Z mocnym reagentem

Fot. Julia Piecha

Opatentowana aparatura służąca do przeprowadzania wymiany jonowej

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, złożoną głównie ze szklanych elementów, niezbędną do prowadzenia reakcji chemicznej w roztworach stężonych kwasów nieorganicznych. Dzięki niej mogą zmieniać właściwości badanych ciał stałych poprzez modyfikację ich warstwy powierzchniowej oraz wnętrza, materiały te znajdują zastosowanie m.in. w optoelektronice. Nowatorski sposób przeprowadzenia reakcji oraz zestaw aparaturowy zostały objęte ochroną patentową. Autorami opatentowanego rozwiązania są: mgr Irena Gruszka, dr hab. Andrzej Molak oraz dr Julita Piecha.

– 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 Irena Gruszka. 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.

– W badaniach do rozprawy doktorskiej zajmowałam się warstwą powierzchniową niobianu litu LiNbO3. 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. 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 temu 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. A. 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 kilkakrotnej wymianie stosowanego kwasu nieorganicznego, wydłużenia czasu prowadzenia reakcji oraz związanej z tym kontroli temperatury. Zaprojektowany zestaw gwarantuje bezpieczną wymianę reagenta, stężonego kwasu azotowego, oraz utrzymywanie określonej temperatury środowiska, w którym zachodzi reakcja. Proces mógł zatem przebiegać w sposób skuteczny i bezpieczny przy użyciu reagenta o kontrolowanych parametrach. Zestaw aparaturowy i sposób przeprowadzenia reakcji pozwalają na prowadzenie procesu wymiany protonowej w nieograniczonym przedziale czasowym.

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 Piecha.