Projektowanie nowych funkcjonalnych materiałów – teoria i praktyka Wykład dla doktorantów i w-d monograficzny dla specjalizantów 2002/2003 dr Wojciech Grochala piątek, 1200 – 1330, sala 301

WYKŁAD I A. Dlaczego chemia materiałowa jest tak ważna? Ekonomia zagadnień przemysłowych. Najważniejsze przedmioty badań. B.        Zdrowy schemat badań naukowych. Firmy spin-off’owe. Venture capital. Proces patentowy. C. Struktura elektronowa, wibracyjna i rotacyjna molekuł – przypomnienie. D.        Przejście fazowe gaz – ciało stałe. Struktura pasmowa i fononowa ciała stałego.

Normalny schemat finansowania badań i rozwoju nauki: $$$ $$$ $$$ Research Inventions/Patents Publications Applications/Sales

AUTOKATALIZA $$$ $$$ $$$ Research Inventions/Patents Publications Kinetyka przepływu pieniędzy i idei stymulowana jest etapem ze sprzeżeniem zwrotnym $$$ $$$ $$$ Research Inventions/Patents Publications Applications/Sales AUTOKATALIZA

Maria Skłodowska-Curie Wielcy ludzie chemii materiałowej Ernest Gaston Solvay (Belgia) Alfred Bernhard Nobel (Szwecja) Ignacy Moscicki (|Polska) Maria Skłodowska-Curie (|Polska) 1838-1921 Na2CO3 1833-1896 dynamite 1867-1946 nitric acid /ammonia 1867-1934 Polon/Rad

Define the most important Problem/Challenge Poprawny schemat badań: Idea Define the most important Problem/Challenge Is it important? $$$ NO YES Means to solve it YES NO Solve the problem YES Solution

Jak wcielić rozwiązanie w życie? Wynalazek Firma Przepływ kapitału ETAP WYSOKIEGO RYZYKA Rozwój projektu BADANIA OPCJA SPRZEDAŻY TECHNOLOGII KONIEC FAZY LABOATORYJNEJ (np. działający prototyp) PROTOTYP “TECHNOLOGICZNY” PRODUKCJA I SPRZEDAŻ NA RYNKU

Inkubatory przedsiębiorczości Ośrodki akademickie i naukowo-badawcze fundusze rządowe Parki technologiczne fundusze rządowe i prywatne “angel investor” Centra innowacji “seed investment” Inkubatory przedsiębiorczości kapitał prywatny i rządowy Venture capital kapitał prywatny Inwestorzy strategiczni Pomysł Prototyp Spin-off Kolejne rundy finansowania SUKCES RYNKOWY

Ochrona własności intelektualnej Wynalazek Zaawansowany pomysł Wniosek patentowy Pre-patent Badania Patent Ocena zysku, ryzyka etc. Konsulting Sprzedaż lub licencjonowanie wynalazku Uruchomienie własnej produkcji

Best scientific journals for “materials” (2000 data):

Nature (IF 25.8) Subject Areas: Biotechnology Cancer Chemistry NEW! Clinical Medicine Dentistry Development NEW! Drug Discovery Evolution & Ecology Genetics Materials Medical Research Molecular Cell Biology Neuroscience Pharmacology Physics Earth Sciences NEW!

Najważniejsze przedmioty badań. Pojedyńcze molekuły (gaz, matryca lub tip mikroskopu) Małe zbiory identycznych (klastry) i różnych molekuł (oddziaływania) Średniej wielkości molekuły (nanochemia i chemia supramolekularna) Stan ciekłokrystaliczny Stan ciekły Stan nadciekły (ciecze bozonowe) Stan stały (bulk) Powierzchnia ciała stałego i pseudostałego (błony kom.)

Przykłady: pojedyńcze molekuły gaz: BeH2 pojedyńcze molekuły matryca: H2 pojedyńcze molekuły tip: C2H2 klastry: H2O oddziaływania różnych molekuł: C6H6/NH3 nanochemia: noble gas (endohedral)/C60 chemia supramolekularna: BEDT/TTF/inorg. stan stały (bulk): supercond. Li (high press.) & MgB2 powierzchnia ciała stałego: HCl/H2O powierzchnia ciała stałego: C2H2/Ni(110) inne: 1D Au chains Science 297, 1323-1324 (2002) Nature 419, 906-909 (2002) Science 280, 1732 (1998) Nature 393, 671-673 (1998) Nature 362, 735-737 (1993) Science 271, 1693-1697 (1996) Nature 408, 447-449 (2000) Nature 419, 597-599 (2002) & Nature 410, 63-64 (2001) Science 298, 69-69 (2002) & Nature 417, 269-271 (2002) JACS 121, 8479-8485 (1999) Science 297, 1853-1856 (2002)

Struktura elektronowa, wibracyjna i rotacyjna molekuł – przypomnienie. H – H T1 S0 H – H H – H u g

dyskretne poziomy elektronowe  pasma energetyczne b) oscylacje Przejście fazowe gaz – ciało stałe. Struktura pasmowa i fononowa ciała stałego. dyskretne poziomy elektronowe  pasma energetyczne b) oscylacje  drgania fononowe c) rotacje i translacje  niskoczęstościowe drgania fononowe

dyskretne poziomy elektronowe  pasma energetyczne

E /2a k 

E E [eV] EF /2a DOS [states/eV] dyspersja pasma /2a DOS [states/eV] + folding pasm w przestrzeni odwrotnej, dla komórki elementarnej zawierającej 1 atom H (a nie 2)

dyspersja pasm mała dyspersja pasm duża

H – H + H  H – H – H H – H – H H – H – H H – H – H oscylacje  drgania fononowe H – H + H  H – H – H H – H – H H – H – H H – H – H stopnie swobody: 6 + 3  9 1 osc., 1 (2 x zdeg.) rot., 3 transl. + 3 translacje  2 osc. rozc., 1 (2 x zdeg.) osc. def., 1 (2 x zdeg.) rot., 3 transl.

mod optyczny mod akustyczny

H – H + H – H  H – H – H – H H – H + H – H  H – H – H – H

Rozwój widma fononowego 1D polimeru (H)n

Dystorsja Peierlsa wzdłuż fononu optycznego dla 1D polimeru (H)n

EF isolator semicond. metal supercond.

Teoria katalizy na półprzewodnikach Wyrównanie poziomów Fermiego katalizatora i adsorbentu poprzez zmiany struktury elektronowej na powierzchni – np. transfer ładunku LUMO EF EF HOMO Teoria katalizy na półprzewodnikach

Reorganizacja powierzchni ciała stałego Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si(100)(2x1) Si Si Si

Chemistry of kinks & steps Ge(001) surface Si2