PIM-FCS

english version

MATERIALE PIEZOELECTRICE FUNCTIONALIZATE PENTRU CONTROLUL CALITATII SI SECURITATII ALIMENTELOR

Proiecte: Cooperari Internationale

Programul: MNT-ERA.NET

Acronim: PIM-FCS

DESCRIERE

Proiect Nr.: MNT 7-027 /  2010
Nr. Contract: 64/23.04.2010

Valoarea totala a proiectului: 351.000 EUR
Valoare solicitata: 340.000 EUR
Cofinantare: 11.000 EUR

Durata proiectului: 25 Luni

Calitatea roduselor alimentare in general este de o importanta vitala pentru existenta si perpetuarea in conditii optime a speciei umane si pentru calitatea mediului inconjurator, avand consecinte economice si sociale majore. Conceptul de securitate alimentara se refera la productia si comercializarea de produse alimentare sigure pentru sanatatea consumatorului, care sa corespunda din toate punctele de vedere cerintelor de calitate si nutritive stabilite de Organizatia Mondiala a Sanatatii.
Micotoxinele prezente in produsele alimentare si agricole pot fi detectate si analizate de un dispozitiv bio-senzitiv bazat pe materiale piezoelectrice dintre care, pana in prezent, cel mai performant si des utilizat este cuartul monocristalin, forma alfa de cristalizare obtinut in conditii extreme de presiune si temperatura.
Desi cristale de cuart sunt materialele piezoelectrice cele mai utilizate, ele prezinta 3 dezavantaje majore din punct de vedere al aplicatiilor, dupa cum urmeaza:
- coeficient de cuplaj electromecanic scăzut, k = 8%,
- tranzitia de faza α-β la temperatura de 573° C,
- factorul de calitate Q incepe sa scada sub temperatura de tranzitie.
Distorsiunea structurala a alfa cuartului monocristalin poate fi descrisa cu ajutorul a doua unghiuri intertetraedrale: unghiul intertetraedral de legatura A-O-B, θ,si unghiul tertaedral de rotatie δ. Pentru cristale bine caracterizate (SiO₂, AlPO₄ si GaPO₄), s-a dovedit a fi posibila corelarea liniaritatii valorilor A-O-B (143.7°, 142.8° si, respectiv, 134.6°) cu proprietatile lor piezoelectrice, cum ar fi coeficientul de cuplare si tranzitia α-β. Cu cat este mai mare distorsiunea structurala, cu atât mai mult valorile θ si δ scad si, respectiv, cresc. Una din principalele modalitatei de a obtine o structura mai distorsionata, este de a creste dimensiunea medie a rA a  cationilor din pozitiile A.
In cadrul acestui proiect ne propunem sa dezvoltam un procedeu de a accentua distorsiunea structurala a monocristalului de alfa cuartz folosind ioni de Ge si Sn pentru doparea structurii SiO₂ in vederea cresterii performantei biodispozitivelor senzitive. Vom obtine aceste monocristale prin metoda hidrotermala, in mediu bazic, la temperaturi de pana la 500°C si presiuni ridicate, de pana la 2700 barr.

OBIECTIVUL GENERAL AL PROIECTULUI

Obiectivul general al proiectului se refera la consolidarea parteneriatului international in ceea ce priveste cercetarea si dezvoltarea  dispozitivelor bio-senzitive bazate pe materiale piezoelectrice de tipul alfa-cuart obtinute prin metoda hidrotermala in conditii extreme.

OBIECTIVELE SPECIFICE ALE PROIECTULUI

1. Obtinerea de noi materiale piezoelectrice printro metoda complexa, cea hidrotermala la presiuni si temperaturi ridicate, singura care permite obtinerea de monocristale de alfa cuart - materialele piezoelectrice avansate si anume, cristalele de cuart dopat cu Ge si Sn, vor fi obtinute prin metoda hidrotermala la temparaturi si presiuni inalte (500°C si respectiv 2700 bari); acestea vor fi caracterizate prin diferite metode fizice: microscopie electronica de baleiaj (SEM) + EDAX + SAXS, microscopie electronica de transmisie (TEM), microscopie de forta atomica (AFM), difractie de raze X (XRD); de asemenea, vor fi determinate proprietatile lor piezoelectrice: factorul de cuplaj electrochimic k, factorul de calitate Q, coeficientul de temperatura, viteza de propagare a undei, gradul de puritate si tipul taieturii;
    
2. Realizarea de noi dispozitive bio-senzitive pe baza acestora - in functie de proprietatile piezoelectrice, pentru fabricarea de senzori va fi selectat un material monocristalin cu factor de calitate ridicat. Cristalele dopate vor fi prelucrate sub forma unor mici placute, iar suprafata acestora va fi prelucrata mecanic si chimic in vederea depunerii straturilor subtiri de aur;
    
3. Functionalizarea si testarea dispozitivelor bio-senzitive si eleborarea de studii comparative referitoare la eficienta lor in functie de caracteristicile fizice si de material - pelicula de aur depusa pe materialul de baza a senzorului piezoelectric va fi acoperita cu un strat de anticorpi anti-micotoxine prin simpla absorbtie sau prin SAM (self-assembled monolayer) permitand o buna orientare pe partile active ale anticorpilor; vor fi optimizati principalii parametri ai metodei, cei cu o influenta importanta in performanta dispozitivului; eficienta metodei va fi evaluata in functie de caracteristicile analitice principale (senzitivitate, selectivitate, robustete, costul analizei) si in final va fi particularizata pentru monitorizarea micotoxinelor; dupa obtinerea in urma optimizarii a unei selectivitati si senzitivitati inalte, configuratia corespunzatoare testului imunologic va fi aplicata pentru evaluare continutului de micotoxine din standarde ca si probe reale.

   Noile dispozitive biosenzitive pe baza de materiale piezoelectrice obtinute in cadrul acestui proiect vor fi studiate prin studii comparative cu dispozitive pe baza de langasit. Langasitul prezinta proprietati piezoelectrice superioare materialelor traditionale, adica o combinatie intre proprietatile piezoelectrice ale cuartului si tantalatului de litiu. Langasitul nu prezinta nici o tranzitie de faza pana la temperatura de topire, 1470°C, in timp ce cuartul prezinta tranzitie de faza la 573oC. Langasitul va fi utilizat doar pentru studii comparative deoarece obtinerea acestuia prin metoda din topitura este dificila datorita instabilitatii stoichiometrice in timpul procesului de crestere (Ga2O3 se evapora in timpul procesului de crestere).

   Potentialii beneficiari ai rezultatelor obtinute in cadrul acestui proiect pot fii companiile din industria alimentara si agricola. Realizarea si caracterizarea biosenzorilor pe baza de noi materiale piezoelectrice obtinute in cadrul acestui proiect reprezinta o problema majora la nivel mondial deoarece aceste tipuri de biosenzori au multiple aplicatii in chimie, biochimie, medicina, controlul proceselor tehnologice si biotehnologice.

PACHETE LUCRU

PL1. Consideratii generale privind dispozitivele bio-senzitive – 20.07.2010

PL2. Obtinerea si caracterizarea materialelor piezoelectrice. Proiectarea dispozitivelor biosenzitive – 20.12.2010

PL3. Realizarea, functionalizarea si testarea dispozitivelor bio-senzitive. Elaborarea studiilor comparative – 15.10.2011

PL4. Optimizarea proceselor, materialelor si dispozitivelor – 30.04.2012

PARTENERI

COORDONATOR PROIECT

INSTITUTUL NATIONAL DE CERCETARE-DEZVOLTARE PENTRU ELECTROCHIMIE SI MATERIE CONDENSATA TIMISOARA, ROMANIA

Director de proiect: Dr. Ioan Grozescu

Responsabil stiintific: Drd. Iasmina Miron

Partener P2: Universitatea din Bucuresti, Romania

Responsabil proiect: Prof. Dr. Camelia Bala

Partener P3: SC ROM-QUARTZ SA, Romania

Responsabil proiect: Ing. Cristina Mitrea

Partener P4: Universitatea din Szeged, Ungaria

Responsabil proiect: Prof. Dr. Imre Dékány

Partener P5: Nanocolltech Ltd., Ungaria

Responsabil proiect: Dr. Norbert Buzás

CONTACT

INSTITUTUL NATIONAL DE CERCETARE – DEZVOLTARE PENTRU ELECTROCHIMIE SI MATERIE CONDENSATA DIN TIMISOARA, DEPARTAMENTUL DE MATERIE CONDENSATA

Adresa: Str. Plautius Andronescu, nr. 1, cod 300224
Tel./Fax.: +40 0256 494413, +40 0256 204698

Persoane de contact:

Director de proiect: Dr. Ioan Grozescu

Responsabil stiintific: Drd. Iasmina Miron

NEWSLETTERS

Newsletter no.1

Newsletter no.2

Newsletter no.3

Newsletter no.4

Newsletter no.5