Cele badawcze

Ogólnym celem realizowanych prac jest wytworzenie i określenie właściwości nowych ferroików, multiferroików oraz poznanie mechanizmów transportu ładunku w przewodnikach szybkich jonów i polimerach.

W rodzinie ferroików w tym M-heksaferrytów Sr(Ba)Fe₁₂O₁₉ oraz multiferroików BiFeO₃, celem szczegółowym jest synteza (za pomocą metody hydrotermalnej lub mechanosyntezy), a następnie określenie wpływu domieszek jonów Nd³⁺, Al³⁺, Sc³⁺ oraz morfologii na ich właściwości magnetoelektryczne i oddziaływania z polami elektromagnetycznymi. Prowadzone są również badania mające na celu poznanie uporządkowań magnetycznych w zbiorach nanocząsteczek np. magnetytu Fe₃O₄ w otoczce krzemionkowej oraz pomiary właściwości elektrycznych domieszkowanych układów z rodziny LiMn₂O₄.

W grupie przewodników szybkich jonów celem jest poznanie mechanizmów przewodnictwa elektrycznego, przemian strukturalnych oraz właściwości ferroelektrycznych związków organicznych, takich jak np. nowe ferroelektryki [C(NH₂)₃]₄X₂SO₄ (X=Cl, Br), kryształy [C(NH₂)₃]₄Cl₂SO₄ i (NH₄)₄H₂(SeO₄)₂. Podobne badania wykonywane są także dla związków o hiperpolaryzowalnych kationach organicznych jak np. wodorosiarczan disobutylo-amoniowy [(CH₃)₂CHCH₂]NHSO₄.

Profil badawczy

Badanie własności elektrycznych i magnetycznych materiałów oraz nanomateriałów ferroicznych, M-heksaferrytów, multiferroików, ferroelektryków oraz przewodników jonowych i superprotonowych metodami wysokoczęstościowej dielektrometrii oraz magnetometrii (magnetometr z wibrującą próbką VSM, podatnościomierz AC), charakteryzowanie: morfologii, składu i struktury tych materiałów za pomocą mikroskopii elektronowej (SEM, TEM, SAED, EDS), dyfrakcji rentgenowskiej, oraz wytwarzanie materiałów i nanomateriałów metodą mechanosyntezy i mikrofalowo aktywowanej syntezy hydrotermalnej.

Rys. 2-5. Różne formy nano- i mikrokryształów żelazianu bizmutu BiFeO₃ (synteza dr K. Chybczyńska).

Programy badawcze

• Projekt NCN (Miniatura 1) - Wpływ mikro- i nanostruktury na własności dielektryczne i magnetyczne kompozytów celuloza - spinel kobaltowy (2017-2018), kierownik - dr hab. E. Markiewicz
• Projekt 02.03.02-22-0006/15 - Opracowanie kompozytowego materiału ekranującego pole elektromagnetyczne w wysokich i niskich częstotliwościach -beneficjent: ADR Technology Stanisław Wosiński, kierownik ze strony wykonawcy – dr hab. B. Andrzejewski, prof. IFM PAN
• Projekt NCN (Sonata 8) - Uniwersalne cechy przewodnictwa elektrycznego przewodników protonowych (2015-2018), kierownik - dr inż. P. Ławniczak
• Projekt MNiSW - Jedno i wielofazowe ferroiki i multiferroiki (2010-2014), kierownicy - prof. B. Hilczer, dr hab. M. Połomska, prof. IFM PAN
• Projekt SIMUFER COST Action - Single- and multiphase ferroics and multiferroics with restricted geometries (2010-2014), kierownik - MC Substitute Member: dr hab. M. Połomska, prof. IFM PAN
• Projekt MNiSW - Wpływ ciśnienia na nieliniowy charakter przewodnictwa protonowego - eksperyment i modelowanie (2010-2014), kierownik - dr hab. M. Zdanowska-Frączek, prof. IFM PAN
• Projekt MNiSW - Otrzymywanie i własności nanocząstek wybranych materiałów funkcjonalnych (2011-2013), kierownik - dr hab. B. Andrzejewski, prof. IFM PAN
• Projekt promotorski MNiSW - Przewodnictwo elektryczne i struktura nowych krystalicznych elektrolitów stałych z molekułami benzimidazolu (2010-2011), kierownik - prof. Cz. Pawlaczyk (doktorant - mgr inż. P. Ławniczak)
• Projekt MNiSW - Dynamika molekularna elektroaktywnych polimerów uwięzionych w nanoporach, (2008-2011), kierownik - prof. B. Hilczer
• Projekt MNiSW - Nowe elektrolity stałe z molekułami heterocyklicznymi (2007-2010), kierownik - prof. Cz. Pawlaczyk
• Projekt MNiSW - (ELENA COST Action) - Electroceramics from nanopowders produced by innovative methods (2006-2009), kierownik - MC Member: prof. B. Hilczer
• Projekt MNiSW - (POL-POSTDOC) - Otrzymywanie nanostruktur ferroelektrycznych (2005-2009), kierownik - dr I. Szafraniak, opiekun naukowy - prof. B. Hilczer

Osiągnięcia naukowe

• Potwierdzenie własności ferroelektrycznych w grupie tlenków BaTiO₃ oraz (Ba,Sr)MnO₃ uzyskanych poprzez tradycyjne spiekanie [R. Bujakiewicz-Korońska et al. J. Eur. Ceram. Soc. 37, 1477, (2017)].
• Wykazanie, iż struktura szczawianu 1H-pirazolu składa się z dwuwymiarowych warstw zbudowanych z jednowymiarowych łańcuchów zawierających kwasy pirazoliowe i szczawianowe połączone wiązaniami N-H∙∙∙O i O-H∙∙∙O. Teoretyczne wyjaśnienie mechanizmów transportu elektrycznego oraz wyznaczenie ścieżek przewodnictwa. [M. Widelicka et al. Phys. Chem. Chem Phys. 19, 25653, (2017)]
• Synteza nanokompozytów SrFe₁₂O₁₉-CoFe₂O₄ i potwierdzenie oddziaływania sprężynkowego (sping exchange) pomiędzy fazą magnetycznie miękką heksaferrytu SrFe₁₂O₁₉ i fazą magnetycznie twardą spinela CoFe₂O₄. [A. Hilczer et al. Mater. Sci. Eng., B, 207, 47, (2016)]
• Wyjaśnienie mechanizmów relakasacji dielektrycznej oraz przewodnictwa elektrycznego w multiferroiku BiFeO₃ otrzymanym metodą hydrotermalną wspomagana mikrofalowo [K. Chybczyńska et al. J. Alloys Compd. 671, 493 (2016)].
• Wykazanie, iż we własnościach magnetycznych wodorowanego antracytu dominuje magnetyzm Pauliego związany z elektronami przewodnictwa. Paramagnetyzm typu Curie pochodzi natomiast od elektronów zlokalizowanych na ziarnach antracytu. [K. Tadyszak et al. Carbon 94, 53, (2015)].
• Wyjaśnienie mechanizmu przewodnictwa elektrycznego ceramik (1-x)Ba_0.95Pb_0.05TiO_3+xCo₂O₃, które w wysokich temperaturach zdominowane jest przez migrację tlenu pomiędzy wakansami powstającymi wskutek podstawienia jonów Co³⁺. Dla tych materiałów potwierdzono również istnienie słabego sprzężenia elektromagnetycznego [R. Bujakiewicz-Korońska et al. Ceram. Int. 41, 3983, (2015)].
• Opracowanie metody mikrofalowo aktywowanej syntezy hydrotermalnej pozwalającej otrzymywać nano- i mikrokryształy ferroików (magnetytu Fe₃O₄, hematytu Fe₂O₃ M-heksaferrytów Sr(Ba)Fe₁₂O₁₉) oraz multiferroików (BiFeO₃) o dokładnie kontrolowanej stechiometrii i morfologii (płatki, sześciany, sfery, nanokwiaty itd.) [K. Chybczyńska et al., J. Mater. Sci. 49, 2596 (2014)]
• Identyfikacja źródła pochodzenia fazy nieuporządkowanej w krystalicznych układach protonowo przewodzących otrzymanych na bazie organicznych kwasów dwukarboksylowych oraz molekuł heterocyklicznych. Potwierdzenie, że rzeczywistym źródłem fazy nieuporządkowanej są granice ziaren, a molekuły heterocykliczne w silnie zdefektowanej sieci krystalicznej wykazują znacznie większą lokalną dynamikę molekularną niż w uporządkowanych obszarach wewnątrz ziarnowych [K. Pogorzelec-Glaser et al., CrystEngComm 15, 1950 (2013)]
• Wyznaczenie uporządkowania i dynamiki molekularnej ferroelektrycznych polimerów PVDF oraz P(VDF/TrFE)(50/50) w nanokanałach porowatej matrycy trójtlenku glinu [B. Hilczer et al., App. Phys. Lett. 100, 052904 (2012)]
• Zgłoszenia patentowe P.407222 Sposób wytwarzania kompozytów multi-włóknistych oraz P.407227 Sposób wytwarzania drutów ze splotów kompozytowych dokonane wspólnie z Instytutem Metali Nieżelaznych w Gliwicach.

• Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Praga, Republika Czeska
• Institute of Solid State Physics, Solid States Electrolytes Department, Institute of Electrochemistry and Energy Systems, Bulgarian Academy of Sciences, Sofia, Bułgaria
• Northern Illinois University, DeKalb, Stany Zjednoczone
• University of Latvia, Ryga, Łotwa
• Centrum NanoBioMedyczne UAM, Poznań
• Instytut Metali Nieżelaznych, Gliwice
• Instytut Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych we Wrocławiu
• Instytut Ochrony Roślin - Państwowy Instytut Badawczy
• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, Warszawa
• Opolski Uniwersytet Technologiczny w Opolu
• Politechnika Poznańska, Poznań
• Politechnika Rzeszowska, Rzeszów
• Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu
• Uniwersytet Medyczny, Poznań
• Uniwersytet Pedagogiczny im. Komisji Edukacji Narodowej w Krakowie

Cele badawcze

Realizowane są dwa główne cele badawcze. Pierwszy z nich nakierowany jest na badania nowoczesnych materiałów węglowych (GO, RGO, nano-diamenty, włókna węglowe) w obszarach spintorniki i elektroniki molekularnej oraz możliwości wykorzystania tych materiałów w obszarach energetyki (konwersja energii, superkondensatory i separacja izotopu He3). Drugi z celów dotyczy badań polarnych stanów w kwantowych paraelektrykach.

Profil badawczy

Działalność naukowa związana jest z badaniami niskotemperaturowymi w obszarze fizyki ciała stałego: przemian fazowych, nadprzewodnictwa, nanoukładów węglowych oraz fizyki cieczy kwantowych: 4He i 3He. Tematy badawcze realizowane są z wykorzystaniem następującej aparatury naukowej: spektrometru elektronowego rezonansu paramagnetycznego (4.2 - 300 K), układu do pomiarów dielektrycznych, podatności magnetycznej i zjawisk transportu: przewodnictwa elektrycznego i cieplnego z kriostatem wykorzystującym He3 (0.3 - 300 K) oraz spektrometru mas (detekcja koncentracji na poziomie 10^-3 ppm mas z zakresu 1 - 128 amu) pracującego w układzie do separacji izotopu He3 z ciekłego helu.

Programy badawcze

• Projekt MNiSW - Nanoukłady węglowe dla elektroniki molekularnej i spintroniki (2010-2013), kierownik - dr hab. W. Kempiński, prof. IFM PAN,
• Projekt NCN - Niskotemperaturowe badania polarnych stanów w kwantowym paraelektryku K_1-xLi_xTaO₃ (2011-2015), kierownik - prof. Z. Trybuła,
• Projekt NCBiR - Pozyskiwanie izotopu 3He z ciekłego 4He (2012-2016), grant realizowany w ramach konsorcjum: IFM PAN - PGNiG S.A. Odział w Odolanowie - PWr, lider projektu - IFM PAN, kierownik - dr hab. W. Kempiński, prof. IFM PAN.

Osiągnięcia naukowe

• Badania EPR i XPS  tlenku grafenu (GO) oraz zredukowanego tlenku grafenu (RGO) w postaci czystej oraz domieszkowanej wybranymi molekułami pozwoliły przeanalizować zjawisko lokalizacji ładunku i spinu w tych materiałach i określić ich wysoką czułość na obecność molekuł gościa,
  [M. Kempiński et al., Appl. Phys. Lett. 111 (8) 084102 (2017)],
• Zagadnienia związane z konwersją energii wytyczają główne kierunki badań w zakresie materiałów węglowych. W materiałach kompozytowych grafitowego azotku węgla opisany został odwrotny efekt fotoelektryczny,
  [M. Seredych, Sz. Łoś, et al., Chem. Sus. Chem 9 (2016) 795],
• Na podstawie temperaturowych badań liniowej i nieliniowej podatności dielektrycznej wykryto istnienie polarnych nanoobszarów w czystym kwantowym paraelektryku KTaO₃ poniżej temperatury 40K,
  [Z. Trybuła et al. Sol. State Commun. 209-210, 23 (2015)],
• Systematyczne badania kryształu K_1-xLi_xTaO₃ pozwoliło na zaproponowanie mechanizmu powstania stanu ferroelektrycznego dla x>0,22,
  [Z. Trybuła, et al. Mat. Res. Bull., 84, 298-302 (2016); Z. Trybuła, et al. Phys. Stat. Solidi B 253, No 6, 1076-1081 (2016)],
• Polaryzacja spontaniczna powstaje w wyniku przesunięcia względem siebie jonów tantalu i tlenów w otoczeniu oktaedrycznym. Mechanizm ten umożliwia domieszka jonów litu, które zmniejszają wartość pola depolaryzacyjnego. Wyjaśniono także mechanizm dodatniej wartości trzeciego nieliniowego współczynnika podatności dielektrycznej χ3, którego przebieg temperaturowy określa charakter przejścia fazowego. Pokazano także, że w tej grupie kryształów ma miejsce współistnienie stanu ferroelektrycznego i relaksorowego,
  [Sz. Łoś, et al. J. Phys. Chem. A 120, 8970-8975 (2016), Z. Trybuła et al. Phase Transitions 89 (7-8) 794-802 (2016)],
• Szerokie spectrum technik eksperymentalnych stosowanych w badaniach zjawiska lokalizacji i transportu elektrycznego w nanomateriałach węglowych zawarto w pracy:
  [W. Kempiński et al. Beilstein J. Nanotechnol. 5 (2014) 1760-1766],
• W oparciu o badania EPR i czteropunktowego przewodnictwa elektrycznego zaproponowano model przewodnictwa przeskokowego dla układów aktywowanych włókien węglowych,
  [M. Kempiński et al., Appl. Phys. Lett. 88, 143103 (2006), W. Kempiński et al. Carbon 57, 530 (2013)],
• Zbadano wpływ promieniowania ultradźwiękowego na strukturę kryształów grafitu i możliwość otrzymania przy jej pomocy pojedynczych płaszczyzn grafenowych. Metoda może być wykorzystana jako alternatywna i tańsza względem metod chemicznych lub innych fizycznych, obecnie stosowanych,
  [Sz. Łoś et al., Micropor. Mesopor. Mat. 130, 21 (2010), Sz. Łoś et al. Carbon 55, 53 (2013)],
• W latach 20013-2016 Zakład Fizyki Niskich Temperatur realizował trzy projekty badawcze. Jeden z projektów został zakończony w roku 2013, dwa pozostałe w latach 2015 -2016. Każdy z projektów finansowany był z oddzielnego źródła: NCN, MNiSW oraz NCBiR. Dużym sukcesem było zawiązanie Konsorcjum Naukowego, w skład którego weszły trzy podmioty: IFM PAN, PGNiG S.A. w Warszawie, Oddział w Odolanowie i Politechnika Wrocławska. Liderem Konsorcjum został IFM PAN. W ramach tego projektu podjęto próbę wzbogacenia mieszaniny He4/He3 w izotop He3. Pozytywne wyniki uzyskano zarówno w badaniach laboratoryjnych (układ do separacji statycznej) jak i przemysłowych (separacja dynamiczna w separatorze przepływowym). Projekt PiHe3 realizowany był z udziałem jedynego producenta ciekłego helu w kraju i w Europie - PGNiG S.A. w Warszawie, Oddział w Odolanowie,
  [M. Chorowski et al. Cryogenic Engineering,  Book Series: AIP Conference Proceedings 1573 (2014) 276-284].

Badania Zakładu koncentrują się na poznawaniu mechanizmów tworzenia i stabilizacji faz ciekłokrystalicznych. Prowadzona jest analiza wpływu różnych czynników (pole elektryczne, temperatura, defekty, domieszkowanie polimerowe, oddziaływania powierzchniowe) na własności fizyczne ciekłych kryształów. Ponadto rozwijane są metody symulacji komputerowych ze szczególnym uwzględnieniem symulacji układów cząsteczek miękkiej materii.

W Zakładzie prowadzone są badania mezofaz: nematyków, smektyków, cholesteryków, sfrustrowanych faz chiralnych (TGB, BP), ferro- i antyferroelektrycznych smektyków oraz superstruktur liotropowych opartych na celulozie. Obejmują one charakterystykę własności strukturalnych, termodynamicznych, optycznych, dielektrycznych, elektrooptycznych i lepko-sprężystych w funkcji częstotliwości i natężenia pola elektrycznego, składu oraz temperatury. Wykonuje się również modelowanie miękkiej materii i cieczy prostych metodami symulacji komputerowych (dynamiki molekularnej MD, dynamiki brownowskiej BD, Monte Carlo MC).

Przykłady realizowanych zagadnień

1. Własności strukturalne, dielektryczne, lepko-sprężyste i elektrooptyczne w chiralnych ciekłych kryształach, ze szczególnym uwzględnieniem faz błękitnych.
2. Zagadnienie samoorganizacji w układach miękkiej materii (ciekłych kryształach, koloidach).
3. Badania nieliniowych efektów dynamicznych w stabilizowanych powierzchniowo ciekłych kryształach.
4. Wpływ oddziaływań powierzchniowych na własności fizyczne cienkich ciekłokrystalicznych układów smektycznych .
5. Rozwijanie metod symulacji komputerowych (MC, MD, BD): termostatów deterministycznych oraz metod symulacji układów cząsteczek w warunkach silnych ograniczeń przestrzennych.  
6. Symulacje własności strukturalnych, termodynamicznych i dynamicznych modelowych układów miękkiej materii i cieczy prostych.
7. Badania układów warstwowych typu ciekły kryształ /celuloza.

Programy badawcze

• Projekt statutowy - Własności fizyczne cienkich warstw ciekłokrystalicznych (2016-2018), kierownik - dr hab. A.C. Brańka, prof. IFM PAN
• Projekt NCN (OPUS 13) - Własności elastyczne ciekłokrystalicznych faz błękitnych (2018 - 2021), kierownik - dr hab. A.C. Brańka, prof. IFM PAN
• Projekt NCN (MINIATURA 1) - Wytworzenie i charakterystyka układów nanokrystaliczna celuloza/ciekły kryształ (2017/2018), kierownik - dr inż. N. Bielejewska
• Udział w projekcie LIDER (Edycja VII) realizowanym przez Instytut Technologii Drewna - Nowe spoiwa biopolimerowe modyfikowane silanami oraz cieczami jonowymi do zastosowań w technologii tworzyw drzewnych (2017 - 2019), główny wykonawca - dr inż. N. Bielejewska
• Projekt NCN (OPUS 3) - Stany stacjonarne w przestrzennie ograniczonych układach mikroskopowych: mikroszczeliny akustyczne i stymulowane cząsteczki mikrożelowe w mikrokanałach (2013 - 2016), kierownik - dr hab. A.C. Brańka, prof. IFM PAN
• Projekt MNiSW - Identyfikacja nowego rodzaju fazy de Vries’a (2010 - 2014), kierownik - dr hab. J. Hoffmann, prof. IFM PAN