Przejdź do głównej treści

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Przemysł

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Obszary badawcze

W tej sekcji znajdziesz opis typowych badań przemysłowych prowadzonych z wykorzystaniem promieniowania synchrotronowego, z podziałem na konkretne branże. Lista ta zawiera najczęściej wybierane przez użytkowników zastosowania, dostępne w centrum SOLARIS aktualnie lub w najbliższej przyszłości, ale nie wyczerpuje wszystkich dostępnych możliwości pomiarowych. Jeżeli nie znajdziesz tutaj opisu odpowiadającego swojej działalności, zapraszamy do kontaktu z pracownikami Biura Współpracy z Przemysłem w celu ustalenia szczegółów planowanych pomiarów.

Kataliza

Większość substancji chemicznych dostępnych na światowych rynkach produkowana jest z wykorzystaniem reakcji katalitycznych. Prawidłowe zaprojektowanie i przetestowanie katalizatorów, a następnie optymalizacja ich działania w krótkim i długim terminie, są kluczowe dla poprawy efektywności procesów produkcyjnych i zmniejszenia ich śladu środowiskowego. W Centrum SOLARIS dysponujemy szeregiem metod badawczych, wykorzystywanych w tego typu analizach.

Dzięki wykorzystaniu metody absorpcji promieniowania rentgenowskiego XAS możliwe jest określenie składu oraz stanu chemicznego (stopnia utlenienia) atomów wchodzących w skład katalizatora. Porównując katalizatory świeże oraz zużyte, możliwe jest określenie mechanizmów starzenia oraz opracowanie metod wydłużających ich żywotność, lub umożliwiających regenerację. Metoda ta umożliwia również zbadanie lokalnej struktury geometrycznej centrów aktywnych (w jakiej odległości od centrów aktywnych znajdują się najbliższe atomy), co może być podstawą optymalizacji procesów produkcyjnych. Od połowy 2021 r. możliwe będzie wykonywanie pomiarów z wykorzystaniem metody XAS in-situ, co pozwoli na śledzenie przebiegu reakcji katalitycznych.

Komplementarną metodą, pozwalającą na badanie otoczenia chemicznego atomów, w tym rodzajów wiązań chemicznych, jest spektroskopia fotoelektronów rentgenowskich XPS. W przypadku tej metody możliwe jest uzyskanie ekstremalnej czułości powierzchniowej i badanie wyłącznie najbardziej zewnętrznej warstwy atomowej materiału, która bierze udział w reakcjach katalitycznych. Gdy do wzbudzenia wykorzystywane są fotony promieniowania ultrafioletowego, możliwe jest zbadanie gęstości stanów elektronowych materiału w okolicy poziomu Fermiego, która jest związana z reaktywnością katalizatorów (np. gdy katalizator pełni funkcje donora elektronów).

Informacji o przebiegu reakcji katalitycznych dostarcza metoda skaningowej transmisyjnej mikroskopii rentgenowskiej STXM. Metoda ta, która będzie dostępna w połowie 2021r., pozwoli na prowadzenie badań in-situ i śledzenie przebiegu reakcji chemicznych w czasie rzeczywistym. Na linii będzie możliwe tworzenie map pierwiastków chemicznych, zawartych w reaktantach, cząstkach katalitycznych oraz produktach na kolejnych etapach reakcji.

Elektronika i spintronika

Współczesna elektronika analogowa i cyfrowa oparta jest o szereg materiałów izolujących, półprzewodnikowych i metalicznych. Aby zaprojektować i wykonać niezawodne urządzenia elektroniczne konieczne jest zbadanie struktury przestrzennej i elektronowej wykorzystywanych materiałów oraz określenie mechanizmów ich wzajemnego oddziaływania.

Podstawową metodą dostępną w centrum SOLARIS, służącą do badania struktury elektronowej materiałów, jest kątoworozdzielcza spektroskopia fotoelektronów ARPES. Umożliwia ona precyzyjne mapowanie w trzech wymiarach struktury pasmowej (relacji dyspersji) materiałów, identyfikację stanów powierzchniowych, czy dwuwymiarowego gazu elektronowego występującego na powierzchniach półprzewodnikowych. Pozwala także na badanie procesów pasywacji reaktywnych powierzchni oraz identyfikację niepożądanych zjawisk zakłócających działanie urządzeń elektronicznych, takich jak przypinanie poziomu Fermiego. W centrum SOLARIS możliwe jest prowadzenie badań ARPES z rozdzielczością spinową - na stacji końcowej PHELIX.

Dostępne metody komplementarne z metodą ARPES to: dyfrakcja elektronów niskich energii LEED, która pozwala na badanie uporządkowania i symetrii powierzchni materiałów, spektroskopia fotoelektronów rentgenowskich XPS, spektroskopia elektronów Augera i spektroskopia absorpcyjna promieniowania rentgenowskiego XAS, które pozwalają na analizę składu chemicznego materiałów. Strukturę powierzchni można scharakteryzować z wykorzystaniem techniki PEEM, natomiast jej uporządkowanie magnetyczne za pomocą metody dichroizmu magnetycznego XMD.

Przemysł nafty i gazu

Badania wykorzystujące promieniowanie synchrotronowe są wykorzystywane w szeregu gałęzi przemysłu naftowo-gazowego. Pomiary z wykorzystaniem spektroskopii promieniowania rentgenowskiego XAS umożliwiają analizę składu chemicznego ropy naftowej oraz wytworzonych z jej wykorzystaniem produktów. W szczególności możliwe jest przeprowadzenie analizy ilościowej różnorodnych zanieczyszczeń siarkowych, trudnych do zbadania z wykorzystaniem alternatywnych metod, oraz określenie ich lokalnej struktury fizykochemicznej. Metoda cryoEM umożliwia mikroskopową analizę rozkładu płynów w materiałach porowatych, wykorzystywanych do transportu węglowodorów, natomiast metoda SAXS, która będzie w przyszłości dostępna w centrum SOLARIS, pozwala na badanie emulsji wykorzystywanych do transportu ciężkich węglowodorów. Przemysł nafty i gazu jest również jednym z głównych odbiorców katalizatorów, w związku z czym zastosowanie znajdują tu metody opisane w części "Kataliza".

Energetyka

Sektor energetyki może wykorzystać możliwości promieniowania synchrotronowego w celu badania właściwości materiałów, wykorzystywanych zarówno w energetyce konwencjonalnej, jak i odnawialnej. Metoda XAS umożliwia badanie lokalnej struktury materiałów wykorzystywanych np. do magazynowania wodoru, czy w charakterze stałych elektrolitów: sieci metaloorganicznych (MOF), lub wodorków metali lekkich. Z jej wykorzystaniem często badane są również barwniki służące do sensybilizacji ogniw fotowoltaicznych. Od wiosny 2021 r. możliwe będzie również prowadzenie pomiarów in-situ, np. pracującego ogniwa paliwowego. Metoda XAS jest komplementarna do metody krystalografii rentgenowskiej XRD, która będzie dostępna w centrum SOLARIS około 2024 r. (istnieje również możliwość wykonania pomiarów XRD z wykorzystaniem infrastruktury innych, współpracujących z nami synchrotronów). Materiały wykorzystywane w energetyce mogą być również badane z wykorzystaniem metod spektroskopii XPS, Augera, UARPES, PEEM, XMD.

Biotechnologia i rozwój leków

Przemysł biotechnologiczny może korzystać z pomiarów zarówno na liniach pomiarowych synchrotronu, jak i na mikroskopie elektronowym cryoEM, który będzie dostępny dla przemysłu od połowy 2021 r. Pomiary mikroskopowe umożliwiają przede wszystkim rozwiązywanie struktur białek oraz innych biomolekuł z rozdzielczością atomową, bez konieczności ich krystalizacji, co jest wykorzystywane w rozwoju nowych leków i szczepionek. Pomiary na liniach badawczych skupiają się na poznaniu struktury i właściwości fizykochemicznych biomateriałów i biomolekuł. Wykorzystując spektroskopię XAS możliwe jest między innymi zbadanie struktury oraz właściwości chemicznych metalicznych centrów aktywnych w biomolekułach, np. metaloproteinach, określenie zawartości metali ciężkich w roślinach, czy określenie lokalnego otoczenia atomów siarki w komórkach i tkankach. W przyszłości w centrum SOLARIS dostępna będzie również technika wykorzystująca promieniowanie podczerwone (IR), która pozwoli na badania struktury wibracyjnej biomolekuł oraz ich obrazowanie.