Page name: ARRSProjekti / 2021 / Magnetno odzivne površine za manipulacijo svetlobe in tekočin

Magnetno odzivne površine za manipulacijo svetlobe in tekočin

Nazaj na seznam za leto 2021


Oznaka in naziv projekta

J1-3006 Magnetno odzivne površine za manipulacijo svetlobe in tekočin
J1-3006 Magneto Responsive Surfaces for Manipulation of Light and Liquids

Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev

© Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije

Projektna skupina

Vodja projekta: Irena Drevenšek Olenik

Sodelujoče raziskovalne organizacije: Povezava na SICRIS

Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS

Vsebinski opis projekta

Vsebinski opis projekta

Cilj tega projekta je načrtovati, izdelati in raziskati magnetno odzivne površine na osnovi magnetoaktivnih elastomerov (MAE) ter proučiti njihovo potencialno uporabo v optičnih napravah in mikrofluidičnih sistemih. MAE so elastomerne snovi, sestavljene iz mehke polimerne matrice z vgrajenimi mikrometrskimi feromagnetnimi delci. Znani so tudi kot magnetoreološki elastomeri (MRE) in jih pogosto dojemajo kot trdne analoge magnetoreoloških tekočin. Do zdaj je bila večina raziskav o MAE osredotočena na njihove lastnosti v notranjosti materiala. V zadnjem času pa so ugotovili, da se tudi površinske lastnosti MAE bistveno spremenijo v magnetnem polju, kar je odprlo novo nastajajoče raziskovalno podpodročje, povezano z njimi.

Glavni mehanizem magnetno nastavljivih površinskih lastnosti MAE so spremembe njihove površinske hrapavosti zaradi magnetnega polja. Zaradi te lastnosti so MAE odličen kandidat za magnetno odzivne površinske premaze z dinamično nastavljivimi lastnostmi. Glavni cilj predlaganega projekta je razvozlati medsebojno delovanje fizikalnih, kemijskih in strukturnih procesov, ki omogočajo aktivno regulacijo površinske topografije mehkih MAE (nestrukturiranih in mikrostrukturiranih) z zunanjim magnetnim poljem. Dodatna cilja sta ugotoviti, kako spremembe površine, ki jih povzročajo magnetna polja, vplivajo na interakcijske lastnosti mehkih MAE z nekaterimi izbranimi tekočinami in z optičnim sevanjem, ter raziskati nekatere magnetno odzivne površinske pojave, ki bi lahko bili zanimivi za nove tehnološke aplikacije. Raziskave bodo temeljile na sistematični eksperimentalni analizi izbranih lastnosti in pojavov. Osrednji cilj tega temeljnega projekta je doseči temeljito razumevanje odvisnosti med strukturo materiala MAE, njegovimi površinskimi lastnostmi in lastnostmi z njimi povezanih pojavov površinske interakcije.

Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani SICRIS.

Faze projekta in opis njihove realizacije

1. Faza

Delovni sklop 1: 'Sinteza materiala in karakterizacija površinskih lastnosti (1m -24 m)

Postopek sinteze MAE na osnovi mehkega polidimetilsiloksana (PDMS) z dodanim mikrometrskim prahom karbonilnega železa (CIP), ki deluje kot magnetno polnilo, bo sledil znani recepturi objavljeni v literaturi. Ustrezno mehkobo matrice dobimo z natančnim uravnavanjem razmerja molskih koncentracij vinilnih in hidridnih skupin v začetni mešanici. MAE z različnimi lastnostmi bomo dobili s spreminjanjem različni parametrov v postopku njihove izdelave. Načrtujemo spremembo koncentracije in velikosti delcev polnila, njihove površinske prevleke (hidrofilne, hidrofobne) in njihove prostorske porazdelitve znotraj matrike v ničelnem polju. Na slednje bo vplivala prisotnost/odsotnost statičnega magnetnega polja med postopkom strjevanja. Če je MAE strjen v odsotnosti magnetnega polja, se delci naključno porazdelijo v matriki. Če strjevanje poteka v prisotnosti magnetnega polja, se delci poravnajo v smeri silnic in tako dobimo anizotropni MAE.

Naloga 1.1. - Določanje sprememb površinske hrapavosti MAE z različnimi sestavami pod vplivom magnetnega polja

Naloga 1.2. - Analiza korelacij med spremembami hrapavosti površine, ki jih povzroča magnetno polje, in spremembami reoloških lastnosti vzorca'

2. Faza

Delovni sklop 2: 'Interakcijski pojavi na nestrukturiranih površinah MAE (7m-32 m)

Ko na MAE deluje magnetno polje, se delci karbonilnega železa, ki močno absorbirajo optično sevanje, premaknejo proti površini. To povzroči močno zmanjšanje površinske odbojnosti z naraščajočim magnetnim poljem. Poleg tega se zaradi povečane hrapavosti površine zrcalni odsev spremeni v difuzni odsev. Sprememba hrapavosti in površinske strukture MAE vpliva tudi na njihove omakalne lastnosti. Načrtujemo meritve statičnega, napredujočega in umikajočega kontaktnega kota kapljic vode in nekaterih drugih tekočin (npr. etanola), deponiranih na površino filmov MAE. Dodatna lastnost, ki jo bomo raziskali, je oprijem kapljic na površino v odvisnosti od magnetnega polja. Pričakujemo, da bomo z magnetno induciranimi spremembami površinske hrapavosti lahko dosegli preklapljanje med učinkom listov lotosa (močno odbijanje) in vrtnice (močan oprijem).Ta lastnost je bistvenega pomena pri aplikacijah na površinah, kot so razkuževanje, samo-čiščenje itd. Analizirali bomo tudi pljuskanje kapljic na površino MAE ob prisotnosti različno močnih magnetnih polj.

Naloga 2.1. - Raziskave površinskih optičnih lastnosti

Naloga 2.2. - Preučevanje omakalnih lastnosti površine

Naloga 2.3. - Karakterizacija značilnosti pljuskanja kapljic na površino'

3. Faza

Delovni sklop 3: 'Interakcijski pojavi na mikrostrukturiranih površinah MAE (25m -36m)

Z magnetnim poljem povzročena plastičnost (učinek spomina oblike) MAE omogoča izdelavo površinskih mikrostruktur z vtiskovanjem. Mikrostrukturni vzorec vztraja, dokler je prisotno magnetno polje. Ko magnetno polje izklopimo, pa vzorec izgine. To se zgodi zaradi obnovljene elastičnosti materiala, ki površino poravna nazaj v prvotno obliko. Načrtujemo raziskavo stabilnosti in ponovljivosti opisanega pojava. Opisani pojav bomo raziskali z vidika njegovih možnih aplikacij v magnetno rekonfigurabilnih difraktivnih optičnih elementih (DOE), optičnih senzorjih na dotik itd. Druga možnost za izdelavo mikro vzorcev na površini MAE je njihova neposredna izdelava z metodo direktnega strukturiranja z laserskim žarkom. Zaradi črne barve MAE močno absorbirajo lasersko sevanje in posledično površinska ablacija materiala poteka na območjih, ki jih osvetljuje laserski žarek. Načrtujemo izdelavo struktur v obliki pilastrov z različno višino in medsebojno razdaljo ter raziskave njihove dinamične preusmeritve s spreminjanjem magnetnega polja. Analizirali bomo tudi učinkovitost tovrstne konfiguracije za realizacijo različnih elementov za uporabo v mikrofluidnih sklopih, kot so mikročrpalke ali transporterji kapljic.

Naloga 3.1. - Raziskovanje rekonfigurabilnih optičnih uklonskih struktur

Naloga 3.2. - Analiza magnetno regulativnih struktur za mikrofluidne sklope'

PROJEKTNA SKUPINA: Za dosego navedenih ciljev nujna kombinacija komplementarnega raziskovalnega znanja. Eden od ciljev predlaganega projekta je zato tudi sinergična združitev dejavnosti več raziskovalnih skupin z različnim ozadjem. V ta namen se bo na instituciji koordinatorici (Institut J. Stefan (IJS), Ljubljana) skupina vodje projekta (PI) z izkušnjami na področju optike in fizike mehke snovi (skupina I. Drevenšek-Olenik, skupina JSI-F7, http://www-f7.ijs.si/ ) povezala s skupino s kemijskega odseka, ki ima strokovno znanje o sintezi in manipulaciji z magnetnimi materiali (skupina D. Makovca, skupina JSI-K8, http://www.ferrites.si/ ). Poleg tega bosta v projekt vključeni dve raziskovalni skupini s sodelujoče organizacije (Univerza v Ljubljani (UL)), ena s strokovnim znanjem o mikrofluidnih sistemih (skupina N. Ostermana, skupina UL-FMF, https://www.fmf.uni-lj.si ) in druga s strokovnim znanjem na področju strukturiranja površin in karakterizacije površin materialov (skupina M. Jezerška, skupina UL-FS, https://web.fs.uni-lj.si/lasteh/). Poleg tega bo v raziskave vključena tuja sodelujoča skupina s širokim strokovnim znanjem o reoloških, električnih in magnetnih lastnostih MAE (skupina M. Shamonina, iz Regensburga, https://www.oth-regensburg.de/ ).

Bibliografske reference


Nazaj na seznam za leto 2021