Цели и хипотези
Целта на настоящия проект е детайлно и систематично изследване на условията за синтез на еднофазни и полифазни пигменти в системата АBМ2O6, където М=Si, Al; A=Ca, Na; B=Mg, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Al, TR (La, Pr, Nd, Er) – диопсид и авгитова пироксенова матрица, изследване на влиянието на хромофорните примеси върху параметрите на синтез, фазовия състав, цвета, структурните и физико-химични характеристики и свойствата на получените керамични пигменти. Свойствата, които представляват интерес са определяне на цветовите характеристики, както са дефинирани от международната комисия CIE, оптичното пропускане и поглъщане в широк диапазон (от 0.2 дo 5 µm), коефициент на отражение и др.
Главната хипотеза заложена в проекта е, че чрез дотиране с подходящи примеси и чрез правилно прилагане на външни въздействия може контролируемо да се променят оптичните параметри на материала, така че да се получат нови цветове пигменти, както и да се променят някои физични свойства.
Дефектите обикновено се образуват в процеса на кристалния растеж (нестехиометрични /собствени дефекти); при окисляване/редукция (термо-химични дефекти); при дотиране с подходящи примеси (несобствени дефекти). Важните характеристики на хромофорните примеси са тяхната концентрация и пространствено разпределение, валентното състояние в зависимост от симетрията на позицията му в кристалната решетка. Основният принцип за модифициране на свойствата чрез включване на примеси е, че по този начин се нарушава идеалната кристална структура и междуатомните взаимодействия в нея, при което се променят плътността на енергията на електронните и вибрационните състояния.
Друга работна хипотеза, която ще бъде проверена в рамките на проекта е доказване възможността за оползотворяване на отпадни продукти при синтеза на диопсидови керамични пигменти. На база на досегашния ни опит и на проведената литературна справка ще насочим нашите усилия за оползотворяване на два вида отпадъци – катализатори от нефтопреработвателните предприятия и ванадиева контактна маса от производство на сярна киселина.
Подходи за постигане на изследователските цели, включително и интердисциплинарност на проектното предложение
Една от целите на проекта е прилагането на комбиниран научен подход и стратегия за изучаване на ефекта на различните примесни елементи (концентрация, валентно състояние, йонен радиус, кристалографска позиция, електронни състояния) върху структурата и оптичните свойства на пигментите. Eдновременно ще се анализират съответните рентгено-дифракционни данни, вибрационни спектри (Раманови и инфрачервени), спектри на оптично поглъщане в UV-VIS-NIR – диапазона, електронен парамагнитен резонанс, фотолуминесцентни спектри, цветови координати. Такъв подход прави възможно изследването на три съществено различаващи се области на енергията на взаимодействие в средата: (1) фононни взаимодействия, чувствителни към структурата на материала (атомна координация, междуатомни силови константи, топология на средата, др.); (2) електронни преходи между плитки нива, чувствителни към кристалното поле, наличието на дефекти, примесни атоми и др. и (3) електронни преходи, чувствителни към валентното състояние на йоните, които модифицират структурата. Задачите при изпълнение на проекта и тяхното решаване от отделни екипи и лаборатории са описани подробно в плана за изпълнение.
Колективът има подписан предварителен договор за създаване на консорциум от 2 научни институции. В проектът е планирано сериозно съдрудничество между колегите от Русенски Университет „Ангел Кънчев” и Института по минералогия и кристалография „Акад. Иван Костов“ и чуждестранните участници от Институт по неорганична химия, Чешка академия на науките и от Държавния химико-технологичен университет на Украйна, Днепропетровск.
Изследванията, свързани с получаване на различни видове керамични пигменти и изследване на тяхната структура и свойства имат комплексен характер. Освен специалистите от катедра „Химия и химични технологии”, които познават технологиите свързани със синтез на нови материали, ключово е участието на изследователи от катедрите по „Технология на материалите и материалознание”, катедра „Екология и Опазване на Околната Среда” и др. За моделиране на процесите ще бъдат привлечени специалисти от катедра Компютърни и Информационни технологии и Централна Научно-Изследователска Лаборатория на Университет Русе.
Екипът от Институт по минералогия и кристалография- ИМК-БАН ще извърши пълното характеризиране на получените керамики като определи фазовия състав чрез прахова ренгенова дифракция (XRD) и уточнения по метода на Ритвелд; морфоложки характеристики чрез сканираща електронна микроскопия и химически състав чрез SЕМ -EDS и WDS анализи и LA-ICP-MS, Рентгенофлуоресцентен анализ, трансмисионна електронна микроскопия-образи на високо разделяне и електронна дифракция; влияние на примесните йони върху структурните характеристики и вибрационните състояния чрез инфрачервена и Раманова спектроскопия; оптичните характеристики в UV-VIS-NIR диапазона, термични свойства и др. За някои от необходимите анализи (ЕПР спектроскопия, рентгенова емисионна спектроскопия (XES), фотоелектрични свойства и др.) ще бъдат използвани външни лаборатории.