Napredna tehnologija na nanoskali

1. Razvoj novih materijala za solarne ćelije će uključiti dva projekta:

A) Novi materijali za hibridne organsko-anorganske solarne ćelije temeljenih na porpheneu:regularni heterociklični analog grafena

Ideja ovog projekta je da se predlože, izrade i karakteriziraju novi organsko-anorganski hibridni sustavi temeljeni na porpheneu, prvom heterocikličnom analogu grafena sa unikatnim optičkim svojstvima koja odgovaraju apsorpcijskom maksimumu sunčeve svjetlosti, omogućava hvatanje fotona, njihovo prostorno odvajanje te pretvaranje u naboje koji će se elektrodama odvesti u vanjski strujni krug.Ovaj koncept nudi temelj za novu generaciju solarnih ćelija povećane učinkovitosti i smanjenih troškova.


Novi 2D polimeri (Fused sheets)


Donor-Akceptor Ligandi na Porfinu

Prvi rezultati: Priprema 2D porphene-skih fused sheets je gotovo postignuta i simulacija njihovih apsorpcijskih svojstava je pružila obećavajuće rezultate za buduća istraživanja utjecaja donor-akceptor liganada na odvajanje naboja i njihovu primjenu za solarne ćelije.

Suradnja: Cilj ovog projekta će biti postignut kroz suradnju između teorijskih i eksperimentalnih grupa prof. Vlaste Bonačić-Koutecký (ICAST, UNIST), prof. R. Mitrića sa Sveučilišta u Würzburgu, prof. Ante Bilušića (PMF, UNIST) i prof. J.Michla (Sveučilište Boulder, SAD i Institut za organsku kemiju ASCR Prag) koji će sintetizirati 2D porphene. Za realizaciju projekta potrebni su mladi istraživači i oprema za hrvatske istraživačke grupe.

B) Integrirani funkcionalni grafenski nanokompozitni materijali za učinkovite i stabilne organske fotonaponske sustave

Ideja je uvesti novi koncept kemijski i strukturno funkcionaliziranog grafena s metalnim nanostrukturama za konstrukciju hibridnih materijala s podesivim svojstvima. Osobine nanostruktura koje uključuju diskretna molekularna svojstva će se iskoristiti za povećanje učinkovitosti materijala tankih filmova. Cilj je dizajniranje i integracija novih kontaktnih materijala koji se mogu uštimati na nanoskali da bi se realizirala makroskopska funkcionalnost i stabilnost. Ova strategija pruža novu i fundamentalnu perspektivu za razvoj nanomaterijala za elektroniku. Istodobno ujedinjuje relevantne aspekte primjene za povećanje učinkovitosti i proizvodnju jeftinih, "zelenih" fotonaponskih sustava.

Suradnja: Ostvarenje cilja ovog projekta zahtjeva teorijsku i eksperimentalnu suradnju između prof. Vlaste Bonačić Koutecký (ICAST, UNIST) i prof. Ante Bilušića (PMF, UNIST), te korištenje sintetiziranih i karakteriziranih hibridnih sustava na bazi grafena eksperimentalno ostvarenih od prof. E v. Hauff (VU University Amsterdam) u kooperaciji sa kolegama B v. Issendorf i M. Kruger (Sveučilište u Freiburgu).
Za realizaciju projekta potrebni su mladi istraživači i oprema za hrvatske istraživačke grupe.




Integracija raznovrsnih nanostrukturiranih materijala u fotonaponskim uređajima

Komercijalizacija 1.(A) i 1.(B): S obzirom da solarne ćelije predstavljaju odličan izbor za zelenu energiju budućnosti, ovaj projekt ima značajan potencijal za komercijalizaciju rezultata i za razvoj spin-off tvrtki u Hrvatskoj.


2. Razvoj novih materijala za gorive ćelije

A) Rutenijeva metanacijska kataliza za pročišćavanje pogonskog plina gorivih ćelija

Glavni cilj ovog projekta je poboljšanje učinkovitosti polimernih elektrolitnih gorivih ćelija za brojne primjene (PEFC) kroz pročišćavanje plina. To će se postići selektivnim uklanjanjem ugljičnog monoksida iz pogonskog plina pomoću katalitičke metanacije, čime će se smanjiti trovanje gorivih ćelije. Ideja je da se učinkovitost ovog procesa poveća kroz poboljšanje katalize rutenijevih (Ru) metalnih čestica preko kontrole veličine čestica u sub-nanometarskom području. Tehnologija gorivih ćelija, zajedno s tehnologijom vodikovog goriva, privukla je posebnu svjetsku pozornost zbog moguće primjene u automobilskoj industriji (pogon automobila na gorive ćelije ili na pogon vodika). Dakle, pročišćavanje pogonskog plina je, zbog svog značaja, u središtu međunarodne kompetitivnosti.


Angew. Chem. Int. Ed. 53 5467-5471 (2014)

Naša zajednička teorijska i eksperimentalna postignuća su do sada otkrila porijeklo selektivnosti i aktivnosti Ru klasterskih katalizatora za pročišćavanje pokretačkih plinova gorivih ćelija kao što je prikazano s desne strane Slike. Budući da je neophodno selektivno ukloniti ugljični monoksid kako bi se spriječila degradacija katalizatora gorivih ćelija, otkrili smo da su mali rutenijevi nanoklasteri vrlo učinkoviti u tome putem pretvaranja CO u benigne CH4. Identificirali smo temeljna svojstva tih klastera, uključujući njihovu izuzetnu selektivnost i katalitičku aktivnost u CO metanacijskoj reakciji. Obećavajući rezultati su dobra polazna točka za ovaj projekt u kojem će sistem iz plinovite faze biti transformiran u zeolite i time ostvariti nove katalizatore koji će produžiti trajanje gorivih ćelija.

Suradnja: Znanstvenici uključeni u istraživanje su VBK (ICAST, UNIST), prof. T. Bernhardt i J. Behm (Sveučilište u Ulmu ) sa svojim teorijskim i eksperimentalnim grupama. Za realizaciju projekta potrebni su mladi istraživači i oprema za hrvatske istraživačke grupe.

Komercijalizacija: Novi katalizatori će biti testirani i pripremljeni za proizvodnju u tvrtci Haldor Topsoe, Danska, svjetskom predvodniku u područjima katalize i znanosti površina.



B) Dizajn novih katalitičkih materijala za niskotemperaturne gorive ćelije

Ideja je dizajnirati nove materijale i strukture pomoću modeliranja na nanometarskoj skali za poboljšanje toplinske provodljivosti sloja katalizatora (posebno u lateralnom smjeru) i produljenje trajnosti ćelija. U ovom projektu ćemo dizajnirati i primijeniti Polimernu elektrolitnu (PEM) gorivu ćeliju sa zrakom iz okoliša bez vanjskog ovlaživanja pomoću vode i topline proizvedene unutar gorive ćelije. Kako bi se ostvario ovaj koncept prijenos vode će biti postignut preko polimerne membrane. Posebno, proučavati će se termodinamika apsorpcije i desorpcije vode i promjena faze na površini polimerne membrane obzirom da se ove pojave obično zanemaruju u trenutnim modelima. Značaj niskotemperaturnih gorivih ćelija, posebno gorivih ćelija s PEMFC, leži u mnogim potencijalnim primjenama, kao što su elektronika, prijenosni izvor energije, stacionarni izvor energije i kogeneracija energije, ali primarno u transportu.
Suradnja: Cilj ovog projekta će biti ostvaren kroz suradnju eksperimentalnih i teorijskih grupa prof.dr. Frane Barbira (FESB, UNIST), prof. Vlaste Bonačić-Koutecký (ICAST, UNIST) i prof. Ante Bilušić (PMF, UNIST). Za realizaciju projekta potrebni su mladi istraživači i oprema za hrvatske istraživačke grupe.




Gorive ćelije s polimernim elektrolitskim membranama (PEMFCs)


Komercijalizacija: Cilj ovog projekta je poboljšanje ključnog aspekta katalitičkih gorivih ćelija, tj. njihove trajnosti, što ima značajan potencijal za komercijalnu primjenu. Suradnja sa jednim od industrijskih predvodnika na području razvoja nanostrukturnih katalitičkih slojeva, kao što je 3M, će omogućiti komercijalizaciju rezultata istraživanja ovog projekta.

C) Inženjering gorivih ćelija i primjena

Naša ideja je primjena koncepta prostorno različitog odvođenja topline, koja uspostavlja temperaturni profil duž cijelog katodnog kanala dopuštajući proizvedenoj vodi da ovlaži zrak i do 100% dok prolazi kroz katodu . Predlažemo daljnje istraživanje ovog obećavajućeg koncepta za različite gustoće struje, različite vanjske uvjete, različitu debljinu membrane i različite protoke. Primjena suhih plinova, ako bude moguća, će eliminirati upotrebu uređaja za vanjsko vlaženje i tako dovesti do pojednostavljenja sustava gorivih ćelija.


Eksperimentalni set-up na FESB-u. Segmentirana goriva ćelija za ispitivanje temperaturnog profila potrebnog za održavanje željene relativne vlažnostikroz gorivu ćeliju.


Vozilo na gorive ćelije (Yamaha ATV) razvijen/stvoren na FESBu


Suradnja: Ostvarenje cilja ovog projekta će se postići kroz suradnju između prof. F. Barbira, prof. G. Radice, prof. G. Magazinovića, prof. emmeritus J. Radošević (FESB, UNIST) kao i sa prof. A. Bilušićem i prof. P. Županovićem (PMF, UNIST). Dodatna suradnja je planirana s: prof. Torstenom Berningom sa Sveučilišta u Aalborgu u Danskoj, koji će nam asistirati na modelima ukupnog toka vode kroz membranu i s dr. Attilom Husar s Instituta industrijske robotike, Politehnničko sveučilište Katalonija, Španjolska, koja će nam pomoći s eksperimentalnim set-upom i modeliranjem, naročito u odnosu na vanjske uvjete i ispitivanje trajnosti. Za realizaciju projekta potrebni su mladi istraživači i oprema za hrvatske istraživačke grupe.

Komercijalizacija: Pošto je predloženi R&D projekt originalan u nekim od predloženih ishoda – novi dizajn i/ili nova strategija kontrole - postoji potencijal za patentiranje. Nažalost, još uvijek nema kompanija koje rade na razvoju i proizvodnji gorivih ćelija u Hrvatskoj. Ipak, potencijal za razvoj spin-off tvrtki u Hrvatskoj je zamišljen i moguć.


3. Dizajn novih nanostrukturnih biosenzorskih materijala za medicinsku dijagnostiku

A) Razvoj novih label-free biočipova

Inovativna ideja ovog projekta je dvojna: 1) Naša nova label-free protein-biočip tehnika bazirana je na dvostrukoj ulozi plemenitih metalnih klastera za imobilizaciju i orijentaciju proteina preko pinning efekta kao i za pojačanje apsorpcije i emisije reporter proteina. Ovaj prijedlog (label-free) će zamijeniti postojeće standardne tehnike s organskim bojama za obilježavanje (labeling) i znatno pomaknuti dosadašnju granicu senzitivnosti biosenzora. 2) Optimalna kvantna kontrola s uobličenim laserskim poljima će biti uvedena za maksimiziranje detekcijskog signala, što predstavlja prodor za povećanje selektivnosti i reproducibilnosti za label-free biočipove. Shematski prikaz optimalne label-free detekcije u nanostrukturiranim biočipovima (antitijelo-crveno, antigen-plavo) baziranih na formaciji supramolekularnog klaster-protein kompleksa. Oblikovana laserska polja (desna strana) povećavaju selektivnost fluorescencije antigen-antitijelo kompleksa koji je očitan i upotrijebljen kao analitički signal.



Suradnja: Znanstvenici uključeni u istraživanje su VBK (ICAST, UNIST) i prof. R. Mitrić (Sveučilište u Würzburgu), dr. Ph. Dugourd (Sveučilište Lyon 1), prof. R. Palmer (Sveučilište u Birminghamu) i prof. J.-P. Wolf (Sveučilište Genève) sa svojim teorijskim i eksperimentalnim grupama, kao SMEs, za biočipove David Ure (Inanovate UK. Ltd) i za nove izvore laserskih zraka dr. Kurt Weingarten (Time Bandwidth Products, TBP). Za realizaciju projekta potrebni su mladi istraživači i oprema za hrvatske istraživačke grupe.

Komercijalizacija: Ovaj projekt ima veliki potencijal za komercijalizaciju rezultata. Postoji potencijal za razvoj spin-off tvrtki iz ovog projekta u Hrvatskoj.


B) Primjena novih funkcionalnih ligandiranih klastera plemenitih metala i label-free biočipova u medicinskoj dijagnostici za biološko starenje i upalne bolesti

Ideja je koristiti ligandirane klastere plemenitih metala sa izvanrednim svojstvima apsorpcije i emisije svijetla (slika na lijevoj strani) kao i nove label-free senzore razvijene u projektu 3(A) za kvantifikaciju karbonilacije proteina in vitro i in vivo, omogućavajući precizno mjerenje biološkog starenja. Osim toga, pretilošću izazvana upala postaje problem u našoj rastućoj populaciji sve starijih i debljih ljudi, tako da su potrebnije intervencije za preventivu bolesti nego simptomatska terapija. Stoga je naša ideja koristiti linearne i non-linearne optičke procese u ligandiranim klasterima plemenitih metala kao i nove label-free senzore za jednostavnu, izvedivu i senzitivnu kvantifikaciju upalnih markera koji mogu biti iskorišteni za praćenje ne samo patogena i sterilnih upala nego i neurodegenerativnih poremećaja povezanih sa starenjem (npr. Alzheimerova bolest). Značaj novih, ovdje predloženih pristupa, je poboljšati ograničenja učinkovitosti biosenzora otvarajući slobodan put novim rješenjima za detekciju oštećenosti proteina i screeningu.


Strukturna i optička svojstva vrlo malih srebrnih ligandiranih klastera
[Ag15(SG)11] koji pokazuju sjajnu i fotostabilnu emisiju za biosensing.

(Ag31+19L Ligandirani klaster srebra)


Suradnja: Znanstvenici uključeni u istraživanja su Dr. Ph. Dugourd, Sveučilište u Lyonu (UCBL), prof. M. Radman, dr. A. Kriško (MedILS), VBK (ICAST, UNIST) i prof. D. Maysinger (McGill University) sa svojim eksperimentalnim i teoretskim skupinama. Osim toga, projekt će imati koristi od kontinuiranog Francusko-hrvatskog projekta "Međunarodni Laboratorij za nano klastere i biološko starenje, LIA NCBA", u kojem VBK i Miroslav Radman blisko surađuju s UCBL. Novoosnovana suradnja McUM i UCBL će također pridonijeti realizaciji ovog projekta. Za realizaciju projekta potrebni su mladi istraživači i oprema za hrvatske istraživačke grupe.

Komercijalizacija: Ovaj projekt ima veliki potencijal za patente i komercijalizaciju rezultata. Postoji potencijal za razvoj spin-off tvrtki iz ovog projekta u Hrvatskoj.