«ΑΡΙΣΤΕΙΑ» ΔΡΑΣΗ ΤΕΧΝΙΚΟ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΠΡΟΤΑΣΗΣ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ «ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑ ΒΙΟΥ ΜΑΘΗΣΗ» ΕΘΝΙΚΟ ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΕΣΠΑ

Transcript

1 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ ΕΥΡΩΠΑΪΚΗ ΕΝΩΣΗ ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ, ΑΝΤΑΓΩΝΙΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ,ΥΠΟΔΟΜΩΝ, ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ «ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑ ΒΙΟΥ ΜΑΘΗΣΗ» ΕΘΝΙΚΟ ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΔΡΑΣΗ «ΑΡΙΣΤΕΙΑ» ΤΕΧΝΙΚΟ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΑΚΡΩΝΥΜΙΟ/ΚΩΔΙΚΟΣ: Inter-Poly-Nano / 1840 ΚΥΡΙΟΣ ΕΡΕΥΝΗΤΗΣ: Πολύκαρπος Πίσσης ΦΟΡΕΑΣ ΥΠΟΔΟΧΗΣ: Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο 1

2 ΤΜΗΜΑ Α. ΓΕΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΚΡΩΝΥΜΙΟ: ΤΙΤΛΟΣ: TITLE: A1. ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗ ΠΡΟΤΑΣΗ Inter-Poly-Nano Διεπιφάνειες και μεσοφάσεις σε οργανικά/ανόργανα νανοσύνθετα πολυμερικά υλικά Interfaces and interphases in organic/inorganic polymer nanocomposites ΔΙΑΡΚΕΙΑ (σε μήνες): 36 ΠΡΟΫΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ( ): ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ: (μέχρι 90 χαρακτήρες με τα κενά Νανοσύνθετα πολυμερικά υλικά, Νανοσωματίδια, Διεπιφάνειες, Αλλαγές διαστήματα) φάσης, Μοριακή δυναμική ΠΡΩΤΕΥΟΝ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟ ΠΕΔΙΟ: ΔΕΥΤΕΡΕΥΟΝ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟ ΠΕΔΙΟ: 03. Χημεία και Επιστήμες Υλικών ΠΕΡΙΛΗΨΗ (μέχρι χαρακτήρες με τα κενά διαστήματα) Τα οργανικά-ανόργανα νανοσύνθετα πολυμερικά υλικά (ΝΠΥ) χαρακτηρίζονται από σημαντική βελτίωση των ιδιοτήτων της πολυμερικής μήτρας για πολύ μικρότερες τιμές του κλάσματος του εγκλείσματος σε σύγκριση με τα παραδοσιακά σύνθετα υλικά. Δεν υπάρχει ακόμα θεωρία που να εξηγεί ικανοποιητικά αυτή τη βελτίωση, είναι όμως κοινά αποδεκτός ο σημαντικός ρόλος των διεπιφανειακών αλληλεπιδράσεων λόγω του μεγάλου πηλικόυ επιφάνειας / όγκου των νανοσωματιδίων. Σε αναλογία προς πειραματικά και υπολογιστικά αποτελέσματα σε πρότυπα συστήματα, αναμένουμε ότι το πολυμερές στη διεπιφάνεια και σε ένα διεπιφανειακό στρώμα πάχους μερικών nm γύρω από τα νανοσωματίδια χαρακτηρίζεται από διαφορετική οργάνωση, θερμικές μεταπτώσεις, δυναμική και ιδιότητες, σε σύγκριση με τον όγκο του υλικού. Τα σχετικά αποτελέσματα στη βιβλιογραφία είναι όμως αντιφατικά. Κύριοι στόχοι του Έργου είναι (1) η παραγωγή νέας γνώσης για την οργάνωση και τις ιδιότητες (θερμικές μεταπτώσεις, δυναμική) του πολυμερούς στη διεπιφάνεια πολυμερούς/εγκλείσματος και για την επίδρασή τους στις τελικές ιδιότητες των ΝΠΥ, (2) η συνεισφορά στη καλύτερη κατανόηση των σχέσεων δομής-ιδιοτήτων στα ΝΠΥ. Για την επίτευξη των στόχων αυτών θα αξιοποιηθεί ο συνδυασμός στοχευμένης σύνθεσης πρότυπων ΝΠΥ, πολλών εν μέρει συμπληρωματικών πειραματικών τεχνικών χαρακτηρισμού και προσομοιώσεων σε υπολογιστή. Η σύνθεση ΝΠΥ με βάση επιλεγμένες θερμοπλαστικές κυρίως μήτρες και μεταλλικά οξείδια ή νανοσωλήνες άνθρακα θα γίνει από εξειδικευμένες ομάδες ειδικά για τις ανάγκες του Έργου. Η μορφολογία, οι θερμικές μεταπτώσεις, η δυναμική, οι μηχανικές ιδιότητες και η διαπερατότηα σε νερό, ατμούς και αέρια θα μελετηθούν με πολλές πειραματικές τεχνικές. Τέλος, θα χρησιμοποιηθούν προσομοιώσεις σε υπολογιστή για τη μελέτη της μορφολογίας και της δυναμικής και τη ποσοτική πρόρρηση των ιδιοτήτων σε συντονισμό με τα σχετικά πειράματα. ABSTRACT (max characters spaces and line breaks included) Organic-inorganic polymer nanocomposites (PNCs) exhibit significant improvement of the polymer matrix properties at much lower filling factors, as compared to conventional composites. There is yet no theory to satisfactorily account for this property improvement, it is nowadays generally accepted, however, that interfacial effects arising from the large surface to volume ratio of nanoparticles play a significant role. In analogy to results of experiments and computer simulations in model systems, we may expect that polymer at the interface and in a few nm thick interfacial layer around the nanoparticles shows different organization, thermal transitions, dynamics and properties, as compared to bulk polymer. Experimental results on thermal transitions and dynamics in PNCs reported in the literature are, 2

3 however, controversial. The main objectives of the project are (i) the creation of new knowledge on the organization and the properties (thermal transitions, dynamics) of the polymer at the polymer-filler interface and in the polymer interfacial layer and on their effects on the final properties of PNCs, (ii) the contribution to a better understanding of structure-property relationships in PNCs. These objectives will be achieved by a combination of targeted synthesis of PNC model systems, several partly complementary experimental techniques of characterization, and computer simulations. PNCs based on selected mostly thermoplastic matrices and metal oxide and carbon nanotube fillers will be prepared by expert groups in abroad especially for the needs of the project. A variety of experimental techniques will be employed for the investigation of morphology, thermal transitions, polymer dynamics, mechanical properties, and permeability to water, vapours and gases. Finally, computer simulations will be employed for the investigation of morphology and dynamics and the quantitative prediction of properties in coordination with experimental work. ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ: ΘΕΣΗ ΣΤΟΝ ΦΟΡΕΑ ΥΠΟΔΟΧΗΣ (τίτλος): ΤΜΗΜΑ/ ΙΝΣΤΙΤΟΥΤΟ/ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ/ : ΘΕΣΗ ΣΕ ΑΛΛΟ ΦΟΡΕΑ (τίτλος): ΤΜΗΜΑ/ ΙΝΣΤΙΤΟΥΤΟ/ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ/ : ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ: (κατά τη διάρκεια υλοποίησης της πρότασης) A2. ΚΥΡΙΟΣ ΕΡΕΥΝΗΤΗΣ (ΚΕ) Πολύκαρπος Πίσσης Καθηγητής Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών (ΣΕΜΦΕ), Τομέας Φυσικής ΟΔΟΣ Ηρώων Πολυτεχνείου ΑΡΙΘΜΟΣ 9 ΠΟΛΗ Αθήνα TK ΤΗΛΕΦΩΝΟ ΤΗΛΕΦΩΝΟ FAX Ε-Mail ppissis@central.ntua.gr 3

4 A3. ΦΟΡΕΑΣ ΥΠΟΔΟΧΗΣ (ΦΥ) ΠΛΗΡΗΣ ΕΠΩΝΥΜΙΑ: Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο ΣΥΝΤ/ΦΙΑ ΕΜΠ Δ/ΝΣΗ ΕΔΡΑΣ ΦΟΡΕΑ ΥΠΟΒΟΧΗΣ: ΟΔΟΣ - ΑΡΙΘΜΟΣ Ηρώων Πολυτεχνείου ΑΡΙΘΜΟΣ 9 ΠΟΛΗ Ζωγράφου, Αθήνα ΤΚ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΑ ΑΦΜ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΦΥ: ΔΟΥ ΙΑ Αθηνών ΕΠΩΝΥΜΙΑ ΚΑΙ ΣΥΝΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗΣ ΜΟΝΑΔΑΣ ΦΟΡΕΑ ΥΠΟΔΟΧΗΣ: (Τμήμα, Ινστιτούτο κλπ) Δ/ΝΣΗ ΕΔΡΑΣ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗΣ ΜΟΝΑΔΑΣ ΦΟΡΕΑ ΥΠΟΔΟΧΗΣ: Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών (ΣΕΜΦΕ), Τομέας Φυσικής ΟΔΟΣ Ηρώων Πολυτεχνείου ΑΡΙΘΜΟΣ 9 ΠΟΛΗ Ζωγράφου, Αθήνα ΤΚ ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΑ: Αττικής ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ: ΝΟΜΙΜΟΣ ΕΚΠΡΟΣΩΠΟΣ ΦΟΡΕΑ ΥΠΟΔΟΧΗΣ ΤΙΤΛΟΣ: ΘΕΣΗ ΣΤΟ ΦΟΡΕΑ: ΤΟΜΕΑΣ/ΤΜΗΜΑ: Ιωάννης Ν. Αβαριτσιώτης Καθηγητής Αντιπρύτανης ΕΜΠ Επιτροπή διαχείρισης Ειδικού Λογαριασμού Ηρώων ΟΔΟΣ ΑΡΙΘΜΟΣ 9 ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ: Πολυτεχνείου ΠΟΛΗ Ζωγράφου, Αθήνα ΤΚ ΤΗΛΕΦΩΝΟ: FAX: Ε-Mail: abari@cs.ntua.gr ΑΡΜΟΔΙΟ ΠΡΟΣΩΠΟ ΦΟΡΕΑ ΥΠΟΔΟΧΗΣ ΓΙΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ ΕΠΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΩΝ ΘΕΜΑΤΩΝ ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ: ΘΕΣΗ ΣΤΟ ΦΟΡΕΑ: ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ : (κατά τη διάρκεια του έργου) ΟΔΟΣ ΠΟΛΗ Γεωργία Μερτζέλου Προϊστάμενη Γραμματείας ΕΛΚΕ Ηρώων Πολυτεχνείου Ζωγράφου, Αθήνα ΤΗΛΕΦΩΝΟ ΑΡΙΘΜΟΣ 9 ΤΚ ΤΗΛΕΦΩΝΟ 2 FAX Ε-Mail ereyna@central.ntu a.gr 4

5 ΤΜΗΜΑ B. ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟΥ Β1. ΣΥΝΤΟΜΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟΥ Β1.1 ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ - ΣΤΟΧΟΙ ΑΝΑΜΕΝΟΜΕΝΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Τα νανοσύνθετα πολυμερικά υλικά (ΝΠΥ) έχουν προσελκύσει σημαντικό επιστημονικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον τα τελευταία 25 χρόνια λόγω της σημαντικής βελτίωσης πολλών ιδιοτήτων της πολυμερικής μήτρας (μηχανικών, θερμικών, φραγμού κ.ά.) σε πολύ μικρότερο κλάσμα του εγκλείσματος σε σύγκριση με τα παραδοσιακά σύνθετα υλικά. Παρά τις πολλές προσπάθειες, δεν υπάρχει ακόμα θεωρία που να εξηγεί σε ικανοποιητικό βαθμό αυτή τη βελτίωση ιδιοτήτων, είναι όμως κοινά αποδεκτός ο σημαντικός ρόλος των διεπιφανειακών αλληλεπιδράσεων λόγω του μεγάλου πηλικόυ επιφάνειας / όγκου των νανοσωματιδίων. Σε αναλογία προς πειραματικά και υπολογιστικά αποτελέσματα σε πρότυπα συστήματα, αναμένουμε ότι το πολυμερές στη διεπιφάνεια και σε ένα διεπιφανειακό στρώμα πάχους μερικών nm γύρω από τα νανοσωματίδια χαρακτηρίζεται από διαφορετική οργάνωση, θερμικές μεταπτώσεις, δυναμική και ιδιότητες, σε σύγκριση με τον όγκο του υλικού. Η παρουσία των διεπιφανειών και των μεσοφάσεων έχει, ως εκ τούτου, σημαντική επίδραση στη διαμόρφωση των τελικών τεχνολογικών ιδιοτήτων των ΝΠΥ, όπως είναι οι μηχανικές ιδιότητες. Η κατανόηση της επίδρασης αυτής, ως συστατικό στοιχείο των σχέσεων δομής-ιδιοτήτων, δηλαδή των σύνθετων σχέσεων που συνδέουν μεταξύ τους σύσταση, συνθήκες σύνθεσης/κατεργασίας, δομή/μορφολογία, δυναμική και τελικές ιδιότητες, αποτελεί πρωταρχική προϋπόθεση για τον ορθολογικό, με βάση τη γνώση σχεδιασμό υλικών με προκαθορισμένες ιδιότητες, προσαρμοσμένες στις ανάγκες των εφαρμογών. Από την άποψη της βασικής έρευνας, η μεγάλη έκταση των διεπιφανειών στα ΝΠΥ προσφέρει, παράλληλα, τη δυνατότητα μελέτης τους σε μακροσκοπικά δοκίμια. Και στις δύο περιπτώσεις, τεχνολογικές εφαρμογές και βασική έρευνα, καθοριστικό ρόλο παίζει η ποιότητα της διασποράς των νανοσωματιδίων στα ΝΠΥ. Τα αποτελέσματα στη βιβλιογραφία σχετικά με τις θερμικές μεταπτώσεις και τη δυναμική σε ΝΠΥ, που αναφέρονται συνήθως στην υαλώδη μετάπτωση και τη χαρακτηριστική θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης, T g, με μετρήσεις θερμιδομετρίας (DSC), και τον αντίστοιχο μηχανισμο αποκατάστασης α (δυναμική υαλώδης μετάπτωση), με φασματοσκοπικές τεχνικές, όπως διηλεκτρική (DRS) και μηχανική φασματοσκοπία (DMA), είναι συχνά αντιφατικά. Έτσι, η δυναμική παρουσιάζεται να επιταχύνεται ή να επιβραδύνεται ή να μην αλλάζει, πάντοτε σε ΝΠΥ με καλή διασπορά των νανοσωματιδίων. Συχνά όμως τα αποτελέσματα υποδεικνύουν τη παρουσία ενός διεπιφανειακού στρώματος πάχους μερικών nm με περιορισμένη κινητικότητα, ενώ το υπόλοιπο πολυμερές δεν επηρεάζεται, και η συμπεριφορά αυτή περιγράφεται με μοντέλα 2 ή 3 διακριτών στρωμάτων ή με συνεχή κατανομή των T g s. Παράλληλα με αυτό το φαινόμενο διεπιφάνειας, πρέπει να ληφθεί υπ όψιν και ένα φαινόμενο χωρικού περιορισμού, που συνίσταται στην επίτάχυνση της δυναμικής όταν η μέση απόσταση μεταξύ των νανοσωματιδίων μειώνεται στα όρια του χαρακτηριστικού μήκους συνεργατικότητας της υαλώδους μετάπτωσης. Επίσης, η φυσική γήρανση (δομική χαλάρωση) βρέθηκε να επιταχύνεται στα ΝΠΥ, οι ερμηνείες όμως, ιδιαίτερα σε σχέση με τη δυναμική των πολυμερικών αλυσίδων, διίστανται. Αντιφατικά είναι επίσης τα αποτελέσματα αναφορικά με την επίδραση των νανοσωματιδίων στη κρυστάλλωση ημικρυσταλλικής πολυμερικής μήτρας: τί ελέγχει τί, τα νανοσωματίδια τη κρυστάλλωση ή η κρυστάλλωση τη διασπορά των νανοσωματιδίων; Το Έργο στοχεύει στη σύνθεση οργανικών/ανόργανων πρότυπων ΝΠΥ, το χαρακτηρισμό τους και τη κατανόηση των ιδιοτήτων των διεπιφανειών και των μεσοφάσεων που σχετίζονται με αυτές. Τα δοκίμια θα παρασκευασθούν σε εξειδικευμένα εργαστήρια του εξωτερικού, στα πλαίσια τρεχουσών συνεργασιών, με βάση κυρίως θερμοπλαστικές μήτρες (PMMA, PS, PHEA, PEG, PET) και ελαστομερές PDMS, ενώ τα εγκλείσματα θα είναι σφαιρικά μεταλλικά οξείδια (κυρίως πυριτία και τιτανία) και νανοσωλήνες άνθρακα (CNT). Η ισχύς των αλληλεπιδράσεων πολυμερούς-εγκλείσματος θα ρυθμισθεί με τη κατάλληλη επιλογή των συστατικών και τη προσθήκη δραστικών ομάδων. Η Χημεία θα ελεγχθεί με τεχνικές FTIR και NMR. Η δομή/μορφολογία θα μελετηθεί με τεχνικές AFM, XRD, SEM, TEM, SAXS SANS, εν μέρει στα εργαστήρια σύνθεσης και εν μέρει στην Αθήνα. Οι θερμικές μεταπτώσεις θα μελετηθούν με τεχνικές DSC και TMDSC, ενώ για τη μελέτη της δυναμικής της πολυμερικής μήτρας θα χρησιμποιηθούν τεχνικές διηλεκτρικής φασματοσκοπίας (DRS, TSDC, TDS). Οι ιδιότητες που θα μελετηθούν σε σχέση με τεχνολογικές εφαρμογές ειναι μηχανικές, με τεχνικές DMA και τάσης-παραμόρφωσης, και διαπερατότα σε νερό και,ατμούς πτητικών οργανικών ουσιών, με τεχνικές ρόφησης/διάχυσης. Τέλος, θα χρησιμοποιηθούν προσομοιώσεις σε υπολογιστή για τη μελέτη της μορφολογίας και της δυναμικής και τη πρόρρηση των ιδιοτήτων, σε στενή συνεργασία με την ερευνητική ομάδα του κ. Θεοδώρου στο ΕΜΠ. Κύριο στόχο του Έργου αποτελεί η παραγωγή νέας γνώσης για την οργάνωση και τις ιδιότητες (θερμικές μεταπτώσεις, δυναμική) του πολυμερούς στη διεπιφάνεια πολυμερούς/εγκλείσματος και για την επίδρασή τους στις τελικές ιδιότητες των ΝΠΥ, με βάση το συνδυασμό στοχευμένης σύνθεσης πρότυπων ΝΠΥ, πολλών εν μέρει συμπληρωματικών πειραματικών τεχνικών χαρακτηρισμού και προσομοιώσεων σε υπολογιστή. Ειδικότεροι στόχοι του Έργου είναι η συνεισφορά στη 5

6 καλύτερη κατανόηση των σχέσεων δομής-ιδιοτήτων στα ΝΠΥ, η ανάπτυξη νέων μεθοδολογιών για τη μελέτη των διεπιφανειακών αλληλεπιδράσεων στα ΝΠΥ, ιδιαίτερα με τη συνδυασμένη χρήση τεχνικών DSC/DRS/TSDC/DMA, η ανάπτυξη μεθοδολογίας για τον υπολογισμό (πρόρρηση) της εξάρτησης του χρόνου χαλάρωσης του μηχανισμού α (υαλώδους μετάπτωσης) από τη πλησιέστερη διεπιφάνεια πολυμερούς/εγκλείσματος από διηλεκτικές μετρήσεις, και η συνεισφορά στην ανάπτυξη νέων υπολογιστικών εργαλείων για τη πρόρρηση της μορφολογίας, της δυναμικής και των ιδιοτήτων των ΝΠΥ σε στενή συνεργασία με ειδικούς στο αντικείμενο και σε συντονισμό με τα σχετικά πειράματα. Προσδοκώμενο τελικό αποτέλεσμα είναι η παραγωγή νέας γνώσης στα αντικείμενα που αναφέρθηκαν πιο πάνω και, πιο εξειδικευμένα, απαντήσεις σε ερωτήματα αιχμής, όπως, μεταξύ άλλων, (1) Ποιά η σχετική συνεισφορά των διεπιφανειακών φαινομένων και ποιά του χωρικού περιορισμού στη τροποποίηση της δυναμικής και της T g στα ΝΠΥ; Πώς μπορούν να διακριθούν οι δύο συνεισφορές; (2) Ποιά η επίδραση των νανοσωματιδίων στη κρυστάλλωση ημικρυσταλλικής πολυμερικής μήτρας; Ελέγχουν αυτά τη κρυστάλλωση ή η κρυστάλλωση τη διασπορά των νανοσωματιδίων; (3) Πώς συμπεριφέρεται το ακινητοποιημένο στρώμα πολυμερούς σε υψηλές θερμοκρασίες; Χαλαρώνει ή αποδομείται ως τέτοιο; (4) Συνδέεται η καταπίεση της φυσικής γήρανσης στα ΝΠΥ με μεταβολές της πολυμερικής δυναμικής; (5) Ποιά η βέλτιστη δραστικοποίηση σε ΝΠΥ με CNT για καλές μηχανικές και ηλεκτρικές ιδιότητες; Ποιός ο ρόλος της ευθυγράμμισης και ποιός του προσανατολισμού των CNT; Τα αποτελέσματα του Έργου θα δημοσιοποιηθούν σε περισσότερες από 15 δημοσιεύσεις σε επιστημονικά περιοδικά και περισσότερες από 20 ανακοινώσεις σε επιστημονικά συνέδρια. Η νέα γνώση που θα παραχθεί αναμένεται να συνεισφέρει στον ορθολογικό, με βάση τη γνώση σχεδιασμό και ανάπτυξη νέων υλικών κατασκευών υψηλών προδιαγραφών με βέλτιστο ισοζύγιο ακαμψίας, αντοχής και ολκιμότητας, νέων αγώγιμων υλικών χαμηλού κόστους για εφαρμογές αισθητήρων και ηλεκτρομαγνητικής θωράκισης, και νέων τεχνολογιών, οικονομικών και φιλικών προς το περιβάλλον, για τη παρασκευή ΝΠΥ. Παράλληλα, νέοι ερευνητές θα εκπαδευθούν στα πλαίσια του Έργου σε τεχνολογίες αιχμής. Β1.2 ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗΣ Η μεθοδολογία που θα χρησιμοποιηθεί για την επίτευξη των στόχων που αναφέρονται πιο πάνω εδράζεται στη σημαντική και μακροχρόνια εμπειρία της ερευνητικής ομάδας σε αντικείμενα συναφή μα αυτό του Έργου και σε ένα εκεταμένο δίκτυο συνεργασιών που εξασφαλίζει πρόσβαση σε δοκίμια ΝΠΥ σχεδιασμένα και παρασκευασμένα από εξειδικευμένα εργαστήρια ειδικά για τις ανάγκες του Έργου, σε πειραματικές τεχνικές χαρακτηρισμού που δεν διαθέτουμε στην Αθήνα και σε προσομοιώσεις σε υπολογιστή σε συντονισμό με τα αντίστοιχα πειράματα. Το Έργο διαιρείται σε οκτώ ενότητες εργασίας (Ε.Ε.) και η κάθε ενότητα σε περισσότερες δράσεις. Η Ε.Ε.1 αναφέρεται στη σύνθεση και το φυσικοχημικό χαρακτηρισμό των δοκιμίων, με δύο επί μέρους δράσεις, νανο-οξείδια και CNT. Τα δοκίμια θα παρασκευασθούν σε εξειδικευμένα εργαστήρια του εξωτερικού, στα πλαίσια τρεχουσών συνεργασιών, στα οποία θα γίνει και ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός τους. Η Ε.Ε.2 αναφέρεται στο δομικό και μορφολογικό χαρακτηρισμό των δοκιμίων, με επι μέρους δράσεις το ποσοτικό χαρακτηρισμό της ποιότητας της διασποράς των νανοσωματιδίων στη πολυμερική μήτρα, της κρυσταλλικότητας στίς περιπτώσεις ημικρυσταλλικών πολυμερικών μητρών και της ευθυγράμμισης και προσανατολισμού των CNT. Η Ε.Ε.3 αναφέρεται στη μελέτη των θερμικών μεταπτώσεων τη πολυμερικής μήτρας, με τις επί μέρους δράσεις να καλύπτουν την υαλωδη μετάπτωση, τη τήξη και κρυστάλλωση, τη φυσική γήρανση και τη φασματοσκοπία ειδικής θερμότητας. Η Ε.Ε.4 αναφέρεται στη μελέτη της δυναμικής των πολυμερικών αλυσίδων (δράση 4.1) και της ηλεκτρικής αγωγιμότητας (δράση 4.2), κατά κύριο λόγο με τεχνικές διηλεκτρικής φασματοσκοπίας, καθώς και της θερμικής αγωγιμότητας (δράση 4.3) με ειδική προς τούτο διάταξη. Στην Ε.Ε.5 θα μελετηθούν οι μηχανικές ιδιότητες των ΝΠΥ με τεχνικές DMA (δράση 5.1) και τάσης-παραμόρφωσης (δράση 5.2). Στην Ε.Ε.6 θα μελετηθεί η διαπερατότητα επιλεγμένων ΝΠΥ σε μικρά μόρια, ειδικότερα νερού (δράση 6.1) και ατμών αλκοολών και άλλων πτητικών οργανικών ουσιών (δράση 6.2), με τη προοπτική εξειδικευμένων τεχνολογικών εφαρμογών αισθητήρων και συσκευασίας. Η Ε.Ε.7 αναφέρεται σε προσομοιώσεις σε υπολογιστή με μεθόδους SCF (δράση 7.1) και MD (δράση 7.2), σε στενή συνεργασία με την ερευνητική ομάδα του κ. Θεοδώρου στο ΕΜΠ και αλληλεπίδραση με ειδικά σχεδιασμένα πειράματα. Τέλος, η Ε.Ε.8 αναφέρεται σε ενέργειες δημοσιοποίησης και διάχυσης των αποτελεσμάτων του Έργου, γενικότερα στη διεθνή επιστημονική κοινότητα (δημοσιεύσεις σε περιοδικά, ανακοινώσεις σε συνέδρια, ιστοσελίδα της ομάδας), αλλά και ειδικότερα στις κοινότητες υλικών κατασκευών, ηλεκτρονικών υλικών, μεμβρανών, και συσκευασίας τροφίμων (οργάνωση ημερίδας, μεταξύ άλλων) στη προοπτική τεχνολογικής αξιοποίησης των αποτελεσμάτων του Έργου. 6

7 Β2. ΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟΥ Τίτλος Ε.Ε.1 ΕΝΟΤΗΤΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ (Ε.Ε.) 1 Σύνθεση και φυσικοχημικός χαρακτηρισμός Στόχος της Ε.Ε.1 είναι η σύνθεση των ΝΠΥ που θα μελετηθούν στα πλαίσια του Έργου και ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός τους και αναμενόμενο αποτέλεσμα τα ίδια τα δοκίμια και τα αποτελέσματα του φυσικοχημικού χαρακτηρισμού τους. Τα δοκίμια θα παρασκευασθούν σε εξειδικευμένα εργαστήρια του εξωτερικού στα πλαίσια συνεργασιών που λειτουργούν αποδοτικά εδώ και αρκετά χρόνια, ειδικότερα στο Κέντρο Βιοϋλικών του Πολυτεχνείου της Valencia στην Ισπανία (ΤUV), στο Ινστιτούτο Έρευνας Πολυμερών στη Δρέσδη Γερμανίας (IPF) και στο Ινστιτούτο Χημείας Επιφανειών της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών της Ουκρανίας στο Κίεβο (NASU). Ως μήτρες θα επιλεγούν κυρίως θερμοπλαστικά πολυμερή (PMMA και ημιφθοριωμένο PMMA, PS, PHEA, PEG, PET, PEEK) και το ελαστομερές PDMS. Ορισμένα απο αυτά θα συντεθούν και άλλα θα αγορασθούν. Θα χρησιμοποιηθούν δύο τύποι νανοσωματιδίων, σφαιρικά οξείδια μετάλλων (πυριτία, τιτανία, μεικτά οξείδια) και νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων (CNT). Τα νανο-οξείδια θα παραχθούν επί τόπυ με τεχνικές λύματος-πηκτής, παρουσία της διογκωμ.ενης πολυμερικής μήτρας (IPF) ή ταυτόχρονα με το πολυμερισμό (TUV). Θα χρησιμοποιηθούν επίσης προκατασκευασμένα νανο-οξείδια, εμπορικά ή παρασκευασμένα στο εργαστήριο, συνήθως δραστικοποιημένα, για ανάμειξη με το πολυμερές (τήγμα ή κοινός διαλύτης) ή για επί τόποιυ πολυμερισμό. Θα χρησιμοποιηθούν CNT, εμπορικοί ή παρασκευασμένοι στο εργαστήριο (NASU), με προσθήκη κατάλληλων δραστικών ομάδων ανάλογα με τη πολυμερική μήτρα, και τα νανοσύνθετα θα παρασκυασθούν με τεχνικές ανάμειξης (τήγμα ή διάλυμα) ή με επί τόπυ πολυμερισμό. Θα αξιοποιηθούν ειδικές τεχνικές για την ευθυγράμμιση και το προσανατολισμό των CNT και τη παρασκευή ανισότροπων ΝΠΥ (εφαρμογή μαγνητικού πεδίου στο NASU, calendaring στο Ινστιτούτο Μηχανικής Υλικών και Γεωδωμών στην Αθήνα). Η σύσταση των ΝΠΥ και οι συνθήκες σύνθεσης και κατεργασίας θα μεταβληθούν συστηματικά. Μια ειδική περίπτωση αποτελούν σκόνες νανο-οξειδίων με προσροφημένο (από διάλυμα) πολυμερές, από ένα μονομοριακό στρώμα μέχρι συνήθη ΝΠΥ. Η Χημεία της σύνθεσης θα ελεγχθεί με τεχνικές FTIR και NMR στα εργαστήρια σύνθεσης, όπου θα γίνει και ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός (μοριακά βάρη, σύσταση) με τεχνικές XPS και TGA στις περιπτώσεις τεχνικών λύματος-πηκτής ή/και επί τόπου πολυμερισμού. Η Ε.Ε.1 περιλαμβάνει δύο κύριες δράσεις, νανο-οξείδια (Ε.Ε.1.1) και CNT (Ε.Ε.1.2).. Στην Ε.Ε.1, πέραν των συνεργατών μας στα εργαστήρια τοο εξωτερικού, εμπλέκονται τα μέλη της ερευνητικής ομάδας Πίσσης, Αραβοπούλου και Κουτσουμπής, οι δύο τελευταίοι ιδιαίτερα σε θέματα μεταφοράς τεχνογνωσίας στην Αθήνα, από TUV η πρώτη και από IPF ο δεύτερος. Για τον ίδιο λόγο (μεταφορά τεχνογνωσίας από TUV) εμπλέκεται επίσης το μέλος της ερευνητικής ομάδας Πανδής που συμμετέχει αμισθί στην υλοποίηση του Έργου. Και τα 4 μέλη της ομάδας θα συνεισφέρουν στην υλοποίηση των παραδοτέων της Ε.Ε.1. Οι εναλλακτικές δυνατότητες σύνθεσης και φυσικοχημικού χαρακτηρισμού σε περισσότερα εργαστήρια, καθώς και η δυνατότητα αδιάλειπτης πρόσβασης σε αυτά, ελαχιστοποιούν τους όποιους περιορισμούς/κινδύνους της προτεινόμενης μεθοδολογίας. Παραδοτέα Ε.Ε Δοκίμια ΝΠΥ Σειρά δοκιμίων ΝΠΥ με διάφορες μήτρες και εγκλείσματα, που μπορούν να αξιοποιηθούν (και από άλλες ομάδες) σε επιπλέον μελέτες, ιδιαίτερα των τελικών μακροσκοπικών τους ιδιοτήτων στη προοπτική εφαγμογών Αποτελέσματα φυσικοχημικού χαρακτηρισμού 1.2 Αποτελέσματα φυσικοχημικού των ΝΠΥ που θα παρασκευασθούν στα πλαίσια χαρακτηρισμού των ΝΠΥ του Έργου (μοριακά βάρη, σύσταση, χημικοί και φυσικοί δεσμοί κ.ά.) 7

8 ΕΝΟΤΗΤΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ (Ε.Ε.) 2 Τίτλος Ε.Ε.2 Μορφολογικός χαρακτηρισμός Στόχος της Ε.Ε.2 είναι ο συστηματικός χαρακτηρισμός της δομής/μορφολογιας των ΝΠΥ που θα παρασκευασθούν στην Ε Ε.1 και αναμενόμενο αποτέλεσμα τα αποτελέσματα του χαρακτηρισμού αυτού. Η σημαντικότερη δράση της Ε.Ε.2 αναφέρεται στο ποσοτικό χαρακτηρισμό της ποιότητας της διασποράς των νανοσωματιδίων με όρους μεγέθους και κατανομής μεγεθών (δράση Ε.Ε.2.1), ιδιαίτερα στις περιπτώσεις επί τόπυ ανάπτυξης των νανοσωματιδίων με τεχνικές λύματος-πηκτής. Οι άλλες δύο δράσεις της ενότητας αναφέρονται στη μελέτη της κρυσταλλικότητας της πολυμερικής μήτρας (βαθμός κρυσταλλικότητας, τύπος και μέγεθος κρυσταλλιτών), στις περιπτώσεις ημικρυσταλλικών μητρών (PEG, PET, PEEK, PDMS) (Ε.Ε.2.2), και στην ευθυγράμμιση και προσανατολισμό των CNT στα ΝΠΥ με CNT (Ε.Ε.2.3). Στη δράση Ε.Ε.2.1 θα χρησιμοποιηθούν τεχνικές AFM, SEM, TEM, SAXS, SANS, οπτική μικροσκοπία, στη δράση Ε.Ε.2.2 XRD, SAXS, SANS, οπτική μικροσκοπία και στη δράση Ε.Ε.2.3 φασματοσκοπία Raman, FTIR, οπτική μικροσκοπία και ηλεκτρικές μετρήσεις. Για τις μετρήσεις TEM θα αξιοποιηθούν οι συνεργασίες με IPF και TUV, ενώ οι μετρήσεις SAXS και SANS θα γίνουν σε συνεργασία με τη καθηγήτρια κ. Papadakis στο Πολυτεχνείο του Μονάχου (Γερμανία). Τέλος, οι μετρήσεις AFM, SEM, XRD, Raman, FTIR, οπτικής μικροσκοπίας και ηλεκτρικής αγωγιμότητας θα γίνουν στο ΕΜΠ. Πληροφορίες για τη δομή/μορφολογία θα προκύψουν και από μετρήσεις DSC (Ε.Ε.3) και διηλεκτρικές μετρήσεις (Ε.Ε.4). Στις δράσεις της Ε.Ε.2, πέραν των συνεργατών μας στα εργαστήρια τοο εξωτερικού IPF, TUV και Πολυτεχνείο του Μονάχου,, εμπλέκονται τα μέλη της ερευνητικής ομάδας Πίσσης, Πέογλος, μεταδιδακτορικός ερευνητής (ΜΔΕ) 4 και ΜΔΕ5. Ο ΜΔΕ4 θα ασχοληθεί κυρίως με μετρήσεις FTIR και Raman, θα έχει σημαντική συνεισφορά στην υλοποίηση του παραδοτέου 2.2 και θα συνδράμει με μετρήσεις Raman στην υλοποίηση του παραδοτέου 2.1. Ο ΜΔΕ5 θα έχει σημαντική συνεισφορά στην υλοποίηση του παραδοτέου 2.1, κυρίως με μετρήσεις AFM, SEM και οπτικής μικροσκοπίας, ενώ θα συνδράμει με μετρήσεις διπλοθλαστικότητας στην υλοποίηση του παραδοτέου 2.2. Ο κ. Πέογλος θα έχει συντονιστικό ρόλο και θα εμπλακεί σε όλες τις δραστηριότητες της Ε.Ε.2. Οι όποιοι περιορισμοί/κίνδύνοι της προτεινόμενης μεθοδολογίας ελαχιστοποιούνται με την επιλογή πολλών τεχνικών μορφολογικού χαρακτηρισμού, συμπληρωματικών ή/και εναλλακτικών, καθώς και της δυνατότητας μετρήσεων σε περισσότερα εργαστήρια. Παραδοτέα Ε.Ε Αποτελέσματα μορφολογικού χαρακτηρισμού Αποτελέσματα μελέτης προσανατολισμού των CNT Αποτελέσματα χαρακτηρισμού δομής/μορφολογίας για όλες τις σειρές δοκιμίων με τεχνικές AFM, SEM, TEM, SAXS, SANS, XRD, φασματοσκοπίας Raman, οπτικής μικροσκοπίας και ηλεκτρικών μετρήσεων (φωτογραφίες, φάσματα, διαγράμματα ανάλυσης, πίνακες) Αποτελέσματα μελέτης ευθυγράμμισης και προσανατολισμού των CNT στα ΝΠΥ με τεχνικές φασματοσκοπίας Raman, οπτικής μικροσκοπίας και FTIR ΕΝΟΤΗΤΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ (Ε.Ε.) 3 Τίτλος Ε.Ε.3 Θερμικές μεταπτώσεις 8

9 Οι θερμικές μεταπτώσεις της πολυμερικής μήτρας, ιδιαίτερα η υαλώδης μετάπτωση και η τήξη/κρυστάλλωση, στις περιπτώσεις ημικρυσταλλικών μητρών, θα μελετηθούν συστηματικά με τεχνικές (παραδοσιακής) DSC και DSC με διαμόρφωση θερμοκρασίας (TMDSC) στο ΕΜΠ, αξιοποώντας όλες τις πληροφορίες που προκύπτουν από τις μετρήσεις και τη συστηματική ανάλυσή τους. Στη περίπτωση της υαλώδους μετάπτωσης (δράση Ε.Ε.3.1) αυτό αναφέρεται στη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης, T g, στο εύρος της μετάπτωσης, ΔT g, και στη μεταβολή (βήμα) της ειδικής θερμότητας, ΔC p. Θα δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στη σωστή μέτρηση, κανονικοποίηση και ανάλυση του ΔC p, σε σχέση με την ακινητοποίηση (περιορισμό της κινητικότητας) κλάσματος της πολυμερικής μήτρας. Το αντικείμενο αυτό παρουσιάζει πολλές δυσκολίες, ιδιαίτερα σε ημικρυσταλλικές μήτρες, όπου υπάρχει συνεργασία με την ερευνητική ομάδα του καθηγητή κ. Schick στο Rostock (Γερμανία). Στη μελέτη της τήξης/κρυστάλλωσης (δράση Ε.Ε.3.2) τα δεδομένα που θα αναλυθούν αναφέρονται στις θερμοκρασίες και τις ενθαλπίες των μεταπτώσεων. Ο βαθμός κρυσταλλικότητας που θα προκύψει από αυτή την ανάλυση θα συγκριθεί με τις αντίστοιχες τιμές από XRD (δράση Ε.Ε.2.2). Θα χρησιμοποιηθούν διάφορα πρωτόκολλα κρυστάλλωσης, συμπεριλαμβανομένης της ισόθερμης κρυστάλλωσης. Η μελέτη της φυσικής γήρανσης (δομικής χαλάρωσης), που θα πραγματοποιηθεί με μετρήσεις DSC και ανόπτηση των δοκιμίων σε θερμοκρασίες λίγο χαμηλότερες της T g για διάφορα χρονικά διαστήματα, θα δώσει πληροφορίες για χωρικές κλίμακες συγκρίσιμες με αυτή της υαλώδους μετάπτωσης, δηλαδή της τάξης των 2 nm, και επομένως για την ακινητοποίηση (περιορισμό της κινητικότητας) κλάσματος της πολυμερικής μήτρας (δράση Ε.Ε.3.3). Τέλος, η τεχνική TMDSC θα χρησιμοποιηθεί ως φασματοσκοπία ειδικής θερμότητας (δράση Ε.Ε.3.4) παρέχοντας πληροφορίες για τη δυναμική υαλώδη μετάπτωση στη περιοχή συχνοτήτων 1Hz-1kHz, που θα αξιοποιηθούν στη κατασκευή συγκριτικών διαγραμμάτων Arrhenius (Ε.Ε.4). Για την επέκταση των μετρήσεων σε ευρύτερη περιοχή συχνοτήτων με τεχνικές ac-chip calorimetry θα αξιοποιηθεί η συνεργασία με την ερευνητική ομάδα του καθηγητή κ. Schick στο Rostock (Γερμανία). Στις δράσεις της Ε.Ε.3 εμπλέκονται τα μέλη της ερευνητικής ομάδας Πίσσης, Πέογλος, Κοντού, ΜΔΕ3 και Αραβοπούλου. Ο κ. Πέογλος θα έχει συντονιστικό ρόλο και θα εμπλακεί σε όλες τις δραστηριότητες της Ε.Ε.3. Η κ. Κοντού θα βοηθήσει σημαντικά με την εμπειρία της σε μετρήσεις DSC, ιδιαίτερα στη μελέτη της φυσικής γήρανσης με τη τεχνική αυτή. Η κ. Αραβοπούλου θα έχει σημαντική εμπλοκή στις μετρήσεις/ανάλυση με τη τεχνική DSC και στην υλοποίηση του παραδοτέου 3.1. Ο ΜΔΕ3 θα ασχοληθεί κυρίως με μετρήσεις TMDSC και θα έχει σημαντική συνεισφορά στην υλοποίηση του παραδοτέου 3.2. Παράλληλα, θα αξιοποιηθεί σε αυτή την ενότητα εργασίας η συνεργασία με την ερευνητική ομάδα του καθηγητή κ. Schick στο Rostock (Γερμανία) με μακροπρόθεσμο στόχο τη μεταφορά της σχετικής τεχνογνωσίας στην Αθήνα. Η πρόσβαση στις ερευνητικές διατάξεις της ομάδας του καθηγητή κ. Schick, που αναφέρθηκε πιο πάνω, καθώς και σε άλλες διατάξεις, συμπληρωματικά ή/και εναλλακτικά προς αυτές στο ΕΜΠ, ελαχιστοποιεί τους όποιους περιορισμούς/κίνδύνους της προτεινόμενης μεθοδολογίας. Παραδοτέα Ε.Ε.3 Αποτελέσματα μελέτης των θερμικών 3.1 Αποτελέσματα μελέτης των θερμικών μεταπτώσεων (υαλώδους μετάπτωσης, μεταπτώσεων τήξης/κρυστάλλωσης, φυσικής γήρανσης) σε μορφή διαγραμμάτων και πινάκων 3.2 Αποτελέσματα φασματοσκοπίας ειδικής Αποτελέσματα φασματοσκοπίας ειδικής θερμότητας στη μορφή διαγραμμάτων Arrhenius θερμότητας για τη δυναμική υαλώδη μετάπτωση Τίτλος Ε.Ε.4 ΕΝΟΤΗΤΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ (Ε.Ε.) 4 Δυναμική και αγωγιμότητα 9

10 Η δυναμική των πολυμερικών αλυσίδων (δράση Ε.Ε.4.1) θα μελετηθεί κατά κύριο λόγο με διηλεκτρικές τεχνικές, που περιλαμβάνουν διηλεκτρική φασματοσκοπία αποκατάστασης (DRS), θερμικώς διεγειρόμενα ρεύματα αποπόλωσης (TSDC) και αργή φασματοσκοπία στη περιχή χρόνου (TDS). Θα αξιοποιηθούν η ευρεία περιοχή 12 και περισσότερων δεκάδων συχνοτήτων που καλύπτουν συνολικά οι τρεις τεχνικές και τα ειδικά πλεονεκτήματα της κάθε μιας. Εκτός από τους διπολικούς μηχανισμούς αποκατάστασης, ιδιαίτερα το μηχανισμό α που σχετίζεται με την υαλώδη μετάπτωση, θα μελετηθεί ο μηχανισμός διεπιφανειακής πόλωσης Maxwell-Wagner-Sillars, που θα αναλυθει και διερευνηθεί με όρους χωρικής κατανομής των εγκλεισμάτων. Τα πειραματικά δεδομένα των διηλεκτρικών μετρήσεων θα αναλυθούν με τη προσαρμογή σε αυτά πρότυπων συναρτήσεων, αξιοποιώντας ειδικές μεθοδολογίες κριτικής ανάλυσης που έχουν αναπτυχθεί στην Αθήνα. Η ανάλυση θα δώσει ποσοτικές πληροφορίες για τη κλίμακα χρόνου, την ισχύ και το σχήμα κάθε μηχανισμού αποκατάστασης. Στη παρουσίαση και την ανάλυση των δεδομένων θα χρησιμοποιηθούν διάφοροι φορμαλισμοί, όπως ηλεκτρικού μέτρου, σύνθετης εμπέδησης, αγωγιμότητας εναλλασσομένου, μεθόδου παραγώγισης. Επιπρόσθτες πληροφορίες για τη κλίμακα χρόνου της δυναμικής θα προκύψουν και από τη χρήση των τεχνικών DSC και TMDSC (Ε.Ε.3) και DMA (Ε.Ε.5), οι οποίες θα ενσωματωθούν σε συγκριτικά διαγράμματα Arrhenius. Η μελέτη της ηλεκτρικής αγωγιμότητας (δράση Ε.Ε.4.2) θα επικεντρωθεί σε ΝΠΥ με εγκλείσματα CNT, ιδιαίτερα στο φαινόμενο διαφυγής (percolation), δηλαδή στη μετάπτωση μονωτής-αγωγός, και στην επίδραση των διεπιφανειών και των μεσοφάσεων στα ποσοτικά χαρακτηριστικά του φαινομένου, που είναι το κατώφλι αγωγιμότητας και ο κρίσιμος εκθέτης. Η ανάλυση θα προσφέρει πληροφορίες και για τη πραγματική τιμή του πηλίκου σχήματος των CNT στα ΝΠΥ. Οι μετρήσεις αγωγιμότητας θα είναι τόσο συνεχούς (2 και 4 επαφών) όσο και εναλλασσομένου. Επιπρόσθτες ποσοτικές πληροφορίες για το φαινόμενο διαφυγής θα προκύψουν από τις διηλεκτρικές μετρήσεις και την ανάλυσή τους με όρους εξάρτησης του πραγματικού μέρους της διηλεκτρικής συνάρτησης από τη σύσταση. Μετρήσεις σε χαμηλές θερμοκρασίες και συστηματική ανάλυσή τους σε σχέση με μοντέλα θα προσφέρουν πληροφορίες για την αντίσταση επαφής και το μηχανισμό αγωγιμότητας. Μετρήσεις επιφανειακής αγωγιμότητας με διάφορες διατάξεις ηλεκτροδίων (σε διάφορες κατευθύνσεις) θα δώσουν, με κατάλληλη ανάλυση, πληροφορίες για το προσανατολισμό των CNT, επιπροσθέτως αυτών που θα προκύψουν από φασματοσκοπία Raman στα πλαίσια της δράσης Ε.Ε.2.3. Οι μετρήσεις θερμικής αγωγιμότητας (Ε.Ε.4.3) θα επικεντρωθούν επίσης σε ΝΠΥ με εγκλείσματα CNT, καθώς οι CNT, εκτός από ηλεκτρική, παρουσιάζουν και σημαντική θερμική αγωγιμότητα. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων θα προσφέρει, μεταξύ άλλων, και σημαντικές πληροφορίες για τη ποιότητα της διασποράς των εγκλεισμάτων. Στις δράσεις της Ε.Ε.4 εμπλέκονται τα μέλη της ερευνητικής ομάδας Πίσσης, Κυρίτσης, ΜΔΕ2, Κουτσουμπής και Χατζημανώλης. Ο κ. Κυρίτσης θα έχει συντονιστικό ρόλο και θα εμπλακεί σε όλες τις δραστηριότητες της Ε.Ε.4. Ο ΜΔΕ2, με σημαντική εμπειρία σε θέματα ανάλυσης των πειραματικών δεδομένων των διηλεκτρικών μετρήσεων, θα συνεισφέρει σημαντικά στην υλοποίηση των παραδοτέων 4.1, 4.3 και 4.4. Οι κ. Κουστουμπής και Χατζημανώλης θα έχουν εμπλοκή σε όλες τις δραστηριότητες της Ε.Ε.4 στα πλαίσια της εκπαίδευσής τους, ενώ θα έχουν εντονότερη συμμετοχή και σημαντική συνεισφορά στην υλοποίηση του παραδοτέου 4.2 ο πρώτος και 4.5 ο δεύτερος. Οι όποιοι περιορισμοί/κίνδύνοι της προτεινόμενης μεθοδολογίας ελαχιστοποιούνται με την επιλογή πολλών τεχνικών διηλεκτρικών μετρήσεων και ηλεκτρικής αγωγιμότητας, συμπληρωματικών ή/και εναλλακτικών. Αυτό δεν ισχύει για τις μετρήσεις θερμικής αγωγιμότητας, στις οποίες θα χρησιμοποιηθεί μια μόνο διάταξη. Πρόσβαση σε διατάξεις άλλων ομάδων στο εξωτερικό περιορίζει όμως και εδώ τους όποιους περιορισμούς/κίνδύνους της προτεινόμενης μεθοδολογίας. Παραδοτέα Ε.Ε.4 Αποτελέσματα μελέτης της δυναμικής των πολυμερικών αλυσίδων για κάθε μηχανισμό 4.1 Αποτελέσματα μελέτης της δυναμικής αποκατάστασης σε μορφή φασμάτων, διαγγραμμάτων (ιδιαίτερα διαγραμμάτων Arrhenius) και πινάκων Αποτελέσματα μελέτης της ηλεκτρικής αγωγιμότητας στα ΝΠΥ με εγκλε;iσματα CNT, 4.2 ιδιαίτερα τιμές κατωφλιόυ αγωγιμότητας και Αποτελέσματα μελέτης της ηλεκτρικής κρισίμου εκθέτη, σε εξάρτηση από τη μέθοδο αγωγιμότητας παρασκευής, το τύπο δραστικοποίησης και το ποσοστό κάλυψης της επιφάνειας των CNT με δραστικές ομάδες 10

11 Μεθοδολογία μελέτης διεπιφανειακών φαινομένων Μεθοδολογία πρόβλεψης της δυναμικής και ελέγχου σχετικών μοντέλων Αποτελέσματα μελέτης της θερμικής αγωγιμότητας Μεθοδολογία μελέτης των διεπιφανειακών αλληλεπιδράσεων στα ΝΠΥ και των επιπτώσεών τους στη μορφολογία, τις θερμικές μεταπτώσεις και τη δυναμική με βάση ένα συνδυασμό των τεχνικών DSC/DRS/TSDC/DMA Μεθοδολογία πρόβλεψης της τμηματικής δυναμικής, ιδιαίτερα του χρόνου αποκατάστασης του μηχανισμού α, συναρτήσει της απόστασης από το πλησιέστερο νανοσωματίδιο, και ελέγχου σχετικών θεωριών και μοντέλων σε ΝΠΥ με βάση αποτελέσματα μετρήσεων DRS. Αποτελέσματα μελέτης της θερμικής αγωγιμότητας στα ΝΠΥ με εγκλε;iσματα CNT σε εξάρτηση από τη μέθοδο παρασκευής, το τύπο δραστικοποίησης και το ποσοστό κάλυψης της επιφάνειας των CNT με δραστικές ομάδες Τίτλος Ε.Ε.5 ΕΝΟΤΗΤΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ (Ε.Ε.) 5 Μηχανικές ιδιότητες Για τη μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων θα χρησιμοποιηθούν τεχνικές δυναμικής μηχανικής ανάλυσης (DMA, δράση Ε.Ε.5.1) και τάσης-παραμόρφωσης (δράση Ε.Ε.5.2). Οι μετρήσεις DMA, μικρού φορτίου, που θα πραγματοποιηθούν συναρτήσει της θερμοκρασίας σε σταθερή, χαμηλή συχνότητα στη περιοχή Ηz, θα δώσουν ποσοτικές πληροφορίες για το μέτρο αποθήκευσης και το μέτρο απωλειών που θα διερευνηθούν με όρο υς ακαμψίας και ολκιμότητας. Οι μετρήσεις DMA θα δώσουν επιπρόσθετες πληροφορίες για την υαλώδη μετάπτωση (δράση Ε.Ε.3.1) και τη δυναμική (Δράση Ε.Ε.4.1). Οι μετρήσεις τάσης-παραμόρφωσης, υψηλού φορτίου, που θα πραγματοποιηθούν σε διάφορες θερμοκρασίες και με μεγάλη ακρίβεια, καθώς χρησιμοποιείται διάταξη laser για τη μέτρηση της παραμόρφωσης, θα δώσουν πληροφορίες για την όλη μηχανική συμπεριφορά, συμπεριλαμβανομέων τιμών για το ελαστικό μέτρο, την αντοχή σε εφελκυσμό και τη παραμόρφωση στη θραύση. Τα αποτελέσματα θα αξιοποιηθούν για τη διερεύνηση της επίδρασης των ιδιοτήτων της διεπιφάνειας και των μεσοφάσεων, που προέκυψαν στις Ε.Ε.2-4, στη μηχανική συμπεριφορά, καθώς και για τη διερεύνηση των σχέσεων δομήςιδιοτήτων. Στις δράσεις της Ε.Ε.5 εμπλέκονται τα μέλη της ερευνητικής ομάδας Πίσσης, Κοντού και ΜΔΕ3. Η κ. Κοντού θα έχει συντονιστικό ρόλο, θα εμπλακεί σε όλες τις δραστηριότητες της Ε.Ε.5 και θα έχει σημαντική συμμετοχή στην υλοποίηση των παραδοτέων 5.1 και 5.2. Ο ΜΔΕ3 θα ασχοληθεί κυρίως με μετρήσεις DMA και θα έχει σημαντική συνεισφορά στην υλοποίηση του παραδοτέου 5.1. Η μακροχρόνια και σημαντική σχετική εμπειρία της κ. Κοντού από το Τομέα Μηχανικής του ΕΜΠ σε θερμομηχανικές μετρήσεις και μηχανικές ιδιότητες πολυμερικών υλικώ, που θα έχει την ευθύνη για την Ε.Ε.5, ελαχιστοποιεί τους όποιους περιορισμούς/κίνδύνους της προτεινόμενης μεθοδολογίας. Παραδοτέα Ε.Ε.5 11

12 5.1 Αποτελέσματα μετρήσεων DMA 5.2 Αποτελέσματα μετρήσεων τάσηςπαραμόρφωσης Αποτελέσματα μετρήσεων DMA σε όλες τις σειρές δοκιμίων: μέτρο αποθήκευσης και μέτρο απωλειών σε εξάρτηση από τη συχνότητα και τη θερμοκρασία, βαθμός ενίσχυσης σε εξάρτηση από το κλάσμα του εγκλείσματος (διαγράμματα, πίνακες) Αποτελέσματα μετρήσεων τάσης-παραμόρφωσης σε όλες τις σειρές δοκιμίων: τιμές μέτρου ελαστικότητας, αντοχής σε εφελκυσμό, παραμόρφωσης στη θραύση σε εξάρτηση από το κλάσμα του εγκλείσματος (διαγράμματα, πίνακες) Τίτλος Ε.Ε.6 ΕΝΟΤΗΤΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ (Ε.Ε.) 6 Διαπερατότητα Στις μελέτες διαπερατότητας θα χρησιμοποιηθούν ως αναλύτες υδρατμοί (δράση Ε.Ε.6.1), καθώς και ατμοί αλκοολών και άλλων πτητικών οργανικών ουσιών (δράση Ε.Ε.6.2). Μετρήσεις ρόφησης/διάχυσης με τους δύο τύπους αναλυτών θα πραγματοποιηθούν στις διατάξεις IGASorp Moisture Sorption Analyzer και VTI-SA Vapor Sorption Analyzer, αντίστοιχα. Μετρήσεις σε σταθερή θερμοκρασία συναρτήσει της μερικής πίεσης των ατμών, δυναμικές (συναρτήσει του χρόνου) και σε ισορροπία, θα αναλυθούν για να δώσουν τιμές του συντελεστή διάχυσης και της ρόφησης ατμών, αντίσοιχα. Επανάληψη των μετρήσεων σε διάφορες θερμοκρασίες και ανάλυσή τους θα δώσουν τιμές των θερμοδυναμικών παραμέτρων της ρόφησης και της διάχυσης. Όπως και στη περίπτωση της Ε.Ε.5, τα δεδομένα που θα προκύψουν θα αξιοποιηθούν για τη διερεύνηση της επίδρασης των ιδιοτήτων της διεπιφάνειας και των μεσοφάσεων, που προέκυψαν στις Ε.Ε.2-4, στη διαπερατότητα των υπό μελέτη ΝΠΥ σε μικρά μόρια (ιδιότητες φραγμού), καθώς και για τη διερεύνηση των σχέσεων δομής-ιδιοτήτων. Επιπλέον, τα αποτελέσματα αυτά θα δώσουν, αν και έμμεσα, πληροφορίες για τη ποιότητα της διασποράς των εγκλεισμάτων, το σχηματισμό συσσωματωμάτων (φαινόμενο διαφυγής) και τη μορφολογία στα ΝΠΥ με ημικρυσταλλική μήτρα. Στις δράσεις της Ε.Ε.6 εμπλέκονται τα μέλη της ερευνητικής ομάδας Πίσσης, Κυρίτσης, ΜΔΕ2, Αραβοπούλου και Χατζημανώλης. Ο κ. Κυρίτσης θα έχει συντονιστικό ρόλο και θα εμπλακεί σε όλες τις δραστηριότητες της Ε.Ε.6. Ο ΜΔΕ2, με εμπειρία της σε θέματα ρόφησης/διάχυσης διαφόρων αναλυτών σε πολυμερικά υλικά, θα συνεισφέρει σημαντικά στην υλοποίηση των παραδοτέων 6.1 και 6.2. Η κ. Αραβοπούλου και ο κ. Χατζημανώλης θα έχουν εμπλοκή σε όλες τις δραστηριότητες της Ε.Ε.6 στα πλαίσια της εκπαίδευσής τους, ενώ θα έχουν εντονότερη συμμετοχή και σημαντική συνεισφορά στην υλοποίηση του παραδοτέου 6.1 η πρώτη και 6.2 ο δεύτερος. Στην Ε.Ε.6 θα χρησιμοποιηθούν σε μεγάλο βαθμό νέες ερευνητικές διατάξεις ρόφησης/διάχυσης ατμών, στις οποίες η ερευνητική ομάδα του Έργου δεν έχει ακόμα σημαντική εμπειρία. Δυσκολίες και προβλήματα που ενδεχόμενα θα προκύψουν στην εφαρμογή της προτεινόμενης μεθοδολογίας θα αντιμετωπισθούν με βάση τη μακροχρόνια εμπειρία της ομάδας σε θέματα και διατάξεις ρόφησης/διάχυσης υδρατμών και τη δυνατότητα πρόσβασης σε διατάξεις άλλης Παραδοτέα Ε.Ε Αποτελέσματα μετρήσεων ρόφησης/διάχυσης Αποτελέσματα μετρήσεων υδρατμών σε επιλεγμένα ΝΠΥ: συντελεστές ρόφησης/διάχυσης υδρατμών διάχυσης, ρόφηση, θερμοδυναμικές παράμετροι 12

13 6.2 Αποτελέσματα μετρήσεων ρόφησης/διάχυσης ατμών οργανικών ουσιών ρόφησης και διάχυσης Αποτελέσματα μετρήσεων ρόφησης/διάχυσης ατμών αλκοολών και άλλων πτητικών οργανικών ουσιώνσε επιλεγμένα ΝΠΥ: συντελεστές διάχυσης, ρόφηση, θερμοδυναμικές παράμετροι ρόφησης και διάχυσης Τίτλος Ε.Ε.7 ΕΝΟΤΗΤΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ (Ε.Ε.) 7 Προσομοιώσεις σε υπολογιστή Θα χρησιμοποιηθούν μέθοδοι μέσου πεδίου (nscf) για τη μελέτη της δομής και της οργάνωσης των πολυμερών στις διεπιφάνειες με τα νανοσωματίδια και στο διεπιφανειακό στρώμα και της ποιότητας της διασποράς των νανοσωματιδίων (δράση Ε.Ε.7.1). Πιο λεπτομερής, ατομιστική προσέγγιση και μελέτη της μοριακής δυναμικής θα γίνει με τη χρήση εργαλείων μοριακής προσομοίωσης (δράση Ε.Ε.7.2). Ατομιστική μοριακή δυναμική (MD) θα χρησιμοποιηθεί για τη προσομοίωση της τοπικής πυκνότητας και της τμηματικής δυναμικής συναρτήσει της θέσης σε σχέση με τα νανοσωματίδια και για την εκτίμηση της T g, σε στενή συνεργασία με την ερευνητική ομάδα του καθηγητή κ. Θεοδώρου στο ΕΜΠ. Με βάση δημοσιεύσεις της ομάδας αυτής θα χρησιμοποιηθεί και θα εμπλουτισθεί μια μεθοδολογία προσομοίωσης σε πολλαπλά επίπεδα (μεσοσκοπικό, ατομιστικό), ικανή να πραγματεύεται ΝΠΥ. Όλες οι εργασίες σε αυτή την ενότητα θα πραγματοποιηθούν σε συντονισμό και στενή αλληλεπίδραση (ανάδραση) με τις αντίστοιχες πειραματικές δραστηριότητες στις άλλες ενότητες. Στις δράσεις της Ε.Ε.7 εμπλέκονται τα μέλη της ερευνητικής ομάδας Πίσσης, ΜΔΕ1 και Κουτσουμπής, σε στενή συνεργασία με τον καθηγητή κ. Θεοδώρου και τους συνεργάτες του στο ΕΜΠ και συνεχή αλληλεπίδραση με τις πειραματικές δρταστηριότητες στις άλλες ενότητες του Έργου. Ο κ. Πίσσης θα έχει συντονιστικό ρόλο, ενώ ο ΜΔΕ1 θα έχει συμμετοχή σε όλες τις δραστηριότητες της ερευνητικής ομάδας και σημαντική συνεισφορά στην υλοποίηση του παραδοτέου 7.1. Ο κ. Κουτσουμπής θα εκπαιδευτεί σε τεχνικές προσομοίωσης με στόχο να συνεισφέρει ιδιαίτερα στην αλληλεπίδραση με τις πειραματικές δραστηριότητες. Η στενή συνεργασία με την ερευνητική ομάδα του καθηγητή κ. Θεοδώρου στο ΕΜΠ και η συντονισμένη αλληλεπίδραση με αντίστοιχες πειραματικές δραστηριότητες στις άλλες ενότητες ελαχιστοποιούν τους όποιους περιορισμούς/κίνδύνους της προτεινόμενης μεθοδολογίας. Παραδοτέα Ε.Ε Υπολογιστικά εργαλεία Υπολογιστικά εργαλεία ικανά για πρόρρηση και ερμηνεία της μορφολογίας, της δυναμικής και των ιδιοτήτων των ΝΠΥ (T g, κρυστάλλωση της πολυμερικής μήτρας, μηχανικές ιδιότητες κ.ά.) Τίτλος Ε.Ε.8 ΕΝΟΤΗΤΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ (Ε.Ε.) 8 Δημοσιότητα και διάχυση. Τα αποτελέσματα του Έργου θα δημοσιοποιηθούν στη διεθνή επιστημονική κοινότητα σε περισσότερες από 15 δημοσιεύσεις σε επιστημονικά περιοδικά και περισσότερες από 20 ανακοινώσεις σε διεθνή επιστημονικά συνέδρια. Πολλά από τα παραδοτέα του Έργου σε μορφή τεχνικών εκθέσεων, που αναφέρονται σε αποτελέσματα μετρήσεων και ανάλυσης με 13

14 διάφορες τεχνικές, θα αξιοποιηθούν προφανώς στις δημοσιεύσεις και ανακοινώσεις. Για τη δημοσιοποίηση των αποτελεσμάτων του Έργου ξα αξιοποιηθεί και η ιστοσελίδα της ερευνητικής ομάδας ( που λειτουργεί πολύ αποδοτικά και καθιστά περιττή τη δημιουργία ξεχωριστής ιστοσελίδας ειδικά για το Έργο. Για τη διάχυση των αποτελεσμάτων του Έργου σε βιομηχανικούς και τεχνολογικούς φορείς στην Ελλάδα, ειδικότερα στις κοινότητες υλικών κατασκευών, ηλεκτρονικών υλικών, μεμβρανών και συσκευασίας τροφίμων, με στόχο τη τεχνολογική αξιοποίησης των αποτελεσμάτων του Έργου, θα αξιοποιηθούν ελληνικά (εθνικά) συνέδρια και θα οργανωθεί ειδική ημερίδα στο στάδιο ολοκλήρωσης του Έργου. Στις δράσεις της Ε.Ε.8 εμπλέκονται όλα τα μέλη της ερευνητικής ομάδας που θα έχουν σημαντική και διακριτή συνεισφορά έκαστος στην υλοποίηση του παραδοτέου 8.1. Επί πλέον, τα μέλη της ερευνητικής ομάδας Πίσσης, Κυρίτσης και Χατζημανώλης θα έχουν την ευθύνη της οργάνωσης της ειδικής ημερίδας για τη διάχυση των αποτελεσμάτων του Έργου και της υλοποίησης του παραδοτέου 8.2. Η μακροχρόνια και σημαντική εμπειρία της ερευνητικής ομάδας στην οργάνωση και διαχείριση ερευνητικών προγραμμάτων και η επιτυχής ολοκλήρωσή τους ελαχιστοποιούν τους όποιους περιορισμούς/κίνδύνους της προτεινόμενης μεθοδολογίας. Παραδοτέα Ε.Ε Δημοσιεύσεις και ανακοινώσεις Δημοσιεύσεις σε επιστημονικά περιοδικά και ανακοινώσεις σε διεθνή και εθνικά συνέδρια με αντικείμενο τα αποτελέσματα του Έργου 8.2 Πρακτικά ημερίδας Πρακτικά ημερίδας (σε ηλεκτρονική μορφή, CD) με αντικείμενο τα αποτελέσματα του Έργου σε σχέση με τις προοπτικές τεχνολογικής αξιοποίησής τους 14