Uniwersytet Śląski w Katowicach

Naukowcy z Uniwersytetu Śląskiego zaproponowali nowy sposób przeprowadzenia reakcji wymiany protonowej w monokryształach podwójnych tlenków niobianu litu i tantalanu litu przy zastosowaniu dotychczas nieużywanych reagentów. Skonstruowali również aparaturę służącą do wymiany protonowej, złożoną głównie ze szklanych elementów, niezbędną do prowadzenia reakcji chemicznej w roztworach stężonych kwasów nieorganicznych. Dzięki niej mogą zmieniać właściwości badanych ciał stałych poprzez modyfikację ich warstwy powierzchniowej oraz wnętrza, materiały te znajdują zastosowanie m.in. w optoelektronice. Nowatorski sposób przeprowadzenia reakcji oraz zestaw aparaturowy zostały objęte ochroną patentową.

Naukowcy pracujący w Zakładzie Fizyki Ferroelektryków zajmują się głównie badaniem właściwości elektrycznych mono- i polikryształówo o modyfikowanych składach chemicznych. Zaprojektowany układ służy do przeprowadzania reakcji wymiany protonowej w tych materiałach. Zestaw aparaturowy został skonstruowany na potrzeby badań naukowych prowadzonych przez mgr Irenę Gruszkę, dr Julitę Piechę i dr. hab. Andrzeja Molaka. Były one realizowane w ramach rozprawy doktorskiej dr Julity Piechy, pisanej pod kierunkiem dr. hab. Andrzeja Molaka z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Śląskiego.

– Reakcja wymiany protonowej w przeprowadzanym przez nas eksperymencie polegała na wymianie jonowej zachodzącej w monokryształach niobianu litu LiNbO₃ oraz tantalanu litu LiTaO₃ przy zastosowaniu wymagającego reagenta, jakim był kwas azotowy – jeden z najsilniejszych nieorganicznych kwasów tlenowych – wyjaśnia mgr Irena Gruszka z zespołu patentowego. Jak dodaje, do przeprowadzenia reakcji chemicznej zostały użyte specyficzne, wymagające materiały. Z jednej strony należało bowiem zmodyfikować niezwykle trwałe monokryształy, z drugiej – zastosowany stężony kwas azotowy jest reagentem żrącym, silnie korodującym. W związku z tym konieczne okazało się zaprojektowanie nowej aparatury, nieodzownej w przypadku reakcji prowadzonych w środowisku stężonym, wykonanej przede wszystkim ze szkła odpornego na działanie kwasów.

– Tematem mojej rozprawy doktorskiej były badania warstwy powierzchniowej niobianu litu LiNbO₃. Wiedzieliśmy, że kryształy te cechuje duża mobilność jonów litu, dzięki czemu mogliśmy zmienić skład chemiczny materiału, podstawiając jony litu jonami wodoru – co stanowi istotę procesu wymiany jonowej. Proces ten zachodzi w środowisku stężonego kwasu, na przykład azotowego, dzięki czemu otrzymujemy kryształy o nowych interesujących właściwościach i szerszym zastosowaniu – tłumaczy dr Julita Piecha. Co ważne, w klasycznym ujęciu wymiany protonowej modyfikowana jest warstwa powierzchniowa. Podczas realizacji badań okazało się, że nowa aparatura umożliwia wprowadzanie zmian w głębszych warstwach struktury monokryształu oraz wynikającą z tego dalszą modyfikację właściwości fizycznych i chemicznych materiału.

– Dzięki takim zmianom z pewnością możemy otrzymać kryształy o lepszych właściwościach optycznych i elektrycznych, stąd docelowo stosowane mogą być one w optoelektronice, np. jako światłowody w skali nano – wyjaśnia dr hab. Andrzej Molak. Realizacja badań wymagała także zmiany sposobu przeprowadzenia reakcji, w wyniku której dochodzi do wymiany jonowej w głębszych warstwach kryształu. Jest to proces polegający na kilkukrotnej wymianie stosowanego kwasu nieorganicznego, wydłużenia czasu prowadzenia reakcji oraz związanej z tym kontroli temperatury. Zaprojektowany zestaw został przystosowany do tych potrzeb, gwarantuje bowiem bezpieczną wymianę reagenta, jakim jest stężony kwas azotowy oraz utrzymywanie określonej temperatury środowiska, w którym zachodzi reakcja chemiczna. Interesujący naukowców proces mógł zatem przebiegać w sposób skuteczny i bezpieczny, dodatkowo przy użyciu reagenta o kontrolowanych parametrach.

Aparatura ta może ponadto być wykorzystywana do przeprowadzenia reakcji wymiany protonowej w innego rodzaju materiałach, które wykazują powinowactwo do wymiany jonowej – także z zastosowaniem odmiennego reagenta. – W swoich badaniach zastosowałam jeden z najsilniejszych kwasów tlenowych, jakim jest stężony kwas azotowy. Jeśli przy substancji o tak silnym działaniu korodującym udało się skutecznie i bezpiecznie przeprowadzić reakcję chemiczną, z pewnością zestaw sprawdzi się przy przeprowadzaniu procesu z użyciem kwasów o mniejszej aktywności chemicznej – mówi dr Julita Piecha.

Opatentowany zestaw aparaturowy składa się z trójszyjnej kolby (1) umieszczonej w łaźni olejowej (2), która znajduje się na płycie grzejnej (3), dzięki czemu reakcja może zachodzić w temperaturze powyżej 100°C. Pierwsza szyjka kolby łączy się z ośmiokulkową chłodnicą zwrotną (4), druga – z termometrem (5). Trzecia szyjka natomiast łączy kolbę z drugą częścią aparatury tworzoną przez chłodnicę przepływową (6) oraz adapter (7), a także odbieralnik (8), w którym gromadzony jest zużyty kwas.

Aby przeprowadzić reakcję wymiany protonowej, naukowcy wprowadzali do kolby odpowiednią ilość reagenta w postaci stężonego deuterowanego kwasu azotowego(V) HNO3-D lub stężonego kwasu azotowego(V) HNO3 oraz kryształy niobianu litu LiNbO₃ lub tantalanu litu LiTaO₃. Następnie kolbę podgrzewali w łaźni olejowej, utrzymując układ w zakresie temperatur od 113°C do 118°C. Po upływie określonego czasu kryształy wyjmowane były z kolby, następowała wymiana przereagowanego kwasu na jego nową porcję i cały proces powtarzano aż do zakończenia danego cyklu wymiany jonowej. Co istotne, zestaw aparaturowy i sposób przeprowadzenia reakcji według opatentowanego wynalazku pozwalają na prowadzenie procesu wymiany protonowej w praktycznie nieograniczonym przedziale czasowym.

Autorami patentu są pracownicy Zakładu Fizyki Ferroelektryków Uniwersytetu Śląskiego: mgr Irena Gruszka, dr Julita Piecha oraz dr hab. Andrzej Molak.

Małgorzata Kłoskowicz | Sekcja Prasowa UŚ