracyjne umożliwiają pomiar lepkości próbki w zakresach 1-100 Pa·s (model SV100) i 0,3-10000 mPa·s (model SV10). Podstawą działania wiskozymetru wibracyjnego jest utrzymywanie stałej częstotliwości rezonansowej wibrującego elementu zanurzonego w mierzonym płynie. Amplituda wibracji zmienia się w zależności od lepkości płynu. Wiskozymetria wibracyjna umożliwia analizę lepkości materiałów ciekłych, zarówno w postaci pian, emulsji, jak i żeli. Metoda pozwala na wyznaczanie współczynnika lepkości statycznej dla wybranych temperatur oraz badanie procesów starzenia w układach, prowadzących do zmian ich właściwości strukturalnych. Badania lepkości wykonywane są w funkcji szybkości zmian temperatury i czasu.

    A&D Japan SV10 i SV100

  • Analizator TSC (Thermal Scanning Condutrometer, Seven Compact i SevenExcellence S700 firmy Mettler Toledo) pozwala na badanie właściwości przewodzących, zwłaszcza w układach wykazujących odwracalne przejścia fazowe, np. z fazy ciekłej do stałej w postaci żelu. Analiza pozwala na badanie wpływu przejść fazowych na właściwości przewodzące i określenie temperatury tych przejść w zależności od szybkości zmiany temperatury.

    Analizator TSC (Thermal Scanning Condutrometer, Seven Compact i SevenExcellence S700 firmy Mettler Toledo)

  • HP 4194A IS (spektroskopia impedancyjna) to technika pomiarowa, która umożliwia określenie szeregu parametrów elektrycznych badanych obiektów (cieczy lub żeli). Do najważniejszych określanych parametrów należą: impedancja elektryczna (w tym określenie rezystancji DC), przenikalność dielektryczna (straty dielektryczne), przewodność elektryczna. Właściwości elektryczne są badane w funkcji częstotliwości i/lub temperatury. Pomiary mogą być wykonywane dla materiałów przewodzących i dielektrycznych w zakresie od 100 Hz do 5 MHz w temperturach od 5 oC do 120 oC.

    HP 4194A IS

Projekty

Projekty, działania naukowe i popularnonaukowe

  • Projekt MEiN - Wodór – odpowiedź naukowców na wyzwania energetyczne, klimatyczne i środowiskowe (2023-2024), kierownik – dr inż. Ł. Lindner
  • Program Regionalnego Wsparcia Edukacji Ekologicznej - Energia i Klimat – Wojewódzki Konkurs Wiedzy o Wpływie Energetyki na Klimat (2023-2024), kierownik – dr inż. M. Knapkiewicz
  • Projekt MEiN – Społeczna odpowiedzialność nauki II – Popularyzacja nauki – „Fizyka Warta Poznania” (2023-2025), dr hab. M. Pugaczowa-Michalska, dr hab. J. Kowalczuk, dr hab. inż. M. Bielejewski
  • Projekt grantowy NCN: PRELUDIUM BIS - Jonowe układy supramolekularne jako elektrolity stałe: od projektu do zastosowań w materiałach litowo-jonowych (2022-2026), kierownik - dr hab. inż. M. Bielejewski
  • Projekt MEiN - Ogólnopolski Konkurs Konstrukcyjny - Fizyka w ruchu (2021-2023), kierownik – dr inż Ł. Lindner
  • Projekt grantowy NCN: MNIATURA - Wpływ monomeru na właściwości fizyczne fazy smektycznej C*-alfa (2019-2021), kierownik: dr inż. M. Knapkiewicz
  • Projekt grantowy NCN: OPUS 13 - Nowe, protonowo przewodzące kompozyty nanokrystalicznej celulozy funkcjonalizowanej cząsteczkami heterocyklicznymi zawierającymi azot: od syntezy do mechanizmu przewodnictwa (2018-2021), kierownik: prof. dr hab. J. Tritt-Goc
  • Projekt grantowy NCN: SONATINA 1 - Otrzymywanie i właściwości nowych nanokompozytowych przewodników protonowych opartych na nanowłóknach celulozowych sfunkcjonalizowanych molekułami heterocyklicznym (2017-2021), kierownik: dr inż. Iga Jankowska
  • Projekt w ramach „Narodowego Programu Rozwoju Humanistyki 2b Rozwój”: nr 0037/NPRH4/H2b/83/2016 liderem projektu jest Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu: Dziedzictwo kulturowe–poszukiwanie nowoczesnych środków i metod konserwacji drewna zabytkowego (2016-2021), prof. dr hab. J. Tritt-Goc, dr J. Kowalczuk, dr hab. A. Rachocki
  • COST CA 15209 EURELAX - European Network on NMR Relaxometry (2016-2020), mgr M. Knapkiewicz, dr hab. A. Rachocki, dr inż. M. Bielejewski, prof. dr hab. J. Tritt-Goc (Management Committee Member)
  • Projekt grantowy NCN: SONATA 6 - Samo-organizacja molekularna oraz procesy transportu ładunku elektrycznego w jonowych żelach organicznych: Badania dynamiki molekularnej i elektroforetycznej (2014-2017), kierownik - dr inż. M. Bielejewski
  • Projekt MNiSW - Oddziaływania i dynamika molekularna na granicy ciecz-powierzchnia porów w żelach molekularnych: badania relaksacji i dyfuzji metodami jądrowego rezonansu magnetycznego (2011-2014), kierownik – prof. dr hab. J. Tritt-Goc

Skład

Kierownik Zakładu

Obecny skład Zakładu

Doktoranci

Zasłużeni byli pracownicy

  • prof. dr hab. Stanisław Hoffmann

  • prof. dr hab. Narcyz Piślewski

  • dr Janina Goslar