Najvýznamnejšie výsledky

 ////////////////////////////////////////////////////////

Pórovité bioaktívne sklenené mikroguľôčky pripravené plameňovou syntézou  

V práci sa vyvinula technológia nízko-nákladovej prípravy pórovitých bio-aktívnych sklenených mikroguľôčok. Sklený prášok so zložením bioskla 45S5 s nepravidelným tvarom častíc sa pripravil konvenčným tavením a následne sa povrch častíc alkalicky aktivoval. Alkalická aktivácia zabezpečila tvorbu pórov ako na povrchu mikroguľôčiek, tak aj v ich vnútri (Obr. 1). Výsledné mikroguľôčky majú priemer medzi 45 a 75 µm, a nájdu uplatnenie pri regenerácii kostí v tkanivovom inžinierstve. Vďaka svojej pórovitosti môžu slúžiť aj na prepravu liečiv v ľudskom tele.

Obr. 1: Morfológia pripravených pórovitých 45S5 bio-aktívnych mikroguľôčiek.

Publikácia:

  • KRAXNER, J. – MICHÁLEK, M. – ROMERO, A.R. – ELSAYED, H. – BERNARDO, E. – BOCCACCINI, A. – GALUSEK, D. Porous bioactive glass microspheres prepared by flame synthesis process. In Materials Letters, 2019, vol. 256, p. 126625-1-126625-4. (2018: 3.019 – IF)

 

 ////////////////////////////////////////////////////////

Príprava translucentnej YAG sklo/keramiky pri teplotách pod 900 °C  

Hutná translucentná sklokeramika so zložením yttrito-hlinitého granátu (YAG) sa pripravila zo sklenených mikroguľôčok so zložením YAG. Mikroguľôčky sa zhutnili do kusového materiálu v žiarovom lise spekaním viskóznym tokom. Vďaka kontrolovanej kryštalizácii bolo možné pripraviť YAG sklo-keramiku s rôznym obsahom amorfnej fázy. Po zhutnení dosahovala čistá YAG keramika relatívnu hustotu nad 94 % pri teplote iba 891 °C, zatiaľ čo sklo-keramika dosiahla relatívnu hustotu nad 99 % pri teplote 815 °C bez izotermickej výdrže. Dopovaná YAG keramika sa v súčasnosti využíva v laseroch napr. v lekárstve (konkrétne v chirurgii ako presný a šetrný spôsob rezania a odparovania tkaniva, napríklad pri operáciách očnej sietnice) alebo v oblasti spracovania kovových i nekovových materiálov.

Publikácia:

  • Michálková M. – Kraxner, J. – Michálek, M. – Galusek, D. Preparation of translucent YAG glass/ceramic at temperatures below 900 °C. Journal of the European Ceramic Society 40 (2020) 2581-2585 IF: 4,029

 

////////////////////////////////////////////////////////

Presné modelovanie elektrónových absorpčných spektier systémov s uzavretým aj otvoreným obalom 

Presná predpoveď elektrónových absorpčných spektier zlúčenín obsahujúcich ťažké prvky vyžaduje správne zohľadnenie relativistických efektov. Vhodné započítanie týchto efektov je napríklad nevyhnutné pri opise fotochemických vlastností organických diód emitujúcich svetlo, pri predikcii röntgenových L-edge spektier, alebo iných javoch súvisiacich so spinovými efektami v magnetických materiáloch. V tejto práci sme vyvinuli štvorzložkovú (4c) metódu výpočtu excitačných energií v rámci časovo závislej teórie funkcionálu hustory (TDDFT). Metóda 4c-TDDFT je použitelná na systémoch obsahujúcich atómy s ľubovolným atómovým číslom a jej efektívna implementácia v našom programe ReSpect umožňuje rutinné výpočty na reálnych systémoch s až 200 atómami. Okrem toho sa metóda 4c-TDDFT dá použiť na referenčné stavy s uzavretým aj otvoreným obalom. V prípade 4c metód pre systémy s otvoreným obalom je to vôbec prvá úspešná implementácia vo svete. Tento úspech je pozoruhodný hlavne preto, že vedecká obec doteraz túto úlohu považovala za príliš náročnú. Napríklad autori článku [Mol. Phys. 111, 3741 (2013)] napísali: „… ktorého [4c-TDDFT] momentálna adaptácia je technicky príliš náročná, ak nie nemožná. … „. Učebnicová demonštrácia metódy na systémoch s otvoreným obalom je výpočet spin-orbitálneho štiepenia J5/2, J3/2 inak desaťkrát degenerovaného 2D stavu.

Publikácia:

  • KOMOROVSKÝ, S. – CHERRY, P. – REPISKÝ, M. Four-component relativistic time-dependent density-functional theory using a stable noncollinear DFT ansatz applicable to both closed- and open-shell systems. In Journal of Chemical Physics, 2019, vol. 151, no. 18, p. 184111-1-184111-14. (2.997– IF2018).

 

////////////////////////////////////////////////////////

Bioactive silicon nitride by surface thermal treatment 

Silicon nitride-based ceramics with SiO2, CaO and Ca3(PO4)2 as sintering additives, have been prepared in order to study the bioactivity. Dense ceramic bodies were oxidized by an oxy-acetylene flame at approx. 1475°C for 60 seconds, in order to modify the surface in terms of bioactivity enhancement and the formation of optimal porosity for cell viability. During oxidation two concurrent processes occurred on the ceramic body surface: (i) formation of thin glassy layer with a composition close to that of grain boundary phase in ceramic body, and (ii) partial decomposition of silicon nitride matrix. The latter one resulted in the formation of gases (N2 and SiO), which formed bubbles in the viscous surface glassy phase. The best bioactivity was obtained for oxy-acetylene flame treated Si3N4 ceramics with Ca3(PO4)2 sintering additive.

Fig. 1. Microstructures of the prepared Si3N4-based substrates with SiO2 (A), SiO2 and CaO (B), and Ca3(PO4)2 (C) as sintering additives.

Fig. 2. Structures of substrate surfaces after oxy-acetylene flame treatment for 60 s (T = 1475°C ± 25°C; O2:C2H2 ratio 1:1.1).
Fig. 3. Cross-sections of the substrates after flame treatment.
Fig. 3. Growth of the MRC5 cells on Si3N4-based substrates (SNSi, SNSiCa and SNCaP) for a period of one week and analyzed by polarization microscope.

Publikácia:

  • HNATKO M.HIČÁK M. – LABUDOVÁ M. – GALUSKOVÁ D. – SEDLÁČEK J.LENČÉŠ Z.ŠAJGALÍK P. Bioactive silicon nitride by surface thermal treatment; In Journal of the European Ceramic Society 40 (2020) 1848-1858; https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.12.053

 

////////////////////////////////////////////////////////

Mikropevnosť zŕn a hraníc zŕn v polykryštalickej beta-Si3N4 keramike dopovanej lantánom 

Experimentálne získané mikropevnosti zŕn a hraníc zŕn v polykryštalickej b-Si3N4 keramike dopovanej lantánom boli porovnávané s hodnotami získanými v teoretických výpočtoch. Mikropevnosti medzihraničnej sklenej fázy (MSF) medzi dvoma β-Si3N4 so zložením SiO2-La2O3 boli modelované pomocou výpočtov z prvých princípov. Mikrokantilevre (Obr. 1) vyrezané z reálnej polykryštalickej mikroštruktúry pomocou FIB zahrnujúce hranice zŕn ako aj jednotlivé β-Si3N4 zrná boli testované v ohybe pomocou nanoindentoru Agilent G200. Pevnosť cantileverov sa vypočítala pomocou lineárnej lúčovej teórie a jednotlivé lomové plochy boli mikro/nano-fraktograficky vyhodnocované na SEM mikorfotografiách.  Teoreticky vypočítaná pevnosť MSF uvádzaná v literatúre klesala z ~20 GPa pre čisté SiO2 po 13-16 GPa pre La-dopovanú MSF. Stredná hodnota pevnosti mikrocantileverov vyrezaných z čistých β-Si3N4 zŕn, ktoré nemali žiadne viditeľné nano/mikro defekty bola v našich experimentoch 10.6±0.8 GPa. Čisté β-Si3N4 zrná, ktoré mali viditeľné nano/mikro defekty mali pevnosť 5.9±2.3 GPa. Polykryštalické β-Si3N4 vzorky so stúpajúcim obsahom La2O3 z 0.86 wt% do 4.19 wt% v MSF vykazovali intergranulárny charakter lomu s klesajúcou pevnosťou od 2.9±0.4 GPa do  2.1±0.5 GPa, Obr. 2. Porovnanie nami nameraných hodnôt pevnosti jednotlivých čistých β-Si3N4 zŕn s teoretickými hodnotami uvádzanými v literatúre nám umožnilo získať prevodový vzťah medzi našimi výpočtami z prvých princípov a nami nameranými pevnosťami hraníc zŕn v cantileveroch s rôznym obsahom lantánu. Takto konvertované hodnoty pevnosti MSF vykazujú celkom dobrú zhodu s výsledkami nameranými na mikrocantileveroch, Obr. 3.

 
Obrázok 1:  Schematický obrázok cantileveru, indikujúci lokalizáciu lomu (x1) a miesto zaťaženia a reálny cantilever vyrezaný zo vzorky
Obrázok 2. Pevnosť cantileverov s rôznym obsahom La2O3
Obrázok 3. Pevnosť cantileverov s rôznym obsahom La2O3, experimentálne a vypočítané hodnoty

Viac informácií:

  • P. Šajgalík, pavol.sajgalik@savba.sk

 

////////////////////////////////////////////////////////

Elektro-iskrovo obrábateľné SiC s grafénovými nanoplatničkami (GNPs) a oxidom grafénu (GO) ako elektricky vodivými fázami 

V tejto práci boli pripravené hutné kompozitné materiály na báze SiC s prídavkami Y2O3 a Al2O3 ako spekacími prísadami a s prídavkom 5 – 15 hm. % grafénových nanoplatničiek (GNPs) alebo 5 hm. % oxidu grafénu (GO). Kompozitné materiály boli spekané metódou Rapid hot press pri teplote 1800°C, pri tlaku 50 MPa po dobu 5 minút vo vákuu. Anizotropia mikroštruktúry ako dôsledok usporiadania grafénových vrstiev v smere kolmom na lisovací tlak bola potvrdená meraním elektrickej vodivosti a tepelnej difuzivity. Najvyššia hodnota elektrickej vodivosti (2031 S/m) bola dosiahnutá pri kompozite s 15 hm. % grafénových platničiek v smere rovnobežnom na grafénové roviny, zatiaľ čo v smere kolmom na orientáciu grafénových vrstiev bola elektrická vodivosť iba 1246 S/m. Rýchlosť odoberania materiálu pri elektro-iskrovom obrábaní bola pri všetkých SiC-GNP a SiC-GO kompozitoch vyššia ako 1.6 mm3/min. Takmer dvojnásobná rýchlosť odoberania materiálu (2.8 mm3/min) bola dosiahnutá pre kompozity obsahujúce 15 hm. %, pričom zároveň drsnosť povrchov po obrábaní klesla na 1.5 μm.

Obr.1: Elektrická vodivosť a tepelná difuzivita kompozitných materiálov SiC-GNP a SiC-GO meraná v smere kolmom a rovnobežnom na uloženie grafénových vrstiev.

Publikácia:

  • HANZEL, Ondrej – SINGH, Meinam Annebushan – MARLA, Deepak – SEDLÁK, Richard – ŠAJGALÍK, Pavol. Wire electrical discharge machinable SiC with GNPs and GO as the electrically conducting filler. In Journal of the European Ceramic Society, 2019, vol. 39, no. 8, p. 2626-2633. (4.029 – IF2018)

 

////////////////////////////////////////////////////////

Nezvyčajná modifikačná premena zlúčeniny K2ZrF6 

Zlúčenina α-K2ZrF6 podlieha nezvyčajnej viacstupňovej modifikačnej premene v tuhom stave. Táto modifikačná premena môže byť reverzibilná alebo ireverzibilná vzhľadom na cieľovú teplotu. Zahrievanie K2ZrF6 na 250 oC spôsobuje nevratnú modifikačnú premenu. Starnutie takejto zmesi podlieha ďalšiemu procesu premien. Proces transformačných premien bol sledovaný rôznymi metódami ako DTA, DSC, 19F MAS NMR, XRD, tepelnou difuzivitou ako aj Ramanavou spektroskopiu pri rôznych teplotných režimoch pričom získané spektrá boli následne analyzované pomocou Principal Component Analysis (PCA) a Multivariate Curve Resolution (MCR) metód. Štatistická analýza Ramanových spektier potvrdila ireverzibilný charakter α – HTFirrev transformácie. Navyše transformácia HTFrev fázy na α fázu si vyžaduje prítomnosť aj HTFirrev fázy. Zaujímavosťou je aj to, že odozva monitorovania modifikačných premien rôznymi technikami vykazovala neočakávané odozvy, ktoré bolo treba interpretovať. Obrázok sumarizuje schému transformačných premien navrhnutých na základe získaných experimentálnych výsledkov.

Publikácie:

  • BOČA, M. – NETRIOVÁ, Z. – RAKHMATULLIN, A. – VASKOVÁ, Z. – HADZIMOVÁ, E. – SMRČOK, Ľ. – HANZEL, O. – KUBÍKOVÁ, B. The differing responses of various techniques in measuring the phase transformations of K2ZrF6. In Journal of Molecular Liquids, 2019, vol. 287, p. 110969-1-110969-10. (4.561 – IF2018).
  • HRUŠKA, B. – NETRIOVÁ, Z. – VASKOVÁ, Z. – BOČA, M. – CHROMČÍKOVÁ, M. – LIŠKA, M. High-temperature Raman study of K2ZrF6 phase transitions. In Journal of Alloys and Compounds, 2019, vol. 791, p. 45-50. (4.175 – IF2018)

 

////////////////////////////////////////////////////////

Optimalizácia syntézy nanokryštalického Fe2O3 na povrchu kompozitných pórovitých anorganických materiálov na báze ílových minerálov: využitie v katalytickej reakcii pre rozklad toluénu 

Pórovité anorganické materiály na báze ílových minerálov, tzv. PCH predstavujú zaujímavú alternatívu k rôznych štruktúram na báze SiO2. Cieľom práce bolo navrhnúť syntézu a optimalizovať jej podmienky a pripraviť kompozitný materiál PCH/FeOx s vysokou efektivitou v reakcii rozkladu toluénu. Odbúravaniu prchavých organických látok (VOC) a ich rozkladu na zlúčeniny z menším negatívnym dopadom na životné prostredie sa venuje veľká pozornosť a použitie Fe-PCH sa študovala ako lacnejšia alternatíva ku katalyzátorom na báze oxidov ušľachtilých kovov. Pripravené Fe-PCH obsahovali nanoštruktúrne formy α-Fe2O3 and Fe3O4 oxidov s rôznou distribúciou častíc, ale aj pomerom Fe-fáz v závislosti na podmienkach syntézy (koncentrácia FeCl3, ktorý sa použil ako zdroj Fe3+, tlak, čas impregnácie a kalcinácie). Železo v oktaedrickej koordinácii α-Fe2O3 bolo efektívne pre zvýšenie aktivity katalyzátora, zatiaľ čo Fe3O4 nanokryštály aktivitu znižovali. Práca poskytla originálne interpretácie zmien IČ spektrách v ďalekej oblasti s podporou DFT výpočtov, čím sa potvrdila prítomnosť α-Fe2O3 a Fe3O4 fáz na povrchu Fe-PCH.

Publikácia:

ZIMOWSKA, M. – GURGUL, J. – SCHOLTZOVÁ, E. – SOCHA, R.P. – PÁLKOVÁ, H. – LITYNSKA-DOBRZYNSKA, L. – MORKZYCKI, L. – LATKA, K. A precursor approach for the development of lace-like Fe2O3 nanocrystallites triggered by pressure dependent nucleation and growth of akaganeite over clay based composites for toluene combustion. In Journal of Physical Chemistry C, 2019, vol. 123, no. 43, p. 26236-26250. (4.309 – IF2018).