Πολυμερικά Νανοσύνθετα, κοντόϊνα και συνεχούς ίνας Σύνθετα Υλικά: Από την παρασκευή τους & μελέτες Μικρομηχανικής, καινοτόμες τεχνολογίες Τρισδιάστατης Εκτύπωσης, πολύ-λειτουργικές ιδιότητες έως και Σύνθετα υλικά «Ηλεκτρονικές διατάξεις»

Περίληψη

Η επιστήμη της Χημικής Μηχανικής είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με τα Προηγμένα Υλικά και συγκεκριμένα την «Επιστήμη & Τεχνολογία των Υλικών», δει υλικά με «κατάλληλο σχεδιασμό» από ατομικό, νανο-, μικρο- και μακροσκοπικό επίπεδο, έτσι ώστε να μπορούν να επιτευχθούν συγκεκριμένες φυσικές/ χημικές ιδιότητες καθώς και υλικά με ελεγχόμενη δομή και μορφολογία. Επιπρόσθετα, για αρκετές δεκαετίες, ειδικά στις "Επιστήμες Μηχανικών", για την επίτευξη πολλαπλών και/ ή συνδυασμό ιδιοτήτων στα υλικά, έχει επικρατήσει η προσέγγιση της δημιουργίας, μέσω κατάλληλης σύνθεσης και παρασκευής, των «Σύνθετων Υλικών», όπου η φάση ενίσχυσης (ή ασυνεχής φάση) μπορεί να είναι νανο-, μικρο- και μακροδιαστάσεων, ενώ η μήτρα (συνεχής φάση) μπορεί να είναι πολυμερικής, κεραμικής ή μεταλλικής φύσεως, όπως αντίστοιχα και της ενίσχυσης. Σημαντικό στοιχείο επίσης στα σύνθετα υλικά αποτελεί η διεπιφάνεια ("interphase" or "interface") μεταξύ μήτρας- ενίσχυσης, καθώς και το σχήμα (1D, 2D, 3D) και η ποιότητα της διασποράς της φάσης ενίσχυσης, ενώ για την μακροσκοπική συμπεριφορά των σύνθετων υλικών, έχουν παρουσιαστεί και χρησιμοποιηθεί εδώ και αρκετές δεκαετίες εμπειρικά μοντέλα συνεχούς, όπως για παράδειγμα ο κανόνας των μειγμάτων (Rule of Mixtures: RoM), τροποποιημένα μοντέλα του RoM όπως αυτό του Halpin-Tsai, κλπ. 

Είναι κατανοητό ότι για την παρασκευή και σύνθεση τόσο Νανοσύνθετων όσο και Σύνθετων Υλικών με συγκεκριμένες & στοχευμένες ιδιότητες, είναι απαραίτητη μια άκρως διεπιστημονική προσέγγιση. Αυτό απαιτεί την εις βάθος κατανόηση, 1) της Χημείας: χημεία υλικών πχ. Επιφανειακή χημεία, βασική χημεία σύνθεσης υλικών ειδικά για διεργασίες bottom-up, ενθαλπικά φαινόμενα από ανταλλαγή ή διαμοιρασμό ηλεκτρονίων, κλπ., 2) της Φυσικής: i) ηλεκτρονιακή δομή των υλικών καθώς και ατομική δομή, π.χ. κρυσταλλικότητα ή μη, ii) κβαντικά φαινόμενα και αλληλεπιδράσεις σε ατομικό επίπεδο ειδικά για νανοσύνθετα υλικά, υλικά χαμηλών διαστάσεων και συγκεκριμένης μορφολογίας, καθώς και iii) εντροπικά και θερμοδυναμικά φαινόμενα π.χ. συμπεριφορά υλικών, ιδιοτήτων, δομής και πως μπορούν πιθανά να αλλάξουν σε περιβάλλοντα που αλλάζουν θερμοδυναμικοί παράγοντες, π.χ. η πίεση (P) και η θερμοκρασία (T), και 3) της Μηχανικής, π.χ. βασική κατανόηση της κατανομής μηχανικών πεδίων / τάσεων (στατικών ή δυναμικών) στα υλικά τόσο σε μάκρο-, μικρο- και νανο-κλίμακα. Επίσης, για την επίτευξη συγκεκριμένων ιδιοτήτων όπως ηλεκτρικών, μηχανικών, θερμικών, οπτικών, μαγνητικών κλπ., αλλά και ιδιοτήτων συζευγμένων πεδίων π.χ. θερμοηλεκτρικών, θερμομηχανικών, ηλεκτροθερμικών, πιεζοηλεκτρικών, κλπ., των σύνθετων υλικών, πολύ σημαντικό ρόλο πέραν της κατάλληλης επιλογής υλικών, της ποσόστωσης και της σύνθεσης αυτών, παίζει η τεχνολογία παρασκευής και/ ή μορφοποίησης τους. Για παράδειγμα διαφορετικές ιδιότητες μπορούν να προκύψουν για ένα νανοσύνθετο πολυμερικό υλικό που έχει παρασκευαστεί με τεχνολογία ανάμειξης από διάλυμα ή αντίστοιχα από ανάμειξη τήγματος, ή μορφοποίηση αυτού για να προσδοθεί το τελικό σχήμα με χύτευση ή με 3Δ εκτύπωση.

Ως εκ τούτου, η τεχνολογία των Σύνθετων & Νανοσύνθετων υλικών είναι ένα αναπόσπαστο κομμάτι της Χημικής Μηχανικής και είναι σίγουρο ότι νέα, έξυπνα, ευφυή και πολυλειτουργικά συστήματα, με βαρύτητα 1) στις Διεργασίες παρασκευής/ σύνθεσης, 2) στον Χαρακτηρισμό, και 3) στην Εφαρμογή & «Σχεδιασμό» νέων Υλικών, μπορούν να συνδράμουν σε διάφορους τομείς της Χημικής Μηχανικής, όπως για παράδειγμα μεταξύ άλλων, i) στην Κατάλυση (υλικά συγκεκριμένων οπτο/ ηλεκτρονικών ιδιοτήτων, σχήματος, επιφανειακής χημείας, κλπ.), ii) στον τομέα της Μηχανικής/ Νανομηχανικής (υλικά με συγκεκριμένη ανισοτροπία, με υψηλή αντοχή σε διάφορα μηχανικά πεδία, κλπ.), iii) στην Ενέργεια (υλικά & διατάξεις συγκομιδής ενέργειας π.χ. θερμική ενέργεια, ενέργεια φωτονίων), κλπ.

Στην παρουσίαση αυτή θα αναλυθούν τεχνολογίες παρασκευής, σύνθεσης, χαρακτηρισμού και μορφοποίησης Σύνθετων, Νανοσύνθετων και μικρο-/ νανο πολλαπλής κλίμακας ενισχυμένων Σύνθετων Υλικών πολυμερικής μήτρας. Διάφορες τεχνικές παρασκευής π.χ. melt mixing, extrusion, solution mixing, θα παρουσιαστούν, ενώ ιδιαίτερη έμφαση θα δοθεί στις τελικές δομικές και πολύ-λειτουργικές ιδιότητες των διάφορων συστημάτων, κυρίως λόγω της ενσωμάτωσης υλικών ενίσχυσης στη νανο- και μικρο-κλίμακα. Επίσης, θα αναφερθούν σύγχρονες τεχνολογίες παρασκευής & παραγωγής Σύνθετων/ Νανοσύνθετων Υλικών με μεθόδους 2D και 3D additive manufacturing. Αναφορικά, 2D roll-to-roll additive manufacturing processes, και 3D Printing, συγκεκριμένα τεχνολογία FDM για μικρο- και νανοσύνθετα θερμοπλαστικά με προηγμένες μηχανικές ιδιότητες, π.χ. αντίσταση στην θραύση, αντιμικροβιακές ιδιότητες, πιθανές βιοϊατρικές, εφαρμογές, κλπ. Ακόμη θα γίνει εισαγωγή 1) στην Τεχνολογία Προηγμένων Σύνθετων Υλικών πολυμερικής μήτρας με εφαρμογές στην Ενέργεια (πχ ανεμογεννήτριες), Αεροναυπηγική, Αυτοκινητοβιομηχανία, Αεροδιαστημική και μελέτη των Μηχανικών ιδιοτήτων σε στατική φόρτιση, θραύση, κλπ., αλλά και 2) Σύγχρονες τεχνολογίες παρασκευής σύνθετων υλικών. Τέλος, θα παρουσιαστούν πολυ-λειτουργικά σύνθετα υλικά με συνδυασμένες ιδιότητες π.χ. δομικά (structural composites) αλλά να μπορούν ταυτόχρονα να λειτουργούν ως αισθητήρες ή ως θερμοηλεκτρικές γεννήτριες (thermoelectric generators: TEGs) για την συγκομιδή θερμικής ενέργειας από το περιβάλλον λειτουργίας. Έτσι λοιπόν, καταλήγουμε σε Σύνθετα Υλικά/ Ηλεκτρονικές διατάξεις, γνωστά και ως “Compositronics” που είναι ένα πολύ σύγχρονο πεδίο έρευνας στην Επιστήμη & Τεχνολογία των Σύνθετων Υλικών.

Σύντομο Βιογραφικό Ομιλητή

O Δρ. Διπλ. Μηχανικός κ. Τζούνης Λάζαρος (έτος γέννησης: 1987)  είναι Αναπλ. Καθηγητής στο Ελληνικό Μεσογειακό Πανεπιστήμιο (ΕΛΜΕΠΑ), Ηράκλειο Κρήτης (Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών). Το 2010 έλαβε Δίπλωμα Μηχανικού Επιστήμης Υλικών από το Παν. Ιωαννίνων, με τιμές, ενώ αποφοίτησε πρώτος και στα ακριβή έτη σπουδών στην τάξη του μεταξύ των εισακτέων του ακαδημαϊκού έτους 2005 (τίτλος διπλωματικής εργασίας«Σύνθεση και Χαρακτηρισμός ηλεκτρικά αγώγιμων νανοσύνθετων πολυμερών ενισχυμένων με νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων»). Στη συνέχεια μετακόμισε στη Γερμανία για να πραγματοποιήσει το διδακτορικό του στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Δρέσδης εργαζόμενος στο Ινστιτούτο Leibniz Institute forPolymer Research (IPF) της Δρέσδης. Το διδακτορικό του με τίτλο: «Fibers Glass and Jute fibers modified with CNT-based functional coatings for high performance composites» ολοκληρώθηκε τον Μάιο του 2014. Ακολούθησε 6μηνη μεταδιδακτορική έρευνα στο Ινστιτούτο Leibniz IPF. Έπειτα, συνέχισε στο Lab for Thin Films, Nanosystems & Nanometrology, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης (2014-2017), εστιάζοντας την έρευνα του στον τομέα των οργανικών & εκτυπωμένων ηλεκτρονικών με κλιμακούμενες τεχνικές παρασκευής, γνωστές και ως διαδικασίες εναπόθεσης roll-to-roll. Το 2017, συνέχισε στο Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών, Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων ως Μεταδιδακτορικός Ερευνητής & Επιστημονικός Συνεργάτης καθώς και επί συμβάσει Διδάσκοντας. Η έρευνα του εστίασε κυρίως σε νέες συσκευές/ διατάξεις Θερμοηλεκτρικών Υλικών και Θερμοηλεκτρικών Γεννητριών (Τhermoelectric Generator: TEG), Νανοσύνθετα Πολυμερή, Σύνθετα Υλικά συνεχούς ενίσχυσης πολυμερικής μήτρας, Προσθετικές Κατασκευαστικές τεχνολογίες – 3D Printing, Προηγμένα νανοϋλίκά και σύνθεση αυτών, ενώ συμμετείχε στην συγγραφή & τον συντονισμό ερευνητικών έργων (H2020 & από Εθνικούς πόρους). Τα κύρια ενδιαφέροντά του περιλαμβάνουν i) Επεξεργασία, παρασκευή, σύνθεση και χαρακτηρισμό νέων πολυμερικών υλικών «ενισχυμένων» με αλλοτρόπα νανοσωματίδια του άνθρακα (CNTs, γραφένιο, κ.λπ.) και άλλα νανοπρόσθετα (μεταλλικά οξείδια, μεταλλικά σωματίδια, κλπ) με ανάμειξη τήγματος ή διαλύματος, ii) Εκτυπωμένα Ηλεκτρονικά, κυρίως νέα οργανικά και υβριδικά, καθώς και εκτυπωμένες θερμοηλεκτρικές γεννήτριες ως διατάξεις συγκομιδής ενέργειας, αντιστάτες/ heaters και κυκλώματα (PCBs), κ.λπ., iii) Διεργασίες 2D προσθετικής κατασκευής (additive manufacturing) για εκτυπωμένα ηλεκτρονικά (slot-die, gravure, ink-jet, flexo), iv) τρισδιάστατη εκτύπωση πολυλειτουργικών πολυμερικών υλικών (μέσω FFF & SLA) π.χ. νανοσύνθετα, σύνθετα πολυμερή ενισχυμένα με κοντές και συνεχείς ίνες (FRPs), v) Κατασκευή προηγμένων σύνθετων υλικών FRPs και προεμποτισμάτων FRPs με έξυπνες λειτουργίες ως επενεργητές/ actuators, για συγκομιδή ενέργειας ως TEG devices, και γενικότερα καταλήγοντας σε δομές «Compositronics», vi) Χημεία νανοϋλικών άνθρακα (CNT, κλπ) και νανοκολλοειδή με ηλεκτρονικές, οπτικές, καταλυτικές, αντιμικροβιακές κ.λπ. ιδιότητες, και vii) προηγμένες τεχνικές μικροσκοπίας (SEM, TEM, AFM) και προετοιμασία δειγμάτων μέσω κρυο/(υπερ)μικροτόμισης. Ο Αναπλ. Καθηγητής Λάζαρος Τζούνης έχει περισσότερες από 100 επιστημονικές δημοσιεύσεις και συμμετείχε σε >100 συνέδρια με προσκεκλημένες ομιλίες, poster και προφορικές παρουσιάσεις (5,900 total citations, “h-index” 47, GoogleScholar). Επίσης, από τον διορισμό του το 2021 στο ΕΛΜΕΠΑ ως Αναπλ. Καθηγητής, έχει ιδρύσει και είναι Διευθυντής του “Εργαστηρίου Τρισδιάστατης Εκτύπωσης Σύνθετων Υλικών, Δομών και Ηλεκτρονικών Διατάξεων” (CSD-3D Lab), με 3 διδακτορικούς και 2 μεταδιδακτορικούς ερευνητές, το οποίο έχει προσελκύσει συνολική χρηματοδότηση, περ. 1 εκατ. Ευρώ από το ΕΛΙΔΕΚ, Horizon Europe και βιομηχανικά έργα (προϋπολογισμός για τα επόμενα έτη ~550.000Κ€ έως το 2029).