Studenckie badania nad fazÄ… delta tlenku bizmutu
Viktoriia Vlasenko
Wyniki pracy inżynierskiej Viktorii Vlasenko zostały opublikowane w czasopiśmie Materials. Nasza studentka zsyntezowała różne układy szkieł bizmutanowych stosując wybrane czynniki szkłotwórcze (takie jak SiO2, GeO2, B2O3) oraz modyfikatory (takie jak Al2O3) i badała ich wpływ na procesy krystalizacji w tych materiałach.
Główne badania dotyczyły faz krystalicznych tlenku bizmutu (Bi2O3), a szczególnie fazy delta. Ta faza jest wyjątkowo interesująca z naukowego punktu widzenia, ponieważ jest bardzo dobrym przewodnikiem jonowym (jonów tlenu), co czyni ją atrakcyjną dla wielu zastosowań technologicznych, w tym w ogniwach paliwowych i czujnikach gazów. Niestety, w materiałach objętościowych faza typu delta jest stabilna tylko w wąskim zakresie wysokiej temperatury (729-825°C). Stąd wiele zespołów pracowało nad różnymi metodami stabilizacji wysokoprzewodzącej fazy typu delta do niższych temperatur.
W zespole prof. Jerzego Garbarczyka, Marka Wasiucionka i Tomasza Pietrzaka zastosowano ostatnio nową metodę stabilizacji fazy typu δ-Bi2O3 do temperatury pokojowej. Podejście to polega na termicznej nanokrystalizacji szkieł bizmutanowych. Dzięki tej metodzie można przygotować materiały objętościowe o nanoskopowych ziarnach fazy typu δ-Bi2O3 stabilnej nawet w temperaturze pokojowej. W omawianej pracy zbadano wiele różnych układów szkieł bizmutanowych i ich wpływ na stabilizację fazy typu δ-Bi2O3.
— Największym wyzwaniem w trakcie badań było opracowanie odpowiedniej kombinacji domieszek, które umożliwiłyby uzyskanie stabilnego materiału szklistego — zdradza Viktoriia Vlasenko. — Początkowo eksperymentowaliśmy z tlenkiem germanu (GeO2) i tlenkiem telluru (TeO2) jako głównymi składnikami matrycy szkła, jednak wyniki tych prób okazały się niezadowalające pod względem zdolności do zeszklenia. Pomimo intensywnych badań nad optymalizacją warunków temperaturowych procesu, obejmujących zarówno obniżanie, jak i podwyższanie temperatury wytopu, nie udało się osiągnąć pożądanej amorficzności materiału.
Jak podkreśla studentka, przełom nastąpił dopiero przy trzeciej serii eksperymentów. — Wówczas wprowadziliśmy tlenek glinu, czyli Al2O3, jako czynnik modyfikujący strukturę szkła. Al2O3, znany ze swoich właściwości modyfikujących sieć tlenkową, zadziałał jako stabilizator, co pozwoliło na zeszklenie układu trójskładnikowego. Dzięki wprowadzeniu tego tlenku, udało się uzyskać pierwszy stabilny materiał szklisty. Od tego momentu proces syntezy przebiegał znacznie sprawniej, co umożliwiło kontynuację badań nad innymi kompozycjami szkieł bizmutanowych, w szczególności z dodaniem czynnika szkłotwórczego B2O3.
Dyfraktogramy szkła Bi2O3-Al2O3-SiO2 zmierzone podczas wygrzewania do 750°C. Pojawiające i znikające pionowe linii dyfrakcyjne przypisano do różnych faz tlenku bizmutu i związków pochodnych.
W konkluzjach zauważono, że skład matrycy szklistej znacząco wpływa na parametry sieci krystalicznej oraz stabilność termiczną ustabilizowanej fazy typu delta-Bi2O3. Nad obiektywnym wyjaśnieniem tego mechanizmu stabilizacji pracuje w ramach przygotowania swojej rozprawy doktorskiej mgr. inż. Maciej Nowagiel – drugi opiekun pracy inżynierskiej Viktorii.
Viktoriia Vlasenko jest uczestniczką programu Studiów id na Politechnice Warszawskiej, który umożliwia dopasowanie programu studiowania do własnych zainteresowań naukowych oraz realizację własnych badań pod opieką indywidualnego tutora — w tym przypadku prof. Tomasza Pietrzaka.
Dodatkowo Viktoriia jest stypendystką programu New Technologies for Women fundacji Perspektywy oraz Intel Corporation. Nasza studentka była również uczestniczką programów takich jak Summer Student Programme 2023 w CERNie oraz Summer School Course 2024 organizowanym przez European XFEL i Aarhus University.
