tendinta moderna in materiale electronice avansate

Înclinaţia modernă a materialelor avansate utilizate in electronică

Secolul al 20-lea a fost martorul unei dezvoltări uluitoare a ştiinţei şi tehnologiei, cu impact asupra omului sub toate aspectele vieţii. Trei ştiinţe majore s-au dezvoltat şi au marcat secolul:

• fizica, ştiinţa care a reuşit înţelegerea structurii atomilor prin prisma mecanicii cuantice.
• biologia (cu ramurile sale, biofizica, biochimia şi genetica), prin care s-a reuşit înţelegerea structurii celulei şi a mecanismelor vieţii.
• informatica, prin care s-au dezvoltat în simbioză mijloacele de comunicare şi de calcul.

Începutul secolului al 21-lea surprinde omenirea în faţa unor noi provocări: modificări neprevăzute de climă, apariţia unor noi agenţi patogeni, poluarea la toate nivelurile şi sub toate formele posibile (chimică, electromagnetică, etc.), radiaţia radioactivă, epuizarea unor surse de energie, terorismul cu toate formele lui (atacuri bacteriologice, atacuri cu arme convenţionale, atacuri cu gaze de luptă).

În aceste condiţii, ştiinţa omenirii îşi regrupează forţele, încercând să ofere soluţii fundamentale, care să poată fi preluate de tehnologia modernă.

Microelectronica reprezintă pilonul tehnologic, care se bazează pe cele trei ştiinţe majore şi are cel mai profund impact asupra tuturor aspectelor vietii omului: hrană, energie, transport, comunicare, petrecerea timpului liber, sănătate...

Dispozitivele microelectronice au devenit deja cărămizile sistemelor care sunt utilizate pentru monitorizarea unei hrane de bună calitate (analize chimice şi bacteriologice), a poluării, a utilizării mai eficiente a energiei (surse regenerabile, sisteme LED), pentru controlul vehiculelor electrice, a transmiterii informaţiei, pentru asigurarea petrecerii cât mai relaxante a timpului liber (realitatea virtuală, jocurile video...), pentru vindecarea bolnavilor şi refacerea corpului omenesc deteriorat (simţuri artificiale, piese de schimb ale organismului, medicina asistată laser), precum şi contribuţia esenţială la explorarea unor zone noi: spaţiul cosmic, alte planete, spaţiul submarin, interiorul vulcanilor.

Deşi s-au obţinut progrese semnificative, microelectronica este încă departe de a fi capabilă să imite Natura în termenii densităţii de integrare, a funcţionalităţii şi a performanţei.

Previziunile specialiştilor spun că în cadrul tehnologiei microelectronice actuale nu este de aşteptat să se ajungă la nivele similare viului, datorită limitărilor fizice ale sistemelor microelectronice.

O abordare cu totul diferită este avută în vedere pentru modul în care va fi condusă dezvoltarea ştiinţei şi tehnologiei materialelor, în particular a materialelor electronice avansate, în secolul nostru.

Noua abordare constă în dezvoltarea cercetărilor în direcţia apropierii de nivelul structurii atomice, folosind aşa-numita electronică la scară nano sau nano-electronică. Prin mişcarea către dimensiuni mai mici se urmăreşte creşterea densităţii de integrare, a funcţionalităţii sistemelor şi a performanţei acestora (spre exemplu, creşterea vitezei de operare şi scăderea puterii consumate).

Datorită nano-electronicii va fi posibil ca, în viitor, să se creeze sisteme atomice şi molecule artificiale, sisteme multifuncţionale integrate la scara atomilor. Ştiinţa materialelor are un rol esenţial în pregătirea saltului tehnologic de mâine prin crearea de noi materiale şi noi structuri, dar, nu în ultimul rând, prin descoperirea de noi fenomene fizice şi proprietăţi specifice la scară atomică.

Realizările de vârf în domeniul materialelor avansate prefigurează, printr-o linie de extrapolare pe termen mediu, evoluţia ştiinţelor, în particular cea a fizicii materiei condensate, precum şi impactul tehnologic la scară nanometrică.

Cercetarea fundamentală în domeniul materialelor avansate trebuie să fie dirijată către descoperirea relaţiilor dintre proprietăţile care determină funcţionalitatea materialului, compoziţia chimică şi structura lui. Este important de remarcat că diferite proprietăţi de material sunt determinate de comportarea colectivă a moleculelor, atomilor şi electronilor iar această comportare ar putea fi extrem de neliniară pentru scări de timp şi de mărime diferite. înţelegerea fundamentală este esenţială dacă vrem ca funcţionalitatea materialelor să fie asigurată pe perioade lungi de timp.

Trebuiem să evidenţiem faptul că prin coborârea la o altă scară de dimensiune, se intră într-o lume aparte, cu legile ei specifice, care pot fi exploatate în ştiinţa materialelor. Reducerea particulei la scară nanometrică conduce la efecte cuantice, deoarece aceste dimensiuni sunt comparabile cu lungimea de undă de Broglie a electronilor, a fononilor şi cu drumul liber mijlociu al excitonilor. Confinarea electron-gol în particulele semiconductoare conduce la cuantizarea tridimensională, adică la formarea de îdotî-uri cuantice, cristalite cuantice sau excitoni zero-dimensionali. Confinarea bidimensională a purtătorilor de sarcină conduce la fire cu gropi cuantice sau excitoni uni-dimensionali. Prin cuantizarea dimensională, ingineria de bandă conduce la proprietăţi mecanice, chimice, electrice, optice, magnetice, electro-optice şi magneto-optice considerabil diferite de cele observate în materialul masiv.

Încercăm în cele ce urmează să arătăm, în mod sintetic, care sunt principalele linii directoare ale noii evoluţii în ştiinţa şi tehnologia materialelor electronice avansate:

Fenomenele de auto-organizare a materiei condensate vor fi utilizate la auto-asamblarea elementelor de circuit la scară nanometrică, ceea ce va duce la sporirea densităţii de integrare, la simplificarea procedeului de obţinere şi la creşterea fiabilităţii dispozitivelor electronice.

Provocarea ştiinţifică: Au fost descoperite reacţii chimice care fac ca particulele magnetice foarte mici (care conţin doar câteva mii de atomi şi au diametrul de ~4 nm) să se auto-asambleze în reţele perfect ordonate, în care fiecare particulă să fie situată la distanţe prestabilite faţă de particulele vecine. Reacţiile permit controlul precis atât al dimensiunii nanoparticulei cât şi al distanţei de separare, factori importanţi pentru creşterea densităţii de date memorate magnetic. Este necesară cunoaşterea şi înţelegerea fenomenologiei magnetizării particulelor mici.

Pe plan general, este necesară înţelegerea profundă a sistemelor complexe. Este necesară cunoaşterea modului de auto-organizare a materiei vii, asamblarea proteinelor şi a celulelor.

Proprietăţile de lubrefiere ale straturilor cu auto-organizare şi natura microscopică a lubrefierii vor fi studiate prin tehnici moderne ca, de pildă, microscopia cu forţe atomice.

Provocarea tehnologică: Este necesar să se pună la punct alinierea foarte precisă a capului de citire/înscriere pe fiecare particulă, care trece prin dreptul său, la viteze mari de rotaţie a capului. Se va folosi auto-asamblarea bazată pe acizii nucleici în scopul construirii dispozitivelor nano-electronice. Se va încerca auto-asamblarea clusterilor metalici în structuri periodice, folosind moleculele de ADN, având în vedere că structurile spaţiale sunt definite de moleculele de ADN ca un fel de grilaj. Se va cerceta producerea prin reacţii chimice a nano-particulelor metalice magnetice, auto-asamblate, la distanţe controlate. Se va urmări mimarea proceselor de auto-asamblare care au loc în materia vie. Utilizarea auto-asamblării biosubstanţelor pentru inducerea organizării în sistemele anorganice se va afla în prim-planul cercetării aplicate.

Se vor întreprinde cercetări pentru aplicaţiile straturilor cu auto-organizare în tribologie, precum şi la senzorii chimici (de gaze) pentru oscilatori piezoelectrici şi dispozitive cu unde acustice de suprafaţă.

Fenomenele chimice şi biochimice la interacţiunea particulelor nano-cristaline sunt complet diferite de cele care au loc la interacţiunea cu sistemele de dimensiuni micro sau macrocristaline.

Provocarea ştiinţifică: Studiile asupra modificărilor induse în substanţe cu toxicitate foarte mare se vor face pe substanţe care imită structura acestora. Un exemplu grăitor este problema neutralizări gazului sarin: O=P-(CH₃,F,O)-C-(CH₃)₂H. S-a arătat, că ruperea legăturii P=O, responsabilă pentru toxicitatea sarinului, este realizată foarte eficient de nano-particulele de oxizi metalici (în particular oxidul de magneziu - comunicare recenta, Sofia 2002, Prof. F. Klabunde, Kansas City). Este necesar un studiu aprofundat privind relaţia dintre dimensiunea nano-particulei şi reactivitatea specifică, privind efectul diferiţilor oxizi metalici nano-cristalini. Este necesară înţelegerea activităţii chimice a nano-particulelor, a absorbţiei destructive a gazelor pe particule mici. Forma particulei este, de asemenea, un parametru important al activităţii şi specificităţii nano-particulelor, care trebuie studiat şi înţeles în profunzime. Stabilitatea particulelor în condiţii normale trebuie înţeleasă şi maximizată. Având în vedere descoperirea formei de oxid de magneziu nano-poros, cu structură asimetrică unică (Stephen Sulb, Fall MRS Meeting 1998), investigarea efectelor de catalizator selectiv şi de filtru sunt necesare pentru înţelegerea fenomenologiei nano-structurale.

Activitatea biocidă a nanocristalelor este extrem de puternică. S-a arătat că o bacterie poate fi afectată prin: a) rupere în bucăţi, b) atragere şi coagulare pe particule, c) absorbţia clonei printr-o acţiune oxidantă, d) acţiune distrugătoare asupra sporilor bacterieni. S-a studiat recent acţiunea nanoparticulelor asupra bacteriei antraxului. Este nevoie de continuarea şi extinderea cercetărilor fundamentale în această direcţie.

Provocarea tehnologică: Producerea de pulberi de nanoparticule eficiente, controlul dimensiunilor nanoparticulelor, producţia de masă, procedee eficiente de stocare, etc.

Fenomenele cuantice în nano-firele de siliciu vor permite exploatarea la nivel superior a celui mai utilizat semiconductor în electronica actuală, siliciul.

Provocarea ştiinţifică: Este necesară găsirea unei căi prin care să se depăşească problemele implicate la doparea siliciului pentru cazul dispozitivelor nanometrice. Este de aşteptat ca, la scară nanometrică, să apară o variaţie statistică a concentraţiei de dopant. Această variabilitate creează probleme la proiectarea dispozitivelor electronice, deoarece nu se poate prezice comportarea unui grup mare de astfel de dispozitive. Soluţia constă în crearea de nano-fire din clusteri de siliciu construiţi în jurul unui atom dopant. Datorită efectelor cuantice apar rezonanţe de interferenţă la mişcarea electronilor şi, în consecinţă, vârfuri de curent (spikes-uri) la trecerea acestora prin nano-canalul conductor. Aceste aspecte trebuie să fie investigate în profunzime.

Provocarea tehnologică: La construirea dispozitivului, tehnologia trebuie să aibă în vedere fie utilizarea efectului de “spikes”, fie evitarea acestuia.

Fenomenele foto-voltaice în materiale organice au atras atenţia cercetărilor datorită posibilităţilor de producere la scară mare şi prin procedee simple de pulverizare (spray) a straturilor fotoconductoare, prin care se obţin celule solare “moi”. Materialele organice electronice sunt solide conjugate, la care atât absorbţia optică cât şi transportul de sarcini electrice sunt dominate de orbitalii parţial delocalizaţi  şi  *. Candidate pentru aplicaţii fotovoltaice sunt straturile cristaline sau policristaline de molecule mici (cu masa moleculară sub 100), straturile amorfe preparate prin depunere în vid sau din soluţie şi straturile de polimeri sau oligomeri conjugaţi.

Provocarea ştiinţifică: Se impune studiul efectului condiţiilor de procesare asupra morfologiei şi performanţei celulelor solare, găsirea şi caracterizarea materialelor noi, precum şi îmbunătăţirea condiţiilor de lumină, a generării fotocurentului, a transportului de sarcină, a modului de producere a celulelor şi a stabilităţii acestora. Este necesară înţelegerea funcţionării dispozitivului şi găsirea limitelor performanţelor sale.

Provocarea tehnologică: Este legată în special de combinarea materialelor în noi arhitecturi de dispozitiv, manipularea materialelor la nivel molecular, creşterea randamentului de conversie a energiei solare, în exploatarea fenomenelor de auto-asamblare şi de modificare a interfeţelor.

Interacţiunea dintre biosubstanţe şi materiale anorganice stă la baza aplicaţiilor biomedicale ale materialelor avansate.

Provocarea ştiinţifică: Interfaţa dintre celulele osoase şi materialul ortopedic/dental, de obicei metalic, nu este un simplu contact ci o interfaţă celulă-material dinamică şi complexă. Datorită proceselor de sterilizare, expunere la aer şi la mediul biologic, suprafaţa unui implant medical este un strat de oxid, deci compoziţia suprafeţei diferă de cea a interiorului. Proteinele vor fi absorbite rapid pe stratul de oxid şi se va crea un strat de proteine cu compoziţie variabilă în timp. Dacă se formează receptori-liganzi potriviţi şi în număr mare, semnalele vor fi transmise nucleului celulei prin cascade de reacţii chimice şi astfel vor fi reglate funcţiile celulei (aderenţă, diferenţiere, depunere de matrici, etc.). O completă înţelegere a modului în care celulele interacţionează cu materialele avansate este o necesitate crucială pentru dezvoltarea unor noi metode pentru controlul biomaterialului celular, eventual al ţesuturilor. Este nevoie de noi metode analitice pentru investigarea modificărilor superficiale la interfaţa cu implantul anorganic şi a răspunsului biologic la aceste modificări.

Este necesar studiul aprofundat al biosticlelor şi bioceramicilor pentru a explica faptul că ele pot accelera formarea ţesutului osos, astfel încât să prevină căderea dinţilor şi să stimuleze repararea oaselor după o operaţie chirurgicală.

Se vor căuta macromolecule capabile să interacţioneze inteligent cu ţesutul viu. Se va urmări posibilitatea de a comanda celula prin calculator şi senzori conectaţi prin contacte speciale între macromoleculele biologice şi cele sintetice. Se va pune la punct sinteza biomimetică. Se va folosi ingineria genetică pentru a determina ca unele plante să producă polimeri importanţi din punct de vedere tehnic.

Provocarea tehnologică: Vor fi avute în vedere noi procedee tehnologice bazate pe cunoaşterea interacţiilor celulă-material, pentru implanturile dentale şi ortopedice.

Chimia suprafeţelor implanturilor se va controla prin crearea de micro-contacte, adică inducerea unei distribuţii spaţiale a biomoleculelor care să permită obţinerea unui răspuns celular dorit. Este nevoie de dezvoltarea proceselor litografice si de printare a microcontactelor cu scop medical.

Se vor pune la punct procedee de obţinere a firelor de paianjen, utilizabile la jachete anti-glonţ, de obţinere pe cale macromoleculară de noi catalizatori, de medicamente, de senzori pentru monitorizarea mediului, de membrane sofisticate.

Ingineria cristalină reprezintă un procedeu complex de obţinere de materiale noi folosind blocuri de construcţie sau sintoni supramoleculari. Este o parte integrantă a chimiei supramoleculare. Problema prezicerii structurale devine o problemă de arhitectură de reţea similară jocului LEGO. Structurile cristaline se consideră ca fiind reţele în care moleculele sau ionii sunt noduri de reţea iar interacţiile inter-moleculare şi relaţiile de coordinaţie reprezintă interconexiunile nodurilor. Proiectarea unor reţele uni, bi sau tri-dimensionale se face prin combinarea nodurilor şi conectorilor.

Provocarea ştiinţifică: Crearea de reţele atomice noi, de reţele complexe metal-ligand. Proiectarea de materiale nanoporoase. Strategia obţinerii porilor pe baza propagării simetriei moleculare în cea cristalină prin forţele direcţionale, tari, poate fi înlocuită cu noi strategii şi anume ţinând seama de principiile de împachetare a materialelor amorfe. Proiectarea unor noi materiale optice, magnetice şi nanostructurate.

Provocarea tehnologică: Producerea efectivă a unor materiale noi cu proprietăţi predictibile. Producerea de medicamente noi. Producerea de materiale nanoporoase cu pori de dimensiune şi formă controlată. Producerea de materiale optice, magnetice, etc.

Ingineria formelor complexe ale carbonului. Fullerenele, în general, şi nano-tuburile de carbon furnizează câteva direcţii de cercetare fundamentale şi perspective aplicative promiţătoare.

Provocarea ştiinţifică: Proprietăţile chimice, transportul electronic, emisia în câmp, proprietăţile mecanice, sunt insuficient cunoscute. Nu există o înţelegere clară a mecanismului de creştere la scară microscopică. Astfel, prin descompunerea termică a hidrocarburilor se pot forma, în mod surprinzător, încă neexplicabil, nano-tuburi în formă de spirale (nano-arcuri). Nanostructurile de carbon nu apar niciodată în formă pură. Nu se poate controla diametrul şi elicitatea nano-tuburilor. Conducţia în nano-tuburi este cuantizată. Rezultatele cercetărilor de până acum în ceea ce priveşte tipul conducţiei sunt contradictorii: este transportul electronic în nanotuburi balistic sau difuziv ? este comportarea electronilor de tip lichid Luttinger (gaz de electroni puternic corelaţi) sau de tip Fermi (cvazi-particule care interacţionează slab) ?

Provocarea tehnologică: Se preconizează dezvoltări rapide în mai multe direcţii:

• Crearea de fire supraconductoare prin umplerea nano-tuburilor cu molecule de fullerene C₆₀ sau cu fullerene cu atomi metalici înglobaţi (de ex. lantan în fullerena C₈₂).
• Folosirea nano-tuburilor pentru manipularea la scară nanometrică, în ingineria ADN, a proteinelor, în microscopia cu forţe atomice, etc.
• Crearea de materiale compozite cu armături de carbon. Se vor face cercetări referitoare la utilizarea fullerenelor ca lubrefianţi de calitate superioară, microcatalizatori şi suporţi de medicamente cu ţintă şi descărcare controlată în timp.

Electronica de spin prezintă un domeniu complex cu potenţialităţi aplicative. Scopul esenţial al electronicii de spin sau spintronicei este de a folosi spinul particulelor elementare pentru a transporta semnale şi a prelucra informaţia.

Provocarea ştiinţifică: Cercetările fundamentale asupra transportului de spin în materiale nano-structurate, deşi sunt importante, nu au epuizat încă fenomenologia spinului electronic. Este nevoie de generarea, menţinerea şi propagarea spinilor cu timp lung de viaţă, în semiconductori. Pentru a combina spinul şi sarcina, sau pentru a obţine funcţionalităţi noi, trebuie să se reuşească injectarea spinilor în heterostructuri semiconductoare, pe cale electrică.

Provocarea tehnologică: Crearea de multistraturi cu magnetorezistenţă gigantă (cu curent care să circule paralel cu interfaţa) va fi utilă pentru înlocuirea permalloyului din capetele de citire ale dispozitivelor de înregistrare magnetică. Studiul fenomenului de injecţie de spin de la un feromagnet la un metal nemagnetic va permite producerea tranzistorilor bipolari magnetici de înaltă performanţă. Tranzistorii cu efect de câmp, cu poartă metalică (la care poarta este un strat magnetic cu magnetorezistenţă gigantă) pot fi utili ca senzori de câmp deoarece curentul de colector se comportă ca o funcţie exponenţială de rezistenţa porţii. Ei sunt importanţi şi din punct de vedere al cercetării fundamentale pentru faptul că electronii fierbinţi, care depăşesc barierele Schottky, evidenţiază structura de benzi dependentă de spin peste nivelul Fermi. Memoriile magnetorezistive pot fi îmbunătăţite pe baza joncţiunilor tunel între două straturi feromagnetice, care prezintă salturi mari şi abrupte ale rezistenţei când magnetizarea straturilor este comutată de la orientarea paralelă la cea antiparalelă.

Se caută noi materiale capabile să injecteze spini, cu eficienţă mare de injecţie şi utilizabile la temperatura camerei. Este nevoie să se stăpânească tehnologia de preparare a straturilor subţiri de Co_xTi_1-xO₂, să fie controlată difuzia cobaltului în anataz (TiO₂) şi tendinţa de formare a fazelor secundare Co-Ti-O.

Electronica moleculară este electronica superminiaturizată, dezvoltată la nivelul unei molecule. Baza acestei electronici este comutatorul molecular precum şi contactele intrare-ieşire ale acestuia. Un comutator molecular necesită bistabilitatea unei molecule (sau ion), care permite crearea unei memorii binare. Comutatorul trebuie să fie perfect controlabil, reversibil şi citibil la nivel molecular. în electronica moleculară se are în vedere molecula ca dispozitiv electronic auto-conţinut. Viteza de comutare şi integrarea tridimensională pot fi, astfel, aduse la limitele lor maxime. Problema fiabilităţii în electronica moleculară este un punct cheie al cercetărilor şi o mare provocare ştiinţifică şi tehnologică. Un standard înalt de fiabilitate a dispozitivelor moleculare integrate se obţine dacă sistemul electronic este astfel proiectat încât să funcţioneze similar cu sistemul neo-cortical (creierul). Se ştie că imaginile sunt memorate în creier sub formă de holograme. De aceea, chiar în condiţiile distrugerii unui număr apreciabil de celule nervoase superioare, holograma va fimenţinută, deşi cu o rezoluţie mai scăzută. Astfel, distrugerea (sau nefuncţoalitatea) unei fracţuni din celulele electronice, cauzată de diferiţi factori (radiaţii, căderi accidentale, imperfecţiuni tehnologice, etc.) nu va împiedeca lucrul sistemului electronic ca un întreg.

Provocarea ştiinţifică: Descoperirea de noi comutatori între două stări de energie diferită: schimbări cis/trans şi schimbări ale numărului de coordinaţie, schimbări ale spinului (up/down, high/low), transfer electronic (reacţii redox). Descoperirea de noi comutatori între stări de aceeaşi energie: schimbări ale poziţiei electronilor localizaţi, izomeri optici, materiale cu valenţă mixtă. Studierea efectelor stimulilor la bascularea comutatorilor moleculari şi înscrierea şi citirea informaţiei: radiaţiile electromagnetice, câmpurile electrice şi magnetice, reacţiile chimice. Fenomenul de “spectral hole burning” şi proprietăţile optice neliniare vor fi studiate în noi materiale utilizabile în scopurile electronicii moleculare.

Studiile de chemionică se vor concentra asupra interacţiunii ionilor prin care se acţionează comutatorii reprezentaţi de moleculele bistabile.

Provocarea tehnologică: Producerea practică a comutatorilor moleculari bistabili trebuie să aibă în vedere, pe de o parte, stabilitatea lor şi, pe de altă parte, erorile care apar la stabilirea unei stări moleculare precise şi care pot fi cauzate de: fluctuaţiile cuantice, disiparea căldurii, calitatea comenzii de acţionare (contactele intrare/ieşire). Degradarea termică şi fotochimică a comutatorului prin ruperea legăturilor interatomice, precum şi produsul cuantic subunitar reprezintă provocări tehnologice majore. Se vor exploata efectele cuantice şi combinaţiile de proprietăti de material.

Ingineria la scară atomică şi moleculară necesită crearea de fire (conductori) moleculari. Se va avea în vedere proiectarea şi sintetizarea de molecule conductoare (ca, de pildă, moleculele de porfirină), care, unite în lanţuri, pot servi la legarea nanodispozitivelor electronice.

Electronica polimerică: A fost sugerată odată cu descoperirea polimerilor organici conductori în anul 1977. Plasticele care conţin electroni liberi sunt cele care au legături simple şi duble, adică sistemele conjugate. Un exemplu este poliacetilena dopată. Electronica plastică (polimerică) are impact puternic în tehnologia informaţiei.

Provocarea ştiinţifică: Crearea de noi sisteme polimerice conductoare. Cercetarea proprietăţilor de electroluminescenţă ale acestora. Cercetări asupra creşterii eficienţei emisiei de lumină, a îmbunătăţirii timpului de viaţă, generarea de culori pure. Crearea de polimeri semiconductori. Dezvoltarea tranzistorului polimeric cu efect de câmp. Se va căuta răspunsul la întrebarea: Care este rolul organizării supramoleculare a polimerului asupra proprietăţilor sale electronice ? Este important de a înţelege relaţia dintre morfologie, mobilitate şi emisia de lumină. Un studiu necesar este cel legat de dezordine şi interfeţe precum şi de fenomenele de degradare (îmbătrânire). Este important studiul extensiv al influenţei câmpului electric în procesul de dopare. Prin controlul direcţiei de dopare se pot controla proprietăţile conductoare şi se poate comuta un polimer din starea conductoare în cea izolatoare şi invers. Studiul efectelor de comutare în polimeri optici neliniari este foarte necesar, la fel ca şi cel al interferometriei pe polimeri. Se va investiga comportarea particulelor de polimeri cu dimensiuni sub-micronice. Se vor studia compozitele material plastic , particule de oxizi nemetalici şi metalici.

Materialele optice neliniare îşi modifică indicele de refracţie, dacă sunt plasate într-un câmp electric, magnetic sau optic. Ele pot fi utilizate ca medii active în dispozitive optice şi în optica integrată, pentru controlul razei de lumină. Se consideră că polimerii organici vor deveni cele mai atractive materiale cu proprietăţi neliniare. Materialele optice neliniare pot fi fabricate sub formă de: a) monocristale, b) straturi Langmuir-Blodgett, c) soluţii solide de molecule neliniare în matrici polimerice, d) polimeri cu lanţuri principale, în care grupele active sunt încorporate în scheletul polimerului, e) polimeri cu lanţuri laterale, cu molecule active ataşate scheletului polimeric printr-un distanţor flexibil.

Se va urmări obţinerea de ecrane cu polimeri electroluminescenţi, flexibile şi de arie mare, prin procedeul simplu de tipărire. Unul dintre scopurile de perspectivă este producerea unei diode laser cu polimer.

Polimerii organici vor fi folosiţi în optica integrată, pentru producerea de ghiduri de undă, prin depuneri de tip “dipping” şi “spin coating”.

Trei clase de polimeri optici neliniari, cu neliniarităţi cvadratice, vor fi investigate în profunzime: cristale lichide cu lanţuri laterale, polimeri feroelectrici şi polimeri amorfi. Polimerii amorfi sunt extrem de promiţători iar proprietăţile lor optice neliniare trebuie cercetate cu prioritate.

în categoria materiei moi (soft matter) intră aşa-numitele geluri inteligente. Sunt materiale alcătuite dintr-o reţea polimerică ce reţine o matrice de solvent (apă). în funcţie de intrarea şi ieşirea solventului, gelul se dilată sau se contractă. Modificările de volum pot fi controlate cu ajutorul unui câmp electric. Gelurile pot fi aplicate, de exemplu, la controlul curgerii unui fluid, prin fabricarea unor supape pe bază de geluri. Este necesară o bună cunoaştere şi stăpânire a fenomenelor de umflare şi găsirea de sisteme noi, care să maximizeze efectul deja observat.

Cristalele coloidale sunt structuri periodice tridimensionale formate din particule mici suspendate în soluţii. Ele pot fi utilizate ca filtre optice, comutatori, materiale cu benzi interzise fotonice, şi reprezintă în acelaşi timp modele de studiu pentru fenomenele de cristalizare şi topire. Aplicaţiile cristalelor coloidale sunt încă restrânse datorită dificultăţilor de realizare a cristalelor mari, cu orientare controlată. Epitaxia coloidală poate deschide noi căi pentru fabricarea de cristale coloidale.

Provocarea tehnologică: Producerea de componente electronice bazate pe polimeri şi circuite integrate cu polimeri. Crearea de diode luminescente (LED) cu polimeri pentru ecrane TV şi de ferestre “inteligente”, care opresc sau permit trecerea luminii în funcţie de luminozitatea externă sau de temperatura interioară. Dezvoltarea de microprocesoare rapide şi de mare capacitate prin exploatarea proprietăţilor electronice la limita scării moleculare a dimensiunilor de dispozitiv. Crearea şi optimizarea comutatorilor optici neliniari.Crearea modulatorilor de lumină spaţiali pentru procesarea paralelă a imaginilor. Integrarea monolitică a unei diode laser de infraroşu cu un ghid de undă multistrat polimeric. Dezvoltarea interferometrului integrat cu polimeri şi a ghidurilor de unde în canal monomod. Pe baza efectelor ce se pot obţine în particulele polimerice ce pot fi încărcate electric, se are în vedere dezvoltarea unei noi generaţii de “doturi cuantice”. Cristalele lichide vor fi aplicate în display-uri. Se va exploata proprietatea de orientare controlată pe suprafeţe de carbon DLC (diamond-like carbon).

Structurile cuantice. Compuşii semiconductori din clasa A^III B^V sunt materiale importante pentru aplicaţiile de înaltă performanţă care depăşesc limitele fizice ale siliciului. Anumite funcţii pot fi realizate numai cu tehnologia A^IIIB^V. O nouă generaţie de dispozitive a devenit posibilă prin dezvoltarea tehnicilor epitaxiale. Producerea de heterostructuri a deschis calea unei noi tehnologii de material denumită ingineria de bandă interzisă. Se exploatează în acest scop structurile complexe ternare sau cuaternare cu interfeţe abrupte sau gradate.

Provocarea ştiinţifică: Studiul sistemelor semiconductoare bazate pe nitrura de galiu combinată cu alte elemente din clasele III şi V. Găsirea de noi structuri cuantice. Dezvoltarea de noi metode pentru producerea structurilor cuantice simple şi multiple. Se va studia adaptarea materialelor epitaxiale III-V la siliciu (epitaxia GaAs/Si). Deşi diferenţele de constantă de reţea sunt foarte mari, este extrem de tentantă obţinerea unei combinări ale proprietăţilor de material III-V cu imensa capacitate de integrare microelectronică a siliciului. Epitaxia heterostructurală va fi un domeniu de vârf foarte promiţător pentru aplicaţii.

Provocarea tehnologică: Semiconductorii III-V vor fi optimizaţi în vederea producerii de diode cu emisie în diverse zone ale spectrului (de la roşu la UV). Se va urmări creşterea randamentului cuantic. Prin combinarea diodelor luminescente în roşu, albastru şi verde se va avea în vedere obţinerea de LED-uri performante (structuri cu groapă de potenţial unică - single quantum well) cu eficienţă de 20-30 lm/W (actualmente posibil !), ceea ce va permite înlocuirea lămpilor cu incandescenţă, în scopul economisirii drastice a energiei convenţionale. Se va maximiza capacitatea de stocare a discurilor magnetice şi optice printr-o focalizare avansată a luminii de lungime de undă mică (diodele în albastru sunt candidate în acest scop). Se va pune la punct ingineria de bandă interzisă între limitele 6,2 eV pentru AlGa şi 2,0 eV AlInGaN).

Epitaxia heterostructurală va trebui să devină o parte integrantă a procesului de producere a dispozitivelor micro şi nano-electronice. Epitaxia III-V pe siliciu va fi urmărită cu tenacitate.

Microclusterii şi doturile cuantice. Sunt agregate mici de atomi care constitutie o fază distinctă a materiei solide. Proprietăţile lor sunt deosebite de cele ale materiei în stare masivă. Sistemele de atomi pot avea compoziţie simplă sau complexă, iar varietatea elementelor cuprinse dă posibilitatea unor vaste cercetări de material, cu implicaţii neprevăzute. în ultimii ani, cercetarea clusterilor a condus la apariţia unei ştiinţe interdisciplinare şi a ridicat întrebări fundamentale asupra naturii suprafeţelor moleculare. Specialiştii consideră că ştiinţa microclusterilor este relevantă nu numai pentru fizica stării condensate, dar şi pentru electronică şi astrofizică.

Provocarea ştiinţifică: Clusterii unor metale absorb puternic lumina, datorită densităţii mari a electronilor lor de valenţă, a raportului mare suprafaţă/volum (deci mulţi electroni se află la suprafaţă) şi a uşurinţei cu care norii electronici ai metalului pot fi distorsionaţi sau polarizaţi. Lungimile de undă absorbite sunt caracteristice. Clusterii pot absorbi mai mult de un foton şi, în consecinţă, se manifestă puternic în procesele foto-chimice. Dacă sunt suspendaţi într-un mediu transparent ei pot constitui detectori de radiaţie eficienţi, filtre de lungimi de undă sau elemente într-un sistem de memorie optică. Este necesară o cunoaştere aprofundată a structurii şi proprietăţilor clusterilor atât sub formă liberă cât şi înglobaţi în matrici cristaline sau sticloase.

Proprietăţile speciale, ca, de pildă, încărcarea negativă a ionilor metalici şi a micilor clusteri în cristale, interacţiunea dintre clusteri, clusterii în starea coloidală, efectul luminii asupra clusterilor, transparenţa materialelor cu clusteri, etc. sunt subiecte ce trebuie să fie abordate cu prioritate.

Ştiinţa trebuie să răspundă la următoarele întrebări: Cât de mici trebuie să fie agregatele de particule pentru a pierde proprietăţile materialului masiv ? Cum se reconfigurează atomii dacă sunt eliberaţi de constrângerile materialului din jur ? Dacă e vorba de un metal, cât de mic trebuie să fie clusterul pentru ca să dispară efectul electronilor liberi care dau conductivitatea metalică ? Oare clusterii trec treptat de la o structură stabilă la alta prin simpla adăugare de atomi sau suferă transformări radicale în procesul de creştere ? Dacă un cluster înseamnă suprafaţă covârşitoare, atunci cum se pot transpune conceptele legate de suprafaţă de la masiv la cluster şi invers ?

înţelegerea procesului de auto-organizare este critică pentru controlul caracteristicilor doturilor cuantice utilizabile în dispozitivele cu emisie laser, la care lungimea de undă emisă depinde de dimensiunea doturilor. Principiile nucleerii şi dezvoltării doturilor sunt o provocare a nano-ştiinţei. Ce se întâmplă cu doturile când temperatura, compoziţia materialului şi tensiunile mecanice din material se modifică ? Provocatoare este eventuala demonstraţie că o parte din fizica materialelor cu insule de compoziţie este aplicabilă doturilor.

Reacţia dintre nanoparticulă şi mediul biologic este de maximă importanţă. Efectele de neutralizare a otrăvurilor şi distrugerea agenţilor patogeni trebuie studiate cu prioritate, datorită ameninţării terorismului global.

Provocarea tehnologică: Datorită puternicii reactivităţi şi selectivităţi a aglomerărilor de atomi, aceştia vor fi aplicaţi în cataliză şi ecologie, în combaterea terorismului şi apărarea civilă.

Nano-optica şi nano-optoelectronica. Electronica viitorului va fi optoelectronica. Se va avea în vedere atât miniaturizarea dispozitivelor optice şi optoelectronice cât şi integrarea acestora în circuite optoelectronice complexe.

Provocarea ştiinţifică: Optica moleculară va fi în atenţia cercetărilor. Se vor investiga proprietăţile polimerilor optici neliniari. Se vor studia efectele de comutare în polimeri. Se vor cerceta materiale şi efecte optice specifice legate de despicarea şi reformarea unui fascicul de lumină, de cuplajul optic şi de transmisia luminii (fibre optice). Se va încerca cuplarea dispozitivelor molecular-electronice cu cele optic-electronice. Este nevoie de studii privind stabilitatea termică a polimerilor neliniari. Se va urmări creşterea temperaturii de înmuiere, co-polimerizarea controlată, etc. Se vor căuta şi studia noi efecte optice în reţelele de microlentile.

Provocarea tehnologică: Se vor dezvolta tehnicile de manipulare la scară moleculară şi de asamblare moleculară până la limitele maxime spaţiale, spectrale şi de timp. De la ingineria moleculară se va trece la dispozitivele optice integrate, cu accent pe cele bazate pe polimeri optici neliniari. Se va încerca obţinerea de dispozitive pentru generarea armonicii a doua în intervalul spectral verde-albastru, precum şi modulatori electro-optici bazate pe polimeri optici neliniari. Se vor dezvolta noi dispozitive integrate pentru reţele de comunicaţii. Se vor cerceta şi produce comutatorii termo-optici de putere foarte mică. Este necesară crearea unui tranzistor cu efect de câmp (FET) din polimeri cu mobilitate şi raport intrare/ieşire suficient de mari pentru a obţine viteze mari de comutare în circuitele logice, care să permită controlul dispozitivelor cu ecrane cu matrici active din LED-uri polimerice, de înaltă rezoluţie. Se va urmări producerea circuitelor logice cu polimeri.

Sistemele integrate pentru vedere vor reprezenta o parte integrantă a viitoarelor sisteme de vedere inteligente. Prin implementarea algoritmilor de prelucrare a imaginii pe un singur “chip”, se vor realiza sisteme compacte, care vor înlocui pe cele din CCD-uri.

Sa va dezvolta tehnologia reţelelor de lentile cu aplicaţii în fotografia integrală, a microreţelelor de lentile pentru sisteme de cuplare şi pentru conectori în procesoarele optice, pentru focalizarea luminii în sisteme de foto-detectori, pentru copiatoare, etc.

Structurile de neechilibru sunt sisteme care se obţin în stare solidă în condiţii de nechilibru. La viteze mari de răcire a topiturilor (10⁶ grad/s) pot fi îngheţate structuri noi, iar compoziţiile conţin faze aflate dincolo de limita echilibrului termodinamic.

Provocarea ştiinţifică: Obţinerea de noi faze de neechilibru, în stare cristalină sau sticloasă şi înţelegerea stării de nechilibru. Proprietăţile noi, unele complet inedite, legate de rezistenţa mecanică, duritate, proprietăţi electrice şi magnetice, rezistenţa la coroziune, activitatea catalitică, impun un studiu de anvergură pentru fiecare sistem preparat.

Provocarea tehnologică: Aplicarea fazelor de neechilibru, prin combinarea durităţii şi anti-corozivităţii, la scule aşchietoare, la sape de foraj, la sisteme care operează în condiţii extreme. Combinarea proprietăţilor magnetice cu duritatea sugerează utilizarea la benzi magnetice. Sticlele feromagnetice se magnetizează uşor datorită mişcării uşoare a pereţilor magnetici şi, de aceea, se are în vederea aplicarea lor la transformatoarele electrice de putere, cu pierderi în miez foarte mici.

Materia solidă sub formă dezordonată (amorfii şi sticlele). Deşi starea solidă dezordonată este bine cunoscută de multă vreme, potenţialul ei ştiinţific şi aplicativ rămâne deosebit de înalt iar interesul legat de integrarea la scară nanometrică este covârşitor.

Provocarea ştiinţifică: Comportarea sticlelor este încă necunoscută, mai ales în domeniile în care devin candidate serioase pentru aplicaţii. Sticlele semiconductoare, ca de pildă cele calcogenice, au posibilităţi enorme de aplicare în electronică şi optoelectronică. Nu se ştie decât foarte puţin în legătură cu separările de faze. Este neînţeles fenomenul de separare de bule la procesarea sticlelor. Calitatea optică impune controlul multor parametri reologici şi mecanici. Se are în vedere obţinerea şi studierea compozitelor calcogenice sticlă-microcristal, numite vitroceramice de infraroşu. Ele vor reprezenta viitoarea generaţie de materiale transparente în infraroşu, fie sub formă masivă, fie sub formă de fibre.

Sticlele calcogenice cu proprietăţi optice deosebite (opace în vizibil şi transparente în infraroşu) au devenit competitive pentru detecţia în zona infraroşie medie a spectrului electromagnetic. în comparaţie cu cristalele de germaniu, sticlele sunt ieftine şi pot fi modelate în forme şi dimensiunile dorite, pentru a produce lentile IR. Transformate în fire ele reprezintă o nouă generaţie de ghiduri de unde în domeniul 3-12 microni. Aceste materiale deschid calea dezvoltării de senzori de temperatură, chimici şi biochimici. Se are în vedere utilizarea fibrelor calcogenice ca vârfuri foarte fine pentru microspectroscopia de câmp apropiat (cu baleiaj).

Sticlele calcogenice cu nano-cristalite nu au rival faţă de starea sticloasă pură, în ceea ce priveşte proprietăţile termo-mecanice şi de aceea investigarea acestor sisteme şi dezvoltarea de sisteme noi este foarte importantă. Până în prezent prepararea sticlelor complexe s-a făcut cu materiale de slabă puritate. Se aşteaptă evidenţierea puternică a efectului de dopare în sticle la folosirea substanţelor componente de puritate foarte înaltă. Este foarte important studiul fenomenelor de dopare în comparaţie cu cazul siliciului (germaniului). Este important să se înţeleagă stabilitatea sticlelor metalice cu Zr, Ti, Ni, Cu, Be.

Provocarea tehnologică: Dezvoltarea de dispozitive electronice şi optoelectronice pe bază de sticle, producerea de noi fibre de infraroşu. Crearea de noi diode şi tranzistori şi de memorii pentru CD, DVD şi pentru computere super integrate. Se vor dezvolta noi senzori chimici: pentru poluanţi lichizi, pentru gaze, pentru umiditate, etc. Se preconizează dezvoltarea de chipuri din siliciu amorf halogenat.

Se vor dezvolta aplicaţiile sticlelor metalice şi ale matricilor sticloase compozite. Se va exploata oportunitatea stării lichide subrăcite pentru producerea de componente metalice cu foarte mare rezistenţă mecanică, rigiditate, rezistenţă la oboseală, la uzură şi la coroziune.

Biotehnologia siliciului combină chimia siliciului cu biotehnologia în scopul dezvoltării de noi materiale bazate pe organo-siliciu mijlocite biologic. Aceste materiale pot fi utilizate ca senzori şi dispozitive pentru diagnostic, sisteme de eliberare controlată a medicamentelor în organism, produse pentru îngrijirea corpului şi cosmetică.

Provocarea ştiinţifică: Investigarea comutatorilor electronici incorporabili în senzori, studiul proprietăţilor fotonice ale sistemelor siliciu-biocompuşi. Crearea şi investigarea de materiale noi.

Provocarea tehnologică: Fabricarea nano-sistemelor enzimatice. Utilizarea rutelor biocatalitice. Se va merge spre integrare şi compatibilizare. Se va urmări creşterea fiabilităţii şi stabilităţii în timp a dispozitivelor.

Biopolimerii reprezintă un domeniu extrem de important aflat la interfaţa chimiei, biologiei şi fizicii.

Provocarea ştiinţifică. Investigarea membranelor polimerice mixte, orientate, va permite o abordare utilă a modelelor de celule stabilizate precum şi caracterizarea proprietăţilor celulare. Este importantă simularea interacţiunilor biologice a căror cunoaştere completă este esenţială pentru medicină. Este necesară înţelegerea funcţiunilor membranei celulare şi a interacţiunilor celulă-celulă. Se va urmări înţelegerea specificităţii şi eficacităţii distrugerii tumorilor celulare de căte limfocite. Fenomenele legate de conducţia bidimensională, fotoconducţie şi de arhitectura necentrosimetrică vor fi în atenţia cercetărilor fundamentale.

Se va investiga procesul prin care ADN transmite şi prelucrează informaţia, în scopul creării computerelor cu ADN. Ele lucrează în sistemul paralel, sunt extrem de eficiente ca consum de energie şi stochează cantităţi imense de informaţie. Dezvoltarea biomimeticii, ca ştiinţă, va fi esenţială.

Provocarea tehnologică: Se are în vedere producerea de purtători de medicamente, sisteme catalitice şi biomimetice. Se vor face cercetări în scopul producerii de dispozitive biopolimerice pentru transferul de energie. Straturile lipidice polimerizate cu structură determinată pot fi utilizate în scopul separării diferitelor substanţe. Se preconizează crearea de hiperfiltre şi de membrane composite pentru separarea gazelor. Se vor face cercetări aplicative în scopul mimării funcţiunilor celulare. Se vor sintetiza modele de membrane şi celule. Modelele de până acum pentru interfaţa gaz-apă, pentru membrane moleculare lipidice şi pentru lipozomi sferici sunt mai puţin stabile decât sistemele naturale. Se va utiliza polimerizarea cu radiaţii ultraviolete, insertarea de diferiţi polimeri. Se va încerca depăşirea performanţelor biopolimerilor naturali.

Se va dezvolta tehnologia computerelor cu ADN pentru controlul sistemelor biologice. Moleculele biologice vor fi folosite pentru scopuri nebiologice.

Fluidele complexe. Se referă la materia moale (soft matter), care este bazată pe polimeri, surfactanţi, cristale lichide şi particule în stare coloidală.

Provocarea ştiinţifică: Înţelegerea fenomenelor specifice ca, de pildă, de ce o acţiune chimică slabă conduce la modificări drastice ale proprietăţilor mecanice ale materiei moi. Studiul polimerilor flexibili în soluţii. Studiul surfactanţilor, mecanismele de asamblare, şi modelarea formării structurilor complexe, incluzând părţile esenţiale ale materiei vii. Investigarea fazelor smectice şi a posibilităţii de obţinere a noi forme de materie, ca de pildă materia spongioasă. Formarea şi controlul straturilor de tip Janus grains din surfactanţi permeabili. Cercetarea fazelor fero-smectice şi studiul ferofluidelor. Studiul multistraturilor complexe, ca, de pildă, combinaţia bistrat-ferofluid-bistrat (club sandwich), care prezintă proprietăţi specifice la aplicarea unui câmp magnetic (instabilităţi ondulatorii). Dezvoltări teoretice legate de corespondenţa dintre conformaţiile unui lanţ polimeric flexibil şi traiectoriile unei particule nerelativiste. înţelegerea analogiei dintre fazele smectice şi supraconductori (în particular faza A*).

Provocarea tehnologică: Prducerea fazei spongioase prin controlul microemulsiilor. Folosirea sistemelor "club-sandwich pentru detectarea câmpurilor magnetice slabe: ~30 gauss. Producerea de surfactanţi permeabili din sticlă poroasă. Utilizarea fluidelor inteligente în maşinile moleculare.

Sistemele microporoase. Sunt sisteme abordate relativ recent. Materialele microporoase cunoscute sunt bazate pe siliciu, aluminiu şi fosfor. Porozitatea acestora este legată de barierele cinetice ce provin din legăturile tari Si-O, Al-O şi P-O. Ar putea exista şi alte sisteme stabile în forma microporoasă. Candidaţi posibili ar fi compuşii de bor (boraţii), care conţin ioni de metale de tranziţie Cr³⁺, Rh³⁺ stabilizaţi prin efecte de câmp ligand. O sită moleculară de titano-silicaţi, descoperită recent, conţine Ti⁴⁺ ca element structural discret şi nu ca substituent al siliciului tetra-coordinat. Materialelele au aplicaţii importante ca separatori moleculari şi suporţi de catalizatori.

Spumele metalice sunt metale poroase, care, în ciuda densităţii scăzute pot avea rezistenţe mecanice de până la zece ori mai mari decât în cazul metalelor normale. S-a înlocuit oţelul cu spume de greutate înjumătăţită dar cu rezistenţe mecanice de 6 ori mai mari. Se studiază spumele metalice de aluminiu pentru aplicare la construcţia automobilelor. O alternativă la spumele metalice este dată de aşa-zisele metale sintactice, produse prin încorporarea de microsfere . Magneziul sintactic combină rezistenţa mecanică cu capacitatea de a absorbi energia (fapt important pentru atenuarea efectelor în cazul ciocnirilor de automobile). Magneziul celular produs prin turnarea unor sfere ceramice goale în metal conduce la proprietăţi mecanice superioare spumei de aluminiu.

Domeniul spumelor şi cel al materialelor solide poroase generează o perspectivă fascinantă pentru interfaţa dintre cercetarea fundamentală şi aplicată. Siliciul poros reprezintă o stare morfologică a siliciului cu mari perspective aplicative. Siliciul granular cu granule cu oxidare controlată este un nou material provocator.

Provocarea ştiinţifică: Care este relaţia dintre proprietăţile fizico-chimice şi formarea golurilor interioare, a porilor ? Care este rolul legăturii chimice ? Cum se formează sistemul de bule ? Termodinamica spumei este puţin cunoscută. Relaţia dintre proprietăţile mecanice şi diametrul bulei de spumă nu este bine cunoscută.. Care este legătura dintre golul molecular şi cel la nivel macroscopic ? Problemele fundamentale ale izotropiei şi anizotropiei spumelor sunt extrem de excitante.

Separarea oxigenului de azot în atmosferă este un vis al ştiinţei membranelor. Care este baza ştiinţifică a controlului porilor cu ajutorul radiaţiei ultraviolete ?

Investigarea aprofundată a proprietăţilor sistemelor poroase, extinderea fenomenologiei de la siliciu la alte sisteme, producerea de sisteme poroase cu tipuri diferite de pori (formă, dimensiune, orientare) reprezintă provocări ştiinţifice importante. Aspectele fundamentale ale interacţiunii cu materialul biologic şi ţesuturile sunt importante. Biodegradabilitatea siliciului poros este o proprietate extrem de importantă pentru medicină iar înţelegerea ei este deficitară.

Provocarea tehnologică: Trebuie sintetizate noi sisteme microporoase. Se vor dezvolta cercetările către controlul dimensiunii, formei şi distribuţiei porilor din materialele poroase. Zeoliţii sunt folosiţi nu numai drept solide microporoase dar şi ca precursori versatili pentru sinteza unor ceramici de înaltă performanţă, iar stăpânirea proceselor de producţie strict controlate este de importanţă majoră.

Se vor implementa metode noi, rafinate, pentru producerea şi controlul porilor la scară nano şi mezo-scopică, pentru reţele de senzori, nano-reactori, dispozitive fotonice şi pe bază de fluide, straturi cu constantă dielectrică mică, precum şi reţele de difracţie optică din silice rezistentă la degradarea laser.

Producerea unor mase active eficiente şi uşoare în acumulatorii electrici cu plumb trebuie avută în vedere pentru viitorul apropiat. Spumele bazate pe aur şi pe argint vor oferi noi oportunităţi pentru arta decoarativă şi bijuterii. Spumele metalice vor putea fi folosite pentru structuri rezistente şi uşoare în construcţii industriale, ascensoare, etc. Efectele de drenaj şi omogenitatea spumelor sunt probleme tehnologice ce trebuie rezolvate în cel mai scurt timp.

Se vor dezvolta sisteme de eliberare controlată a medicamentelor în organism bazate pe siliciul poros. Se vor produce chipuri cu biosenzori din siliciu poros. Se are în vedere dezvoltarea cercetărilor tehnologice pentru producerea chip-urilor integrate pentru medicină (controlul medicaţiei şi medicaţia propriu zisă).

Ştiinţa şi ingineria materialelor compozite. Compozitele sunt materiale în care se îmbină două faze complet diferite: fie o fază cristalină şi una amorfă, fie o matrice amorfă sau cristalină în care se introduce o a doua fază sub formă dimensională diferită: de exemplu, fibre, plăci, clusteri, aglomerări fractale, etc.

Provocarea ştiinţifică: înţelegerea fenomenologiei unui material neomogen, cu bariere structurale şi electronice abrupte, este deosebit de actuală. Matricile cu nanotuburi de carbon au proprietăti fizice foarte diferite de cele ale componenţilor. în compozite efectele sinergice trebuie investigate în scopul maximizării acestora. Problemele fundamentale ale interacţiunilor fizice şi chimice se află pe prim plan şi stabilirea legităţilor este importantă pentru toate celelalte domenii ale stării condensate a materiei. Relevanţa asupra aplicaţiilor este remarcabilă.

Materialul plastic amestecat cu oxidul de siliciu conduce la un material cu rezistenţa mecanică de câteva ori mai mare decât cea a polimerului. Proprietăţile excepţionale de disipare a energiei mecanice sunt deosebit de importante pentru utilizare la şocuri (ciocnirile vehiculelor, lovirea clădirilor la cutremure, etc.). Proprietăţile de absorbţie şi disipare a energiei mecanice sunt legate de procesele care au loc la scara nanometrică (dimensiunea particulelor de silice este de ordinul a 50 nm iar microporii au circa 2 nm diametru. Compozitele sunt uşoare, pot fi dure ca oţelul şi rezistente la căldură. Plasticele ranforsate cu fibre sunt utile în construcţia ambarcaţiunilor.

Provocarea tehnologică: Exploatarea proprietăţilor fundamentale ale materialelor compozite pentru crearea de structuri macroscopice cu proprietăţi superioare: rezistente la tracţiune, la şoc, uşoare, elastice, etc.

Materialele cu gradient funcţional sunt materiale noi la scară nanometrică, bazate pe combinaţii de componente cu proprietăţi radical diferite. Proprietăţile acestor materiale sunt determinate, în mare măsură, de interfeţele dintre componente, la care gradienţii de compoziţie sunt mari. Cele două tipuri de astfel de materiale sunt: a) materiale bazate pe straturi subţiri şi multistraturi de compoziţii foarte diferite şi b) materiale bazate pe nanoparticulele unui component înglobate în matricea altuia.

Provocarea ştiinţifică: Este nevoie de cunoaşterea structurilor cu diferite dimensiuni ce implică combinaţii de sisteme puternic corelate. înţelegerea acestora poate duce la noi proprietăţi în care multistratul ca atare poate fi privit ca un nou material dacă straturile componente sunt suficient de subţiri, adică mai subţiri decât lungimea de coerenţă.

Provocarea tehnologică: Producerea unor structuri perfect controlabile tehnologic, reproductibile, lipsite de defecte sau cu un minim de defecte.

Exploatarea proprietăţilor speciale de performanţă ale unor materiale. Se are în vedere căutarea de materiale care să permită obţinerea de performanţe ale parametrilor fizici sau/şi materiale cu reacţie puternică şi inteligentă la stimulii de mediu.

Provocarea ştiinţifică:

- Materiale cu interacţiune biologică (de pildă materiale care, prin aplicare, să repare rapid o rană imediat după formarea ei). Înţelegerea interacţiunii cu ţesuturile este primordială.

- Materiale cu rezistenţă extrem de mare la impact. Este necesară cunoaşterea aprofundată a efectelor nanostructurărilor în reţele atomice pentru îmbunătăţirea performanţelor de material.

- Supraconductorii de temperatură înaltă. Nu s-a conturat încă o teorie consistentă care să descrie diferitele faze în mod coerent. Una dintre dificultăţi se datorează instabilităţilor. S-a constatat experimental că în unele sisteme există benzi statice care nu sunt supraconductoare. Interacţiile puternice acţionează într-un sens sau altul, distrugând sau generând supraconducţia. Nu se ştie ce determină această comportare. Trebuie înţeleasă comportarea diferită a supraconductorilor la frecvenţe de microunde, faţă de cazul curentului continuu.

- Materiale structurate artificial. Multistraturile croite în mod controlat, aliajele metalice modulate, cristalele fotonice (cu constantă de reţea variabilă spaţial) posedă proprietăţi deosebite magnetice, optice, supraconductoare, care trebuie studiate în mod sistematic. Cristalele fotonice prezintă periodicitate a constantei dielectrice, care creează frecvenţe interzise numite intervale interzise fotonice. Fotonii situaţi cu energia în aceste zone interzise nu se pot propaga prin mediul respectiv.

- Ceramicile electronice de tip perovskit (piezoceramicile) sunt extrem de importante pentru aplicaţii tehnice. Fragmentele de structuri de tip perovskit pot fi combinate cu multe alte elemente structurale. Se generează astfel noi materiale cu proprietăţi deosebite. Este importantă realizarea unor legături între elemente diferite şi, de aceea, potrivirea geometrică este esenţială. Prezenţa vacanţelor de oxigen sporeşte adaptabilitatea componentelor structurale. Substituirea a două tipuri de cationi măreşte potenţialul de modificare a proprietăţilor ceramicilor, precum şi abilitatea de a încorpora diferite elemente structurale. Supraconductorii de oxid de cupru compoziţi sunt grăitori în această privinţă. în multe cazuri, stoichiometria oxigenului diferă de cea ideală. Vacanţele de oxigen sunt adesea ordonate şi formează suprastructuri. Oxidările şi reducerile influenţează proprietăţile ceramicilor. Proprietăţile piezoceramicilor pot fi astfel controlate cu fineţe. Studiul fundamental al perovskiţilor este obiectul unei cercetări continui.

Sunt avute în vedere clase noi de materiale feroelectrice cu avantaje aplicative, precum compozitele ceramică/polimer. Se combină faze cu proprietăţi diferite. Proprietăţile mecanice şi electrice ale compozitelor pot fi modificate cu multe ordine de mărime în funcţie de modul în care se conectează fazele individuale. Se pot obţine senzori de presiune sensibili şi ieftini. Cu ajutorul dopanţilor (Ca, Pb, Mn, negru de fum...) se pot controla uşor temperatura Curie, anizotropia, polarizabilitatea şi pierderile dielectrice, precum şi rezistivitatea materialului.

- Cvazi-cristalele sunt aliaje metalice cu conţinut mare de aluminiu, care prezintă o simetrie cristalografică interzisă (axe de ordin 5). Cvazi-cristalele pot fi formate prin multe combinaţii de elemente. Studiile fundamentale sunt încă la început.

Provocarea tehnologică:

- Producerea de îmbrăcăminte pentru militari, cu efect de vindecare a rănilor, la scurt timp după apariţia acestora.

- Crearea de noi materiale super-rezistente prin mimarea unor materiale produse în sfera bio (de exemplu materialul pentru veste anti-glonţ, Kevlarul, foloseşte fibre produse de o specie de paianjen).

- În cazul supraconductorilor de temperatură critică ridicată, materialele cu oxid de cupru sunt greu de înlocuit, deoarece scara de energie asociată magnetismului (care este implicat fundamental în mod fundamental în supraconducţie) este foarte înaltă, depăşind pe cea din cazul altor materiale supraconductoare. Materiale noi pot fi găsite doar în afara şi în pofida teoriei cvazi-unanim acceptate astăzi (starea de supraconducţie este o stare rezonantă a legăturii de valenţă dopată, cu pronunţat caracter d). Cercetarea de material se va dezvolta în continuare, incluzând noi clase, ca de pildă, cea a compuşilor cu bor, la care s-au observat recent temperaturi critice suficient de înalte. Este importantă perfecţionarea tehnologiei de obţinere a supraconductorilor ceramici.

Se va pune la punct tehnologia circuitelor de microunde cu supraconductori calzi. Cercetările tehnologice pentru obţinerea de multistraturi de înaltă calitate, lipsite de defecte vor preceda aplicaţiile în domeniul dezvoltării de magnetometre sensibile pentru medicină, pentru scopuri militare şi pentru defectoscopie nedestructivă (bazate pe joncţiuni Josephson). Se are în vedere crearea de circuite ultrarapide.

- În cazul materialelor structurate artificial, se vor avea în vedere în mod special dispozitivele optoelectronice. Se va pune le punct tehnologia pentru obţinerea structurilor cu compoziţie modulată. Ţinând seama de proprietăţile cristalelor fotonice, se pot construi oglinzi de foarte înaltă reflectivitate pentru anumite lungimi de undă ale radiaţiei electromagnetice.

- Ceramicile piezoelectrice vor fi procesate astfel încât să se obţină catalizatori performanţi, supraconductori şi electrozi de oxigen. în toate cazurile, morfologia produselor trebuie controlată, jucând un rol principal. Dezvoltarea unor tehnologii de preparare controlate pentru fazele care prezintă proprietăţi specifice fizico-chimice, morfologice, structurale şi compoziţionale, necesită studii experimentale sistematice.

- Cvazi-cristalele sunt sugerate pentru aplicaţii. Se are în vedere un compozit promiţător: material polimeric în care se introduce pulbere cvazi-cristalină de Al-Cu-Fe. Particulele de Al-Cu-Fe sporesc rezistenţa la uzură a polimerului. Se presupune că acest fapt se datoreşte combinării durităţii cvazi-cristalitelor, cu coeficientul de frecare mic şi conductivitatea termică redusă a polimerului. Pentru aplicaţii de anvergură, la acoperiri rezistente, este nevoie de o cercetare experimentală extinsă, având în vedere sensibilitatea acoperirilor la fazele prezente în material. Se va încerca aplicarea cvazi-cristalelor în cataliză, stocarea hidrogenului, generarea de termo-electricitate şi drept absorbanţi optici.

Bibliografie: Revista “Journal of Optoelectronics and Advanced Materials”, numarul 6/2003