Shema de realizare a proiectului 19 15 01 01 - Anul 2019 - Etapa I


Faza nr. 1

Responsabil: Dr. C. Ticoş

Termen de predare: 14.03.2019

Titlu: "Tehnica particle image velocimetry (PIV) pentru studiul colectiv al dinamicii microparticulelor iradiate cu electroni"

Abstract: Tehnica PIV (Particle Image velocimetry) este aplicată pentru studiul dinamicii plasmelor cu microparticule. Efectele cinetice asupra acestor microparticule sunt studiate experimental într-un cristal de plasmă local iradiat de un fascicul de electroni pulsat cu energie de 13 keV și curent de vârf 4 mA. Observăm în stratul superior al cristalului de plasmă formarea unei curgeri stabile de microparticule de-a lungul direcției de iradiere în primele 200 ms ale interacțiunii. Această curgere devine instabilă în timp, microparticulele având traiectorii haotice. Viteza curgerii de microparticule este cartografiată într-un plan orizontal folosind PIV. Energia cinetică a curgerii precum și vorticitatea sa sunt deduse pe baza vectorilor de viteză furnizați de PIV. Un factor de transfer maxim de energie de 0.048 de la fasciculul de electroni este dedus considerând energia cinetică de vârf (625 eV) a curgerii de microparticule. Vortexuri simple și tripolare sunt observate atunci când curgerea devine instabilă.

Abstract grafic:

F1


Faza nr. 2

Responsabil: Dr. A. Stăncălie

Termen de predare: 14.03.2019

Titlu: "Caracterizarea fibrelor optice folosite în sisteme de laseri pe fibră utilizând reflectometru optic în frecvenţă şi analizare de spectru. Realizarea de iradieri cu radiaţie ionizantă a fibrelor şi caracterizarea parametrilor optici (RIA)"

Abstract: În prima fază a proiectului am realizat un studiu comparativ al parametrilor unui laser pe fibră (în configuraţie inelară) în termeni de stabilitate temporală a semnalului şi a puterii de ieşire, folosind fibre de silica dopată cu erbiu (EDF), iradiate în câmp de radiaţii gama sau ne-iradiate. Următorul obiectiv îl constituie obţinerea unui laser în configuraţie aleatoare (random fiber laser) folosind mediu activ fibră optică iradiată.
Am studiat extensiv efectul radiaţiilor ionizante asupra mai multor configuraţii de fibre optice şi senzori pe fibră optică. Alături de senzori tip LPG sau FBG, două tipuri de fibre dopate cu erbium, cu lungime de 5 m, au fost iradiate cu radiaţie gama la doze cuprinse între 200 Gy şi 1kGy. Iradiarea gama s-a făcut la sursa 60Co, în cadrul IFIN-HH, care furnizează un debit între 0.2 şi 0.3 kGy/h. Al doilea iradiator folosit a fost 60Co GC-5000 (BRIT-India) având o cameră de volum 5000 cm3 şi o rată a dozei de 5.7 kGy/h (±1.8 %). Înainte de introducerea fibrelor în configuraţia inelară, ele au fost caracterizate cu un analizor de spectru optic şi cu un reflectometru optic de frecvenţe. Efectul indus de radiaţie (RIA) s-a dovedit a fi liniar cu doza acumulată dar diferit în cazul celor două tipuri de fibre măsurate. Prima fibră EDF a fost M12(980/125) care prezintă un dopaj mare cu erbiu cu înaltă efiecienţă de conversie şi proiectată pentru amplificatori în bandă C de dimensiuni mici. Al doilea tip de EDF studiat a fost I-25(980/128) potrivit de asemenea pentru amplificatori C cu un miez optimizat pentru a permite sisteme de amplificare pe fibre dopate (EDFA) cu densitate mare de canale de lungimi de undă multiplexate. Pentru aceste fibre, vârful de absorbţie al miezului a fost între 16 şi 20 dB/m la 1531nm.
În al doilea set de experimente, fiecare EDF a fost introdusă într-o configuratie inelară laser. Montajul a constat din pompaj EDFA de 980 nm, un cuplor de tip WDM, o fibră iradiată EDF şi un sensor FBG cu lungime centrală de undă 1550 nm conectat la un analizor de spectru optic. Stabilitatea laserului la iesire a fost testată în timp, de la perioade scurte de 30 minute până la 48 ore. Fibrele EDF au fost apoi testate din punct de vedere al modificărilor RIA după pompare laser. A fost observată îmbunătăţirea puterii de ieşire în urma acestor experimente.

Abstract grafic:

F2


Faza nr. 3

Responsabil: Dr. Al. Palla-Papavlu

Termen de predare: 12.04.2019

Titlu: "Depunere prin tehnici laser și caracterizarea morfologico-structurală de materiale active hibride organic‐anorganic"

Abstract: Senzorii pentru detecția compușilor volatili organici pot recunoaște diferiți compuși gazoși în mediul înconjurător, fiind utilizați într-un număr mare de aplicații în viața de zi cu zi. Având în vedere cererea din ce în ce mai mare pentru dispozitive și sisteme de detecție performante, există un interes crescut pentru dezvoltarea și fabricarea de dispozitive de detecție pe bază de filme subțiri. În particular, datorită compatibilității acestor materiale cu tehnologia siliciului bazată pe procese CMOS precum și proprietăţilor electronice, magnetice, optice şi mecanice, integrarea materialelor hibride organice-anorganice în structuri și sisteme de senzori oferă funcții noi și performanțe îmbunătățite.
Materialele organice funcționale includ molecule mici, oligomeri și polimeri, în timp ce materialele hibride includ nanomateriale anorganice (cum ar fi nanotuburile de carbon unidimensionale) combinate cu o matrice organică. Pentru multe aplicații provocarea o reprezintă integrarea filmelor subțiri în dispozitive și sisteme de senzori performante și cu cost redus. Validarea proceselor și tehnicilor de prelucrare cu laserul a materialelor permite producerea de filme subțiri în domeniul de competență al cererilor de tehnologii viitoare. De exemplu, tehnicile depunere laser pulsată, evaporare laser pulsată asistată de o matrice și transfer laser sunt folosite și în cercetările întreprinse în INFLPR, aceaste tehnici de depunere/transfer fiind scalabile și utilizate cu succes pentru creșterea de filme de înaltă calitate, cu o densitate foarte bună.
În cadrul acestei faze, am realizat un montaj experimental de depunere a filmelor hibride organic-anorganic prin tehnica evaporarii laser pulsate asistată de o matrice. Prin optimizări succesive am reușit să obținem filme din materiale hibride polimer:nanotuburi de carbon care pot fi ulterior folosite în fabricarea de senzori. Abordarea aleasă a fost simplă și flexibilă datorită faptului că amestecurile de polimer:nanotuburi de carbon pot fi depuse cu ușurință prin MAPLE, pe o varietate de substraturi fără a fi nevoie de o funcționalizare prealabilă a suprafeței.
Filmele hibride polimer:nanotuburi de carbon depuse prin MAPLE au fost caracterizate și au fost obținute proprietățile lor structurale și morfologice. Prezența nanotuburilor modifică atât topografia cât și chimia suprafețelor. În plus o cantitate mai mare de nanotuburi pe suprafața filmelor subțiri hibride, a condus la o suprafață mai hidrofilă, confirmată prin rezultatele măsurărilor de unghi de contact.
Primele rezultate obținute au fost acceptate spre publicare (în revista Applied Physics A). Obiectivele asumate au fost îndeplinite, iar investigațiile demarate continuă pentru realizarea de senzori pe bază de materiale active hibride organic-anorganic.

Abstract grafic:

F3


Faza nr. 4

Responsabil: Dr. I. Păun

Termen de predare: 12.04.2019

Titlu: "Imprimare laser 3D de materiale compozite biocompatibile"

Abstract: În această etapă a proiectului raportăm fabricarea prin imprimare laser 3D şi testarea în vitor a unor structuri inovative de tip scaffold realizate din materiale compozite biocompatibile, care sporesc capacitatea de mineralizare în celulele de tip osteoblast. Scaffold-urile au fost fabricate prin scriere directă cu laser prin fotopolimerizare cu doi fotoni (Laser Direct Writing via Two Photons Polymerization, LDW via TPP) a unui compozit biocompatibil format din fotopolimerul OrmoCore și nanoparticule magnetice (MNPs). MNPs cu diametrul de 4.9 +/-1.5 nm și cu magnetizare de saturație de 30 emu/g au fost adăugate în fotopolimerul OrmoCore, în concentrații de 0, 2 și 4 mg/ml. Structurile 3D ale scaffold-urilor au fost fabricate cu rezoluție spațială submicrometrică, iar arhitecturile obținute au fost complexe și reproductibile. Distribuția omogenă a MNPs din compozitul OrmoCore/MNPs nepolimerizat a fost menținută și după procesul de fotopolimerizare. Prezența fierului în compozitul polimerizat a fost detectată în concentrații similare cu concentrațiile MNPs din materialul nepolimerizat. Important, MNPs și-au conservat caracterul superparamagnetic. Magnetizările scaffold-urilor cu concentrații de MNPs de 2 și 4 mg/ml au fost de ordinul 10-4 emu și 2x10-4 emu, corespunzând unor magnetizări specifice de 4 emu/g și 17 emu/g, respectiv. De asemenea, MNPs au îmbunătățit rezistența mecanică a scaffold-urilor și au redus contracția acestora de la 80.2 ± 5.3% pentru scaffold-urile fără MNPs, până la 20.7 ± 4.7% pentru scaffold-urile cu concentrație de MNPs de 4 mg/ml. Factorii magnetici intrinseci reprezentați de MNPs încorporate în scaffold-uri și factorii magnetici externi reprezentați de câmpul magnetic static (SMF) de 1.3 T au acționat în sinergie și au promovat mineralizarea celulelor in vitro. Celule de tip osteoblast MG-63 însămânțate pe scaffold-urile expuse la SMF au deformat arhitectura regulată a scaffold-urilor și au mineralizat mai repede în comparație cu celulele nestimulate. Totodată, deformarea scaffold-urilor și mineralizarea celulelor prin expunerea la SMF a crescut cu creșterea concentrației de MNPs. Rezultatele sunt discutate în contextul unor gradienți de câmp magnetic de ordinul 3x10-4 T/m generați local de către MNPs în celule.

Abstract grafic:

F4


Faza nr. 5

Responsabil: Dr. A. Matei

Termen de predare: 12.04.2019

Titlu: "Creşterea şi caracterizarea de filme subțiri de montmorilonit prin tehnici laser"

Abstract: Scopul acestei etape a fost obținerea filmelor subțiri de montmorilonit (MMT) ca suprafețe active pentru aplicații ulterioare în absorbția poluanților organici și anorganici din apele reziduale.
Montmorilonitul este un material lamelar, făcând parte din grupul smectitelor. Proprietățile unice, cum ar fi o suprafață mare activă din punct de vedere chimic, o capacitate mare de schimb cationic (CEC), suprafețe interlamelare cu caracteristici neobișnuite de hidratare (MMT îşi poate crește volumul de mai multe ori în prezența apei), se datorează structurii cristaline şi compozitiei chimice. Depunerea laser pulsată (PLD) și evaporarea laser pulsată asistată de o matrice (MAPLE) sunt tehnicile folosite pentru depunerea filmelor subțiri de montmorilonit. Parametrii de depunere, în special lungimea de undă a laserului şi fluența laser joacă un rol important în compoziția și morfologia filmelor. Topografia probelor a fost investigată prin AFM şi SEM, iar caracterul hidrofil a fost pus în evidentă în urma măsurărilor de unghi de contact. Analizele structurale s-au făcut prin XRD, EDX şi XPS. Structura chimică a fost investigată prin spectroscopie FTIR. S-au obținut filme aderente şi compacte; stoichiometria filmelor poate fi controlată prin varierea parametrilor experimentali esențiali (lungime de undă/ fluență/ metodă laser). Filmele depuse prin tehnici laser sunt hidrofile, cu unghiuri de contact ce pot ajunge sub 10°.

Abstract grafic:

F5


Faza nr. 6

Responsabil: Dr. C. Ristoscu

Termen de predare: 15.05.2019

Titlu: "Substraturi tip implant funcționalizate cu apatită biomimetică prin metode laser"

Abstract: În această fază raportăm obținerea prin evapoarare laser pulsată asistată de o matrice (Matrix-Assisted Pulsed Laser Evaporation (MAPLE)) de straturi subțiri nanocristaline de apatită biomimetică pe substraturi de titan cu potențiale aplicații în ingineria tisulară. Ţintele criogenice au fost obținute din pulberi de apatită slab cristalizată, nanometrică, metastabilă, analoagă osului mineral, obținute printr-un procedeu de sinteză biomimetică prin descompunere dublă. Pentru depunerea unui strat am folosit o sursă laser cu excimeri KrF* (λ= 248 nm și τFWHM ≤25 ns). Analizele au evidențiat existența în pulberile obținute a unei mineralizări de tip labil non-apatitic, asociat cu formarea unui strat hidrat pe suprafața nanocristalelor. Investigatiile asupra filmelor subțiri au arătat că natura chimică şi structurală a pulberilor a fost păstrată după transferul prin MAPLE. De asemenea, comportamentul non-apatitic a fost conservat. Prin acest studiu am demonstrat că tehnica MAPLE este potrivită pentru transferul congruent a materialelor delicate, cum este nanohidroxiapatita biomimetică hidratată.

Abstract grafic:

F6


Faza nr. 7

Responsabil: Dr. C. Gheorghe

Termen de predare: 14.05.2019

Titlu: "Investigarea emisiei în vizibil a ionilor Tb3+ si Tb3+‐Yb3+ în monocristale laser şi ceramici de tip CNGG"

Abstract: Investigaţii spectroscopice pe ionii Tb3+ şi Tb3+‐Yb3+ dopati cu monocristale şi ceramici de tip Ca3(Nb,Ga)5O12 (CNGG) au fost efectuate în scopul evaluării ca materiale laser şi fosfori pentru emisie în vizibil, pentru prima dată. Monocristalele de tip Tb:CNGG şi Tb‐Yb:CNGG au fost crescute prin metoda Czochralski, iar probele ceramice au fost obţinute prin metoda reacţiei în stare solidă. Toate probele au fost investigate din punct de vedere spectroscopic. Pe baza spectrelor de absorbţie şi emisie la temperaturi joase a fost obţinută o schemă parţială de nivele pentru Tb3+ în CNGG. S‐au studiat procesele de transfer de energie (TE) în probele ceramice de CNGG dopate cu ioni Tb, Yb. Au fost evaluate schemele de emisie cu potenţial aplicativ în cazul materialelor investigate.

Abstract grafic:

F7


Faza nr. 8

Responsabil: Dr. A. Popescu

Termen de predare: 14.06.2019

Titlu: "Gravare laser în relief prin placare laser"

Abstract: Această cercetare a presupus inscripţionarea unor obiecte metalice cu caractere în relief prin placare laser. Montajul experimental pentru realizarea acestor experimente a constat dintr-un distribuitor de particule, o sursa laser IR de mare putere şi un braţ robotic. Echipa a reuşit atingerea acestui obiectiv şi a obţinut atât caractere goale cât şi umplute cu material metalic, logouri şi trasee complexe. Materialul ales pentru aceste experimente a fost Ti6Al4V. S-au utilizat două tipuri de substraturi, unul din grafit şi altul metalic din Ti. Depunerile pe grafit au fost grosiere şi au avut aderenţă redusă, însă pe substratul de metal rezoluţia a crescut semnificativ. Pentru a umple caracterele cu metal, pentru braţul robotic s-a trasat o mişcare de tip meandră, cu distanţe între linii cuprinse în domeniul 0.2-2 mm, producând diferite grade de fineţe pentru textura materialului de umplere. O separare de 0.1 sau 0.2 mm între linii a produs o fineţe crescută a umplerii, dar a cauzat acumularea de metal la marginile meandrei, unde robotul încetineşte pentru a schimba direcţia de mişcare. Lungimea minimă a caracterelor a fost de 10 mm, aproximativ egală cu grosimea liniei depuse. La cealaltă extremă, dimensiunea maximă a inscripţionării prin placare laser a fost de ordinul 1 m, limitată de lungimea braţului robotului. Astfel de marcaje laser cu materiale metalice îşi pot găsi utilizarea în publicitate, artă, dar şi în industrie pentru marcarea unor piese, inscripţionarea de coduri sau crearea de elemente de securitate.

Abstract grafic:

F8


Faza nr. 9

Responsabil: Dr. T. Acsente

Termen de predare: 14.06.2019

Titlu: "Optimizarea procesului MSGA (pulverizare magnetron şi agregare în flux de gaz) în vederea controlului dimensiunii nanoparticulelor de W şi a stabilizării ratei de depunere"

Abstract: În cadrul INFLPR (Laboratorul Plasmă de Temperatură Joasă, grupul Procese în Plasmă pentru Materiale Funcţionale şi Suprafeţe) a fost implementat în anii precedenţi un sistem experimental pentru producerea nanoparticulelor de W folosind o metodă bazată pe plasmă: împrăştiere magnetron şi condensarea vaporilor metalici în flux de gaz inert (MSGA). Nanoparticulele de W produse prin această metodă au fost şi sunt în continuare folosite în cercetări de fuziune nucleară în care este implicat INFLPR. Operarea sursei de nanoparticule de tip MSGA în Ar pentru producerea nanoparticulelor de W are un dezavantaj major: rata de sinteză a nanoparticulelor scade la zero într-un interval finit de timp (maxim 30 minute), limitând cantitatea de nanoparticule produse într-o şarjă de depunere. În urma studiilor efectuate în această etapă s-a implementat o metodă experimentală prin care se elimină acest dezavantaj. Metoda are la bază introducerea intenţionată şi controlată a unui gaz (H2) în descărcarea magnetron pe lângă gazul principal de lucru (Ar), pentru a stimula procesul de nucleaţie al nanoparticulelor de W. Această procedură experimentală asigură o rată de depunere constantă în timp a nanoparticulelor, mai mare decât cea obţinută doar în Ar. De asemenea, se păstrează caracterul metalic al nanoparticulelor sintetizate.Tot în această etapă de proiect a fost efectuat un studiu parametric al procesului de sinteză al nanoparticulelor de W. În timpul studiului au fost produse mostre de nanoparticule care au fost investigate prin microscopie electronică SEM, în vederea determinării distribuţiei dimensiunilor nanoparticulelor pe fiecare probă. În urma investigaţiilor a fost stabilită o corelaţie între parametrii consideraţi şi dimensiunile nanoparticulelor sintetizate. În acest mod s-a stabilit o modalitate de control eficientă a dimensiunii nanoparticulelor prin modificarea adecvată a unui parametru experimental (presiunea în sursa MSGA) şi/sau a unuia constructiv (diametrul duzei extractive a sursei MSGA).

Abstract grafic:

F9




Substratul pe care se depun nanoparticule de W se deplasează prin faţa sursei MSGA cu viteza de 0.1 mm/s (vezi fotografia substratului).
Descărcarea magnetron operată doar în Ar duce la reducerea ratei de depunere a nanoparticulelor de W în 90 s de la începerea procesului (vezi pata în formă de sămânţă în zona a-b pe substrat).
Introducerea H2 în proportie de 5% în descărcarea magnetron duce la revigorarea procesului de sinteză a nanoparticulelor (vezi zona c-d pe substrat).


Faza nr. 10

Responsabil: Dr. C. Achim

Termen de predare: 12.07.2019

Titlu: "Spectroscopia în infraroșu pentru evaluarea calității plantelor și fructelor"

Abstract: În ultimele decenii, odată cu dezvoltarea rapidă a economiei și îmbunătățirea nivelului de trai, consumul de fructe a crescut semnificativ, consumatorii având așteptări mari privind calitatea fructelor. Cu toate acestea, multe atribute ale calității fructelor, sunt încă testate folosind abordări tradiționale care sunt fie subiective, fie consumatoare de timp, astfel încât modul de evaluare al fructelor într-un mod nedistructiv și rapid a devenit important pentru cercetare.
Cercetătorii din întreaga lume au investigat potențialul diferitelor tehnologii, inclusiv tehnicile acustice, tehnicile spectroscopice și „nasurile” electronice, pentru evaluarea calităților fructelor. Dintre toate aceste tehnologii, tehnicile spectroscopice au atras atenția pentru avantajele prezentate.
Spectroscopia în IR joacă un rol foarte important în evaluarea unui număr mare de gaze (etanol, amoniac, dioxid de carbon, etilenă etc.) eliberate de plante, flori și fructe supuse unor factori externi. Cercetările din această raportare de fază, au folosit un dispozitiv de detecție, capabil să monitorizeze și să măsoare concentrațiile de gaze până la părți pe miliard, pe baza selectivității unei surse laser cu CO2. Acest lucru este semnificativ deoarece rezultatele experimentale pot reprezenta o aplicație interesantă pentru o nouă tendință emergentă: calitatea alimentelor.
Impactul expunerii la metale grele la niveluri tipice găsite în/pe alimente sunt mai greu de stabilit, astfel încât pre-evaluarea alimentelor este necesară înainte de ingerare. S-a demonstrat că etilena este metabolizată în oxid de etilenă, în conformitate cu Agenția Internațională pentru Cercetarea Cancerului, etilenoxidul fiind cancerigen.
Conceptul de fază propus, s-a concentrat pe acei factori de stres care pot modifica calitatea alimentelor evaluându-se un număr mare de gaze din respirația plantelor, florilor și fructelor expuse condițiilor biotice/abiotice cu ajutorul spectroscopiei în IR.

Abstract grafic:

F10


Faza nr. 11

Responsabil: Dr. E. Axente

Termen de predare: 12.07.2019

Titlu: "Proiectare, caracterizare şi testare a unei platforme pentru controlul curgerii în dispozitive microfluidice - Partea I (Proiectarea)"

Abstract: În cadrul acestei etape a proiectului, am propus şi realizat design-ul unei platforme microfluidice inovative, atât într-o variantă de bază, cât şi una complexă. Am descris principalele componente şi caracteristicile acestora, şi am expus principalele cerinţe pentru realizarea de platforme de perfuzare performante pentru aplicaţii biomedicale. Dintre acestea, amintim: debite de curgere stabile şi fără pulsaţii, timp de răspuns mic (< 10 ms), posibilitatea modificării debitelor de curgere în domeniul nL/min – mL/min, posibilitatea introducerii secvenţiale a unor lichide diferite, crearea unor regimuri de curgere care să reproducă condiţiile fiziologice, posibilitatea opririi instantanee a curgerii pentru investigaţii. Au fost descrise o gamă largă de aplicaţii posibile, ca de exemplu: culturi celulare în biochip-uri, teste biologice la nivelul unei singure celule, investigarea răspunsului celular ca urmare a modificărilor de mediu, eliberarea controlată de medicamente, studii în condiţii de bioreactor, teste de citotoxicitate, imagistică celulară în regim dinamic în timp real, culturi celulare 3D, investigaţii pe celule stem, dar şi sinteza chimică în dispozitive microfluidice, analize spectrochimice şi biochimice, biodetecţie şi biosenzoristică, generarea şi manipularea de micro-picături în chip, optofluidică. Am realizat designul unui biochip microfluidic pentru investigarea curgerii şi transportului de biomolecule cu concentraţii diferite. A fost creat un design experimental în silico, pentru perfuzarea controlată a dispozitivului microfluidic. Putem astfel să simulăm difuzia moleculelor într-un mediu sau transportul acestora sub influenţa anumitor parametri precum temperatură, presiune, debit, flux, concentraţie etc. Considerăm că obiectivele propuse au fost pe deplin realizate şi am oferit premisele continuării unui proiect ce reprezintă o abordare nouă în domeniul de cercetare-dezvoltare din ţară.

Abstract grafic:

F11