Tehnologija za materiale prihodnosti

Površina materiala narekuje funkcionalne lastnosti izdelka, njegovo interakcijo z okolico in je pogosto vzrok za delovanje ali nedelovanje določenega procesa. Površinska in elektrokemijska analiza omogočata pridobivanje novih informacij na celični ravni, analizo vključkov in poškodb v kovinskopredelovalni industriji ter analizo novih funkcionalnih materialov.

Predstavljamo si lahko materiale, ki se uporabljajo v medicinske namene in potrebujejo skrbno kontrolo površine, ki je v stiku s človeškim tkivom. Razvoj tovrstnih materialov je bistven za doseganje izboljšane biokompatibilnosti, mehanskih lastnosti in ustreznih medicinskih oziroma farmakoloških učinkov, na primer pri sproščanju zdravilnih učinkovin iz bioaktivnih prevlek. Ne glede na aplikacijo je površinska analiza ključnega pomena za razumevanje sestave in strukture površine obstoječih materialov in njihovo morebitno optimizacijo v prihodnosti.

Raziskave Laboratorija za analiz­no kemijo in industrijsko analizo na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Mariboru (FKKT UM) obsegajo elektrokemijske analize, površinsko analizo, spektroskopijo, kemometrijo ter razvoj in validacijo kromatografskih analiznih metod. V sklopu projekta RIUM smo v laboratoriju pridobili vrhunsko raziskovalno opremo za napredne analize raz­novrstnih materialov, ki vključuje večkanalne potenciostate/galvanostate in najnovejšo raziskovalno opremo za površinsko analizo.

S tem smo vzpostavili edinstven laboratorij za površinsko analizo z rentgensko fotoelektronsko spektroskopijo (XPS), tandemsko masno spektrometrijo sekundarnih ionov z analizatorjema na čas preleta (MS/MS ToF-SIMS) in elektrokemijsko mikroskopijo na atomsko silo (E‑AFM).

Doktorski študenti intenzivno uporabljajo novo pridobljeno opremo. FOTO: arhiv UM

S tehniko XPS je mogoče določiti elementno sestavo debeline prvih nekaj nanometrov vzorca in okolje elementov – njihovo oksidacijsko stanje in kemijske vezi na površini. Uporabljamo jo lahko za študij in napredne analize različnih materialov, ki so obstojni v ultravisokem vakuumu (tanke plasti, praški, nanodelci, za analizo površinskih plasti večplastnih materialov). Z umestitvijo instrumenta XPS podjetja Kratos iz Velike Britanije v Laboratorij za analizno kemijo in industrijsko analizo smo prvi v Sloveniji razpolagali z ionskim izvorom klastrov plina argona za analizo XPS in kemijsko nedestruktivno jedkanje organskih snovi za globinsko profiliranje, tj. spremljanje elementne sestave v globlje plasti organskih snovi z visoko zanesljivostjo.

Raznovrstnost zmožnosti površinske analize smo dopolnili z instrumentom MS/MS ToF-SIMS nemškega podjetja IONTOF. Tehnika MS/MS ToF‑SIMS je popolna novost v slovenskem prostoru in je zelo redko dostopna tudi v evropskem prostoru. Gre za tehniko, ki dopolnjuje informacije, pridobljene z instrumentom XPS. Ob informaciji o elementni sestavi pridobimo tudi molekulsko specifične informacije. Tehnika temelji na obstreljevanju površine vzorcev z visokoenergijskimi bizmutovimi ioni, kar povzroči nastanek sekundarnih ionov (od tod ime tehnike), ki nosijo bogate informacije o površini vzorca. Tandemska izvedba omogoča dodaten razpad iona na fragmente in tako večjo zanesljivost pri določanju strukture organskih komponent na površini materialov nekaj nanometrov globoko. Poleg določitve sestave instrument omogoča tudi pridobivanje informacij o površinski in globinski porazdelitvi molekul z izdelavo 2D-slik površine (angl. imaging) z visoko prostorsko ločljivostjo in 3D‑slik materiala z elementno in molekulsko specifično informacijo. Prednost tehnik XPS in MS/MS ToF-SIMS je tudi analiza trdnih vzorcev brez posebne predpriprave, kot je to značilno za mokre postopke kemijske analitike.

Zagotavljanje konkurenčnosti

Za preiskovanje snovi na atomski ravni smo v laboratoriju pridobili tudi instrument E-AFM podjetja Asylum (Oxford Instruments) iz Velike Britanije. Njegova posebnost je elektrokemijski modul, ki omogoča sočasno izvajanje elektrokemijskih meritev in meritve AFM. S tehniko AFM je mogoče preiskovanje snovi na atomski ravni in med drugim karakterizacija hrapavosti ter določanje topografije površine vzorcev.

Novo opremo smo v laboratorij dokončno umestili aprila letos in jo že intenzivno uporabljamo pri temeljnih raziskavah v okviru raziskovalnega programa Tekstilna kemija in napredni tekstilni materiali (P2-0118), mednarodnega raziskovalnega projekta s Kitajsko, pri raziskavah za različne evropske raziskovalne institucije ter v projektih v okviru sodelovanja s podjetji. V nekaj mesecih smo že izvedli analize za slovensko in tujo industrijo (Cinkarna Celje, Impol, BSH – Bosch, BIA Separations, TDK Electronics GmbH & Co OG …).

Veliko zanimanje domačih in tujih podjetij za uporabo tovrstne opreme pri raziskavah v okviru njihovih razvojnih projektov tako kmalu po njeni umestitvi v laboratorij dokazuje nujnost in potrebnost vrhunske raziskovalne opreme, s čimer se odpirajo nove možnosti za razvoj proizvodov z visoko dodano vrednostjo. Nova raziskovalna oprema prav tako pomembno prispeva k še večji globalni konkurenčnosti Univerze v Mariboru in možnosti pridobitve vrhunskih znanj na področju kemijske analize tudi za študentke in študente Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Mariboru in širše.

———

Izr. prof. dr. Matjaž Finšgar je vodja Laboratorija za analizno kemijo in industrijsko analizo na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Mariboru.