Kopsavilkums par Valsts Pētījumu Programmas “Daudzfunkcionālie materiāli un kompozīti, fotonika un nanotehnoloģijas”(IMIS2) izpildi 2014. – 2018.

Programmas mērķis ir attīstīt inovatīvo un uzlaboto materiālu, fotonikas un nanotehnoloģiju zināšanu bāzi un cilvēkkapitālu tautsaimniecības konkurētspējas paaugstināšanai, attīstīt nano materiālu un tehnoloģiju nozari, attīstīt kvantu tehnoloģiju un biofotonikas jomu. Programmas izpildē piedalās vairāk par 150 zinātniekiem un vairāk par 100 studentiem. Programma realizēta, tematiski koncentrējot uzdevumus četros projektos:

1. Fotonika un materiāli fotonikai;
2. Nanomateriāli un nanotehnoloģijas;
3. Nanokompozītu materiāli;
4. Nanomateriāli un nanotehnoloģijas medicīniskajam pielietojumam.

IMIS² programmā izvirzītie uzdevumi ir izpildīti. Programmas rezultatīvie rādītāji ir doti klāt pievienotā tabulā. Katra projekta uzdevumu izpildes rezultāti detalizētāk ir parādīti katra projekta atskaitē (skatīt šeit). Fotonikas jomā iegūtas jaunas zināšanas par luminiscences īpašībām un enerģijas pārnesi starp retzemju aktivatoru joniem nanokristālus saturošos oksifluorīdu materiālos, kuri ir perspektīvi luminoforu materiāli baltās gaismas diodēm. Veikta augšup-pārveidotās luminiscences procesu izpēte dažādās matricās (fluorīdi, oksifluorīdi, oksīdi) ar galveno mērķi iegūt ar retzemju joniem dopētus materiālus ar augstu kvantu iznākumu. Izstrādātas oriģinālas fotonikas ierīcēm paredzētu organisko hromoforu un luminoforu struktūras, realizēta to sintēze un noteikti to spektroskopiskie parametri. Atklāta jauna un perspektīva metode hlora piemaisījumu stiklveida SiO₂ detektēšanai ar luminiscences spektroskopijas palīdzību. Tā ir interesanta praktiskos pielietojumos, jo hlors ir izplatītākais piemaisījums no Si tetrahlorīda ražotā SiO₂ stiklā. Demonstrēts šīs metodes pielietojums hlora molekulu detektēšanai komerciālos optiskos gaismas vados.Tika izgatavota iekārta mākslīgo dimantu sintēzei uz volframa stieņa pārklājuma veidā. LU CFI ieviestas trīs metodes elektrooptisko koeficientu noteikšanai un par labāko atzīta ATR metode. Optimizēta hologrāfiskā ieraksta efektivitāte un parādīta fotoinducētās dubultlaušanas loma virsmas reljefa veidošanā. Izstrādāta metodika un iekārta magnētiskā lauka iedarbības izpētei uz hologrāfisko ierakstu. Apgūta grafēna sintēze caur grafīta oksīdu (GO). Veikti lielas virsmas oglekļa (grafēna) nanomateriālu dažādu gāzu adsorbcijas īpašību pētījumi, un iegūto materiālu leģēšana virsmas sorbcijas īpašību uzlabošanai. Izveidota lielas virsmas oglekļa nanomateriālu iegūšanas tehnoloģiju, kas aprobēta Latvijas uzņēmumā. SIA “Keramserviss”. Nanotehnoloģiju jomā veikta gaismas jutīgu nanostruktūru un lielas virsmas nanomateriālu struktūru sintēze un iegūto paraugu fizikālo un ķīmisko īpašību noteikšana. Izstrādāta lēta un vienkārša CuO nanovadu sintēzes tehnoloģija. Pirmo reizi sintezēti ar WS₂ pārklāti ZnO kodola-apvalka nanovadi. Novērots negaidīts WS₂ apvalka kvaziepitaksiālās augšanas process uz ZnO nanovada šķautnēm. Šis process tika veiksmīgi modelēts, izmantojot ab initio skaitļošanas metodes. Šiem inovatīvajiem materiāliem ir plašas potenciālās pielietošanas iespējas cietajā eļļošanā (solid lubrication), fotodetektoros, pjezotronos lauktranzistoros. Izveidota optimāla sintēzes metodika gaismas jutīgu TiO₂ nanostruktūru iegūšanai, sintezētas TiO₂ nanostruktūras un izpētītas to fotokatalītiskās īpašības. Izstrādātā elektroforēzes metode dod iespēju vienkāršā veidā iegūt divu komponentu TiO₂-WO₃ pārklājumus ar samazinātu aizliegtās zonas platumu. Šādi pārklājumi uz stikla šķiedras auduma dod iespēju izstrādāt efektīvus ūdens un gaisa attīrīšanas filtrus; izstrādāta salikto oksīdu nanodaļiņu sintēzes metodika sistēmā ZrO₂-CeO-ReO/Cr₂O₃ un to pārstrāde nanostrukturālos materiālos. Tehnoloģija nodota SIA “Plazma, Keramika, Tehnoloģijas (PCT)”. Uzlabota ražošanas tehnoloģija funkcionālu stikla šķiedras tekstilmateriālus metālu oksīdu nanodaļiņu pārklājumu iegūšanai. Tas paver iespējas izstrādāt elektroforēzes laboratorijas tehnoloģiju, kas ir tieši mērogojama rūpnieciskai ražošanai, un kas paātrinātu funkcionālo pārklājumu tehnoloģiju ieviešanu A/S „Valmieras Stikla Šķiedra”. Veikti pētījumi par biodegradabu polimēru nanokompozītu ar slāņainajiem silikātiem iegūšanu. Izstrādāta oriģināla elastomēra/oglekļa nanokompozītu paraugu izgatavošanas metode. Izstrādāts modeļa variants polimēru-silikātu elastības moduļa prognozēšanai. Ir izstrādāts elastomēra, kuram piemīt pjezopermitivitātes efekts, mehānisko svārstību enerģijas savācēja aktīvā elementa prototips, kuram, salīdzinājumā ar iepriekšējiem, ir mazāki dielektriskie zudumi. Izstrādāta un optimizēta metode organiskos modifikatorus saturošu termoplastisku koncentrātu iegūšanai. Koncentrātu iemaisīšana atbilstošo termoplastisko polimēru kausējumos ļauj izveidot vairākas kompozīciju kopas, kas uzrāda labākus īpašību rādītājus (gandrīz 2 reizes lielāku stiprību un 25 reižu augstāku elektrovadītspēju), salīdzinot ar tāda paša satura nemodificētām kompozīcijām. Oglekļa nanopildvielu ievadīšanas resultātā panākta arī sistēmu termiskās difuzitātes un siltumvadāmības gandrīz lineāra palielināšanās un kompozītu virsmas cietības pieaugums. Veikti padziļināti pētījumi par polioksimetilēna (POM) kompozītu ar dažāda α-oktēna satura etilēna kopolimēriem (EOK) un cinka oksīdu (ZnO) struktūras un ekspluatācijas īpašību korelāciju. . Noskaidrots, ka ZnO klātbūtnē uzlabojas materiālu kvazistatiskās (elastības modulis un stiepes stiprība) un dinamiskās (krājumu modulis) elastiskās īpašības. Īstenota termoplastisku polimēru kompozītu īstermiņa un ilgtermiņa elastisko īpašību prognozēšana. Jaunu biomateriālu jomā izstrādāta aizvietota, Ca-deficīta hidroksilapatīta iegūšanas tehnoloģija. Izveidota analītiskā UV-VIS spektrofotometrijas metode fluora daudzuma noteikšanai pulverveida produktā. Izstrādāti metodoloģiskie apraksti vairāku biosensoru identificēšanai, lai nodrošinātu to operatīvu monitoringu. Izstrādātās metodoloģijas paredz šos mikroorganismus specifiski identificēt un uzskaitīt to dabiskajās dzīves vidēs, pirms tam neveicot kultivēšanu, tādējādi atvieglojot ikdienas testēšanu. Izveidota biokeramisko kalcija fosfātu granulu kā implantmateriāla iegūšanas tehnoloģija, izmantojot svaigi sintezēta kalcija fosfāta nanodaļiņu pastu. izstrādāti jauni kalcija fosfātu un biodegradablu polimēru kompazītmateriāli uz sudrabu saturošā hidroksilapatīta bāzes, palēninātu zāļu piegādes sistēmu veidošanai un antibakteriālo īpašību ilgstošai nodrošināšanai. Pilnībā izveidota metode par superparamagnētiskas daļiņas izmantošanu viskoelastības mērījumiem ar ārēju magnētisko lauku. Izveidotais fizikālais modelis, kas apraksta daļiņas kustību atbilstošajā magnētiskā lauka konfigurācijā, pārbaudīts eksperimentāli. Piedāvāts principiāli jauns bakteriju kustīguma mehānisms, kurš balstīts uz hidrodinamikas ar spinu likumsakarībām. Veikti pētījumi par magnetīta nanodaļiņu imobilizāciju ar cēlmetālu (Pt, Au) pārklājumu, kas var nodrošināt nanodaļiņu ķīmisko stabilitāti nesējšķidrumos. Optometrijas jomā sekmīgi izveidots un aprobēts fizikāls modelis acs aberāciju modelēšanai un mērīšanai. Tas ļauj veidot struktūras, kurām var mainīt optiskos parametrus, kā neatkarīgos mainīgos izvēloties acij piemītošu gaismas izkliedi, kas modelē kataraktu, acs zīlītes ğeometriskos parametrus atbilstošus dažādām gaismas plūsmām un to spektrālam sastāvam. Tas ļāva izpētīt nelabvēlīgo parametru iespaidu uz acs attēla uztveri un „acs-smadzeņu garozas” piemērošanās spēju, neitralizējot nelabvēlīgo faktoru radītos traucējumus. Tiek veidots mākslīgās acs daudzslāņu modelis ar papildus iespējām mainīt tās fokusēšanu un gaismas izkliedi uz šķidrās acs lēcas bāzes. Radioastronomijas jomā apgūts atjaunotais pavadoņu un NEO orbītu sekošanas modulis, veiktas novērojumu seansu simulācijas lietojot MT Mechatronics piegādāto simulācijas programmatūru. Programmas galvenie rezultāti aprobēti LU CFI ikgadējās zinātniskās konferencēs 2015., 2016., 2017. un 2018.gg.. RTU 56.starptautiskajā konferencē kā arī RTU un LU CFI vietējos semināros. Programmas IMIS2 popularizēšanas nolūkos ar UNESCO Latvijas Nacionālās komisijas un Latvijas Zinātņu akadēmijas atbalstu, jauniešu izglītošanas skolu vizīšu ciklā L. Grīnberga 2015. gadā viesojās Jēkabpils valsts ģimnāzijā un Pļaviņu novada ģimnāzijā ar stāstiem par zinātnieka profesiju un dalību dažādos zinātniskajos projektos, lielāku uzmanību veltot Valsts Pētījumu programmu jēgai un programmas IMIS2 uzdevumiem. Programmas IMIS2 nozīmes un rezultātu apspriešana norisinājās arī diskusiju ciklā 2015.g. par Valsts nozīmes pētniecības centru (VNPC) attīstības scenārijiem, kur vēlreiz tika uzsvērta VPP IMIS2 loma VNPC infrastruktūras izmantošanā.