Wymiana protonowa w kryształach niobianu litu i tantalanu litu
Naukowcy z Uniwersytetu Śląskiego zaproponowali nowy sposób przeprowadzenia reakcji wymiany protonowej w monokryształach podwójnych tlenków niobianu litu i tantalanu litu przy zastosowaniu dotychczas nieużywanych reagentów. Skonstruowali również aparaturę służącą do wymiany protonowej, niezbędną do prowadzenia reakcji chemicznej w roztworach stężonych kwasów nieorganicznych. Materiały te znajdują zastosowanie m.in. w optoelektronice.
Naukowcy pracujący w Zakładzie Fizyki Ferroelektryków zajmują się głównie badaniem właściwości elektrycznych mono- i polikryształówo o modyfikowanych składach chemicznych. Zaprojektowany układ służy do przeprowadzania reakcji wymiany protonowej w tych materiałach. Zestaw aparaturowy został skonstruowany na potrzeby badań naukowych prowadzonych przez mgr Irenę Gruszkę, dr Julitę Piechę i dr. hab. Andrzeja Molaka. Były one realizowane w ramach rozprawy doktorskiej dr Julity Piechy, pisanej pod kierunkiem dr. hab. Andrzeja Molaka z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Śląskiego.
– Reakcja wymiany protonowej w przeprowadzanym przez nas eksperymencie polegała na wymianie jonowej zachodzącej w monokryształach niobianu litu LiNbO3 oraz tantalanu litu LiTaO3 przy zastosowaniu wymagającego reagenta, jakim był kwas azotowy – jeden z najsilniejszych nieorganicznych kwasów tlenowych – wyjaśnia mgr Irena Gruszka z zespołu patentowego. Jak dodaje, do przeprowadzenia reakcji chemicznej zostały użyte specyficzne, wymagające materiały. Z jednej strony należało bowiem zmodyfikować niezwykle trwałe monokryształy, z drugiej – zastosowany stężony kwas azotowy jest reagentem żrącym, silnie korodującym. W związku z tym konieczne okazało się zaprojektowanie nowej aparatury, nieodzownej w przypadku reakcji prowadzonych w środowisku stężonym, wykonanej przede wszystkim ze szkła odpornego na działanie kwasów.
– Tematem mojej rozprawy doktorskiej były badania warstwy powierzchniowej niobianu litu LiNbO3. Wiedzieliśmy, że kryształy te cechuje duża mobilność jonów litu, dzięki czemu mogliśmy zmienić skład chemiczny materiału, podstawiając jony litu jonami wodoru – co stanowi istotę procesu wymiany jonowej. Proces ten zachodzi w środowisku stężonego kwasu, na przykład azotowego, dzięki czemu otrzymujemy kryształy o nowych interesujących właściwościach i szerszym zastosowaniu – tłumaczy dr Julita Piecha. Co ważne, w klasycznym ujęciu wymiany protonowej modyfikowana jest warstwa powierzchniowa. Podczas realizacji badań okazało się, że nowa aparatura umożliwia wprowadzanie zmian w głębszych warstwach struktury monokryształu oraz wynikającą z tego dalszą modyfikację właściwości fizycznych i chemicznych materiału.
– Dzięki takim zmianom z pewnością możemy otrzymać kryształy o lepszych właściwościach optycznych i elektrycznych, stąd docelowo stosowane mogą być one w optoelektronice, np. jako światłowody w skali nano – wyjaśnia dr hab. Andrzej Molak. Realizacja badań wymagała także zmiany sposobu przeprowadzenia reakcji, w wyniku której dochodzi do wymiany jonowej w głębszych warstwach kryształu. Jest to proces polegający na kilkukrotnej wymianie stosowanego kwasu nieorganicznego, wydłużenia czasu prowadzenia reakcji oraz związanej z tym kontroli temperatury. Zaprojektowany zestaw został przystosowany do tych potrzeb, gwarantuje bowiem bezpieczną wymianę reagenta, jakim jest stężony kwas azotowy oraz utrzymywanie określonej temperatury środowiska, w którym zachodzi reakcja chemiczna. Interesujący naukowców proces mógł zatem przebiegać w sposób skuteczny i bezpieczny, dodatkowo przy użyciu reagenta o kontrolowanych parametrach.
Aparatura ta może ponadto być wykorzystywana do przeprowadzenia reakcji wymiany protonowej w innego rodzaju materiałach, które wykazują powinowactwo do wymiany jonowej – także z zastosowaniem odmiennego reagenta. – W swoich badaniach zastosowałam jeden z najsilniejszych kwasów tlenowych, jakim jest stężony kwas azotowy. Jeśli przy substancji o tak silnym działaniu korodującym udało się skutecznie i bezpiecznie przeprowadzić reakcję chemiczną, z pewnością zestaw sprawdzi się przy przeprowadzaniu procesu z użyciem kwasów o mniejszej aktywności chemicznej – mówi dr Julita Piecha.
Opatentowany zestaw aparaturowy składa się z trójszyjnej kolby (1) umieszczonej w łaźni olejowej (2), która znajduje się na płycie grzejnej (3), dzięki czemu reakcja może zachodzić w temperaturze powyżej 100°C. Pierwsza szyjka kolby łączy się z ośmiokulkową chłodnicą zwrotną (4), druga – z termometrem (5). Trzecia szyjka natomiast łączy kolbę z drugą częścią aparatury tworzoną przez chłodnicę przepływową (6) oraz adapter (7), a także odbieralnik (8), w którym gromadzony jest zużyty kwas.
Aby przeprowadzić reakcję wymiany protonowej, naukowcy wprowadzali do kolby odpowiednią ilość reagenta w postaci stężonego deuterowanego kwasu azotowego(V) HNO3-D lub stężonego kwasu azotowego(V) HNO3 oraz kryształy niobianu litu LiNbO3 lub tantalanu litu LiTaO3. Następnie kolbę podgrzewali w łaźni olejowej, utrzymując układ w zakresie temperatur od 113°C do 118°C. Po upływie określonego czasu kryształy wyjmowane były z kolby, następowała wymiana przereagowanego kwasu na jego nową porcję i cały proces powtarzano aż do zakończenia danego cyklu wymiany jonowej. Co istotne, zestaw aparaturowy i sposób przeprowadzenia reakcji według opatentowanego wynalazku pozwalają na prowadzenie procesu wymiany protonowej w praktycznie nieograniczonym przedziale czasowym.
Autorami patentu są pracownicy Zakładu Fizyki Ferroelektryków Uniwersytetu Śląskiego: mgr Irena Gruszka, dr Julita Piecha oraz dr hab. Andrzej Molak.
