Denumirea Programului Nucleu:
Cercetări avansate și dezvoltări tehnologice de laseri – plasmă – radiație – spațiu

Acronim: LAPLAS VII
Contractul nr.: 30N/2023

Dezvoltarea de soluții inovatoare și tehnologii de fabricație avansată cu laseri, plasmă și radiații pentru rezolvarea problemelor societale

Codul proiectului: PN 23 03 01
Responsabil proiect: Dr. Felix Sima

Cele patru pachete de lucru (PL) ale proiectului urmăresc obiective specifice (OS), astfel:

PL1: Surse și instalații cu laseri și plasmă pentru fabricație avansată de dispozitive pentru tehnologii emergente.

• OS1.1: Dezvoltarea tehnologiilor de fabricație aditivă și substractivă cu surse laser și plasmă

PL2: Tehnologii inovative de fabricație destinate energiei viitorului pentru dezvoltare durabilă.

• OS2.1: Sisteme de generare/transfer/stocare de energiei bazate pe tehnologii inovatoare laser/plasmă/radiație pentru tranziția către soluții prietenoase cu mediul și reziliență climatică
• OS2.2: Dezvoltarea de modele matematice și metode de control ale parametrilor funcționali pentru sisteme de producere și stocare de energie

PL3: Sisteme integrate și tehnologii avansate pentru creșterea calității vieții.

• OS3.1: Tehnologii avansate pentru fabricație cu laser de dispozitive medicale implantabile
• OS3.2: Soluții tehnologice inovatoare pentru diagnosticarea și tratamentul cancerului

PL4: Tehnologii de fabricație avansată a senzorilor și platformelor de detecție pentru agricultura inteligentă și siguranță publică.

• OS4.1: Tehnologii de fabricație avansată a dispozitivelor senzoristice și a platformelor de detecție pentru agricultura inteligentă și siguranță publică
• OS4.1: Soluții tehnologice pentru monitorizarea și controlul calității proceselor de fabricație avansată

Rezultatele urmăresc dezvoltarea de modele teoretice, experimentale și soluții până la validarea unor tehnologii de fabricație, produse și servicii. Țintele (T) și rezultatele pe care pe care le propunem sunt grupate, astfel:

PL1: Surse și instalații cu laseri și plasmă pentru fabricație avansată de dispozitive pentru tehnologii emergente

• T1.1. Componente pentru surse cu laser și plasmă (medii active, oglinzi laser, surse electrice plasmă)
• T1.2. Asamblarea și testarea sistemului laser cu pulsuri sub-picosecunde
• T1.3. Realizarea și testarea surselor de plasmă
• T1.4. Stație de procesare cu laser
• T1.5. Omologarea internă a surselor cu laser și plasmă și acreditarea serviciilor

PL2: Tehnologii inovative de fabricație destinate energiei viitorului pentru dezvoltare durabilă.

• T2.1. Producerea de nanofluide pentru transfer/disipare de energie bazate pe micro-nanostructuri procesate prin tehnici laser/plasma
• T2.2. Dezvoltarea de modele matematice și metode de control ale parametrilor funcționali pentru sisteme de producere și stocare energie
• T2.3. Realizarea de sisteme de generare de energie regenerabilă bazate pe micro-nanostructuri obținute prin tehnici laser/plasmă/radiație
• T2.4. Realizarea de sisteme de stocare de energie bazate pe procesarea de materiale ecologice și abundente natural
• T2.5. Dezvoltarea unei tehnologii de sudare laser a contactelor realizate din materiale eterogene, din componența unor baterii electrice

PL3: Sisteme integrate și tehnologii avansate pentru creșterea calității vieții.

• T3.1. Substraturi metalice din Ti și aliaje de Ti pentru acoperiri biomimetice: dispozitive implantabile personalizate fabricate prin imprimare 3D
• T3.2. Nanopulberi magnetice dispersabile în medii biologice
• T3.3. Tehnologie de procesare laser pentru realizarea de dispozitive microfluidice
• T3.4. Pansamente de tip hidrogel încărcate cu medicamente chimioterapeutice
• T3.5. Tehnologie de fabricare a stenturilor biliare
• T3.6. Protocoale de analiză a celulelor expuse la radiații ionizante

PL4: Tehnologii de fabricație avansată a senzorilor și platformelor de detecție pentru agricultura inteligentă și siguranță publică.

• T4.1. Platformă imagistică multiscală pentru analiza microstructurală a componentelor active în configurații avansate de baterie (obținute în sudura laser)
• T4.2. Platforme de monitorizare a efectelor factorilor de stres la plante, ca soluție în domeniul agriculturii inteligente
• T4.3. Platforma de monitorizare și control a parametrilor de procesare tehnologică în instalațiile cu plasmă
• T4.4. Dispozitive senzoristice dedicate pentru detecția de gaze cu risc pentru uz domestic și public
• T4.5. Platforme de detecție de compuși gazoși specifici în procesele de degradare și maturare a fructelor depozitate
• T4.6. Platforme pentru detecția de pesticide în ape și sol
• T4.7. Platformă imagistică de testare și determinare a condițiilor de funcționare a bateriilor (in situ/in operando)
• T4.8. Platforme de monitorizare a temperaturii pentru controlul calității proceselor de fabricație avansată

Rezultate estimate

Rezultatele proiectului vor urmări trei direcții: i) excelența în știință, ii) performanța industrială și iii) provocări societale. Rezultatele estimate sunt colectate în schema de realizare și asociate cu fazele proiectului. Pentru perioada 2023-2026, indicatorii măsurabili propuși pentru verificarea rezultatelor estimate sunt:

• 1. Articole ISI / comunicări la conferințe internaționale relevante
• 2. Propuneri de brevete
• 3. Modele experimentale/mostre de laborator
• 4. Concepte tehnice/ Demonstratoare
• 5. Studii/Proceduri/protocoale noi
• 6. Tehnologii/produse
• 6. Dezvoltarea de noi servicii de mare valoare adăugată
• 7. Elaborare de proiecte de transfer tehnologic
• 8. Elaborare de propuneri de proiecte Horizon Europe
• 9. Elaborare și conducere de proiecte în PNCD IV, în funcție de numărul de apeluri.

La acestea se adaugă:

• Întărirea capacității echipelor de cercetare-dezvoltare de participare la proiecte internaționale, în special la programele Europene, continuarea și dezvoltarea de proiecte cu parteneri internaționali, pentru activități de cercetare și dezvoltare de servicii/tehnologii/produse noi;

În plus, proiectul va crea oportunități pentru perfecționarea profesională a tinerilor implicați în realizarea proiectului și implicit dezvoltarea resursei umane din cercetare. Rezultatele obținute pot duce la subiecte moderne ale unor lucrări de masterat și doctorat. Se va urmări atragerea unui grup țintă de parteneri științifici și economici (cu prioritate cei care și-au exprimat interesul pentru direcțiile de cercetare din proiect) în vederea realizării de parteneriate și a potențialelor companii interesate de preluarea brevetelor în vederea obținerii drepturilor de utilizare.

Schema de realizare a proiectului:

• Anul 2023 – Schema de realizare a PN 23 03 01
  • Etapa I
• Anul 2024 – Schema de realizare a PN 23 03 01
  • Etapa I
  • Etapa II
• Anul 2025 – Schema de realizare a PN 23 03 01
  • Etapa I
• Anul 2026 – Schema de realizare a PN 23 03 01

Anul 2023 – Schema de realizare a PN 23 03 01

Etapa I

Contractul nr.: 30N/12.01.2023
Titlu: „Dezvoltarea de soluții inovatoare și tehnologii de fabricație avansată cu laseri, plasmă și radiații pentru rezolvarea problemelor societale”

Faza 1: „Dezvoltare de subansamble și componente pentru un sistem laser cu pulsuri sub-picosecunde”

Responsabil fază: Dr. Marian ZAMFIRESCU

Termen de încheiere a fazei: 12.05.2023

Abstract:
Principalul obiectiv al acestei faze a fost studiul unor configurații optice pentru subansamble și componente optice și electronice ale unui amplificator laser cu pulsuri sub-picosecunde, precum și realizarea de elemente ale laserului de pompaj (mediu activ laser, oglinzi laser) ce vor intra în configurația sistemului laserului final. Au fost realizate pentru prima dată prin metoda Czochralski și au fost caracterizate cristale laser de tip Nd:LaxGdyYzSc4-x-y-z(BO3)4 cu topire incongruentă și emisie laser eficientă la 1.06 µm. Au fost proiectate configurații de structuri dielectrice Bragg pentru realizarea de oglinzi laser, au fost obținute și caracterizare filme subțiri din SiO2, TiO2 și HfO2 depuse prin tehnicile PLD, TVA și magnetron sputtering și au fost determinați parametrii optici ai filmelor depuse. Au fost elaborate o serie de studii numerice bazate pe metoda diferențelor finite (FDTD) pentru a determina mediile optime de propagare a fasciculului laser care sa inducă o alungire temporală a pulsului laser in domeniul 0.5 – 1 ps. De asemenea, au fost dezvoltate o serie de modele raytracing pentru proiectarea unei scheme optime a unui amplificator laser in vederea obținerii unei eficiente maxime de amplificare conform cerințelor actuale în domeniul experimentelor cu laseri cu pulsuri ultra-scurte. Acest obiectiv reprezintă o etapă intermediară din realizarea unei surse laser pentru fabricație avansată aditivă și substractivă de dispozitive pentru tehnologii emergente.

Abstract grafic:

Faza 2: „Sinteza și caracterizarea materialelor active utilizate în senzoristică si detecție”

Responsabil fază: Dr. Gabriela CRĂCIUN

Termen de încheiere a fazei: 15.07.2023

Abstract:
În cadrul prezentei etape s-a realizat sinteza și caracterizarea unor materiale utilizate în senzoristică și detectie prin metode cu laseri, plasmă și radiații. S-au obținut și caracterizat nanopulberi oxidice cu conținut scăzut de carbon prin tehnica pirolizei laser, fosfori (SrLaGaO4, Ca3Ta2Ga3O12), ceramici difuzante și materiale luminescente dopate cu ioni de lantanide (Nd3+, Er3+, Ho3+, Yb3+), nanopereți carbonici (CNW) simpli sau funcționalizați prin tehnici cu plasmă și nanoparticule cu sau fără proprietăți magnetice (nAg, nNi) prin iradiere cu electroni accelerați de mare energie.

Pentru domeniul senzoristicii de gaz s-au sintetizat nanopulberi oxidice utilizând izopropanolul și etena ca sensibilanți. Utilizarea izopropanolului sub formă de vapori a condus la scăderea dimensiunii cristalelor de SnO2-x cu 23% comparativ cu procesul în care s-a utilizat etena. De asemenea, s-au sintetizat nanopulberi de SnxFeyOz de 4.5 nm cu cristalinitate bună, dimensiunea de cristal variind între 3 și 10 nm. Pentru domeniul senzoristicii cu unde acustice de suprafață (SAW) s-au sintetizat nanoparticulele de TiO2 prin metoda pirolizei laser din vapori de TiCl4 în aer și în prezența etilenei, la diferite presiuni de lucru, dimensiunea medie a particulelor fiind estimată în intervalul 15 – 22 nm.

De asemenea, au fost obținuți fosfori ceramici Er:CaSc2O4 (prin metoda sol-gel), RE3+:CTGG și RE3+:SrLaGaO4 (prin reacție în fază solidă). S-au selectat trei matrici gazdă (Y2O3, CaSc2O4 și BaGd2ZnO5) preparate prin metoda reacției în fază solidă și care au fost dopate cu trei sisteme de ioni de lantanide (Er3+-Yb3+, Ho3+-Yb3+ și Er3+-Ho3+-Yb3+) obținându-se materiale cu cristalinitate pură care au confirmat emisii în domeniul 500-800 nm. Analizele structurale și morfologice au indicat proprietăți favorabile ale acestor materiale pentru aplicații ca senzori de temperatură non-contact.

S-au sintetizat nanopereti de carbon (CNW) simpli sau funcționalizați prin tehnici cu plasma RF, pe mai multe tipuri de suporti în vederea obținerii de nanostructuri care să se autosusțină. Au fost identificate și testate noi efecte ale CNW, cu aplicații în domeniul senzoristicii SAW, al senzorilor de gaze chimioresistivi și biosenzorilor.

Optimizarea procesului de iradiere prin aplicarea unui design experimental de tip Central Composite Design (circumscribed) – Response Surface Methodology (CCD-RSM) cu 20 de poziții, a condus la obținerea de nanoparticule de argint (nAg) la doza de iradiere de 17.6 kGy cu o dezirabilitate de 0,810. Nanoparticule de nichel (nNi) cu proprietăți magnetice au fost obținute la doza de iradiere de 300 kGy, dimensiunea acestora variind între 20 și 70 nm.

Abstract grafic:

Faza 3: „Dezvoltarea de metode și protocoale de detecție cu aplicații în agricultura inteligentă”

Responsabil fază: Dr. Gabriel SOCOL

Termen de încheiere a fazei: 13.10.2023

Abstract:
Contaminarea solului cu metale grele este o preocupare majoră în ceea ce privește poluarea mediului, având impact negativ asupra creșterii plantelor, calității hranei și sănătății animalelor și a populației. Pentru realizarea obiectivelor acestei faze, efortul a fost concentrat pe efectul cuprului, metal folosit in pesticide frecvent utilizate în agricultură, asupra dezvoltării plantelor și a solului.

Astfel, au fost investigate efectele solului contaminat asupra plantelor crescute în acest mediu. Pentru a identifica concentrațiile de cupru în probele de sol, au fost utilizate tehnici de spectroscopie, Laser Breakdown Induced Spectroscopy și Time Domain Spectroscopy în domeniul THz, dezvoltând două protocoale de detecție a contaminanților în sol. A fost dezvoltată şi utilizată o cameră de creștere cu parametri de mediu controlați pentru studiul a 125 de plante de Asimina Triloba cultivate în probele de sol contaminat. Condițiile de iluminare, temperatură și umiditate a solului au fost menţinute constante fiind monitorizate efectele cuprului asupra acestor plante cu ajutorul spectroscopiei UV-VIS și imagisticii THz. În acest sens a fost dezvoltat un protocol specific pentru monitorizarea efectelor induse de probele de sol contaminat asupra plantelor folosind aceste două tehnici complementare.

În paralel, a fost elaborat un protocol pentru germinarea controlată a semințelor de grâu comun și au fost determinate concentrațiile de etilenă și amoniac din respirația germenilor de grâu (Triticum aestivum) utilizând tehnica de spectroscopie fotoacustică cu laser. Contaminarea a fost efectuată controlat cu soluție de CuSO4 la concentrații molare de 1 µM, 100 µM, 1 mM și 10 mM. In paralel, s-a studiat efectul de remediere al hidrogelului asupra geremenilor de grâu comun germinați în sol amestecat cu hidrolgel și două tipuri de nutrienți. Astfel, aceeași tehnologie de spectroscopie a fost aplicată pentru evaluarea influenței contaminanților de tip metal greu asupra germinării, înrădăcinării, creșterii și înfrățirii semințelor de grâu comun în sol și hidrogel, observându-se asfel un efect de bioremediere asupra plantulelor de grâu comun.

Tot în cadrul acestei faze, au fost elaborate: i) un protocol pentru determinarea sensibilității senzorului FO-SPR acoperit cu aur, utilizând diluții de sucroză cu indice de refracție cunoscut şi ii) un protocol pentru senzorul FO-SPR pe bază de reflexie acoperit cu aur funcționalizat cu PANI, care poate detecta Cu2+ din apă deionizată cu o sensibilitate de 2379 nm/mM și un LOD de 0,35 µM.

Aceste cercetări au contribuit la înțelegerea impactului contaminării cu metale grele asupra mediului și au furnizat metode eficiente de detectare.

Abstract grafic:

Faza 4: „Procesarea cu laseri, plasma si radiatii a structurilor de biomateriale implantabile si pansamente Incarcate cu medicamente chimioterapeutice”

Responsabil fază: Liviu-Marian DUTA, Alexandra PALLA-PAPAVLU

Termen de încheiere a fazei: 08.12.2023

Abstract:
In prezent, exista o cerere semnificativa pentru productia de dispozitive medicale destinate aplicatiilor in medicina regenerativa, ceea ce se aliniaza cu avansul medicinei personalizate. In acest context, tehnologia din spatele stenturilor biliare devine un element crucial care contribuie la realizarea cu succes a procedurilor de transplant hepatic si faciliteaza recuperarea rapida a pacientului. In acest context, raportam fabricarea unui nou design de dispozitiv stent biliar bazat pe policaprolactona (PCL), complet resorbabil, destinat in primul rand sustinerii functiilor ductului biliar in perioada post-transplant hepatic. Prezentam rezultatele unui studiu care investigheaza efectele timpului si vitezei de centrifugare asupra caracteristicilor morfologice ale filmelor subtiri de PCL produse prin tehnica de acoperire prin centrifugare. In cele din urma, membranele de PCL au fost structurate prin iradierea cu radiatie laser polarizata liniar.
Difractogramele GIXRD ale straturilor subtiri BioCaP sintetizate au evidentiat prezenta unei singure faze HA de tip hexagonal. S-a observat ca gradul de cristalinitate al structurilor sintetizate a fost influentat de parametrii de depunere. Spectrele FTIR au demonstrat existenta benzilor gruparilor fosfat, specifice unei structuri HA, bine cristalizata. Acest rezultat a fost in concordanta cu observatiile GIXRD. Rezultatele investigatiilor SEM au demonstrat sinteza unor suprafete cu o morfologie rugoasa si neregulata, alcatuite din formatiuni (« particule ») de forma sferica, sau chiar ovoidala, avand dimensiuni diferite. Imaginile SEM in sectiune transversala au evidentiat in toate cazurile acoperiri uniforme, cu o crestere de tip columnar. Spre deosebire de cazul controlului de Ti, pentru care s-a inregistrat un comportament hidrofob, in cazul straturilor subtiri BioCaP a fost evidentiat un comportament hidrofil. Valorile obtinute in urma testelor de aderenta au fost superioare celor impuse de standardele internationale in vigoare (>15 MPa).
Am obtinut doua tipuri de biomateriale compozite functionalizate: PVP ciclopirox / caspofungin acetat. Nanomaterialele au fost asamblate sub forma de filme subtiri prin metoda de evaporare laser pulsata asistata de o matrice (MAPLE), pe substraturi de siliciu si sticla optica. Filmele subtiri depuse prin MAPLE au fost caracterizate prin AFM si FTIR.
.

Abstract grafic:

Faza 5: „Fabricație laser aditivă și texturare de structuri din materiale biocompatibile”

Responsabil fază: Irina PAUN, Andrei POPESCU

Termen de încheiere a fazei: 08.12.2023

Abstract:
Faza 5 a proiectului a vizat fabricarea laser aditivă și texturarea laser de structuri din materiale biocompatibile. Pentru indeplinirea acestui obiectiv, au fost planificate si realizate 3 activitati, toate avand aplicatii directe in domeniul biomedical. Activitatea de fabricare laser aditiva prin metoda Topirii Laser Selective a avut ca rezultat obtinerea de substraturi medicale si dispozitive de tipul protezelor de sold plecand de la un material de baza sub forma de particule sferice din aliaj de Ti gradul 5 (Ti6Al4V) cu diametre intre 20-63 μm. Pentru obtinerea unor structuri dense, fara defecte de interior, principalii parametrii de procesare au fost: 200 W puterea laser, la o viteza de procesare de 2 m/s, un strat avand grosimea de 20 μm. S-a identificat o structura metalografica de tip Widmanstatten, cu dendrite de faza α hexagonal compacta crescute pe doua directii perpendiculare intr-o faza β cubic cu volum centrat. Aceste rezultate vor putea fi scalate in vederea utilizarii in aplicatii de inginerie medicala, mai precis pentru o gama larga de implanturi perosnalizate. Forma si dimensiunile produselor individualizate vor putea fi obtinute utilizand instrumente de scanare 3D cu raze X (tomografii ale pacientilor). O alta activitate a constat in realizarea unui protocol de fabricare laser aditiva prin metoda scrierii directe cu laser prin fotopolimerizare cu 2 fotoni a unor structuri 3D cu arhitecturi biomimetice, pe bază de polimeri biocompatibili, in vederea unor aplicatii in ingineria tesutului osos. Motivatia pentru acest studiu s-a bazat pe faptul ca manipularea materialelor biologice la nivel celular constituie un domeniu de cercetare de mare actualitate pentru aplicatiile biomedicale. In cadrul acestei activitati, structuri sub forma unor micro-recipiente au fost fabricate utilizând scrierea directă cu laser prin polimerizare cu doi fotoni a unui compozit pe baza de fotopolimer biocompatibil si nanoparticule superparamagnetice pe baza de de oxid de fier. Structurile obtinute au fost caracterizate din punct de vedere structural si testate in culturi de celule de tip osteoblast. Structurile însămânțate de celule si expuse la câmpuri magnetice statice de 1.3 T au fost de aproximativ 5 ori mai eficiente în ceea ce privește captarea celulelor, in comparatie cu structurile nestimulate in camp magnetic, demonstrandu-si potențialul pentru ingineria tesutului osos. A treia activitate derulata in cadrul Fazei a vizat tot domeniul biomedical, mai precis dezvoltarea de tehnologii asitate laser inovatoare pentru imbunatatirea eficacitatii dispozitivelor implantabile. Aceasta activitate a explorat dezvoltarea unui model experimental de microprelucrare cu laser cu excimer prin proiectie cu masca, si replicare, a unor suprafete microstructurate (PLGA, chitosan, PCL, Zirconia), care au fost testate si validate in vitro in culturi de celule si pentru care s-a obtinut un raspuns biologic preliminar. Aceasta abordare a deschis noi perspective in dezvoltarea dispozitivelor implantabile personalizate cu potential de integrare si compatibilitate biologica imbunatatite, contribuind la progresul aplicatiilor biomedicale.
.

Abstract grafic:

Anul 2024 – Schema de realizare a PN 23 03 01

Etapa I

Contractul nr.: 30N/12.01.2023
Proiectul: „Dezvoltarea de solutii inovatoare si tehnologii de fabricație avansată cu laseri, plasmă și radiații pentru rezolvarea problemelor societale”

Faza 6/2024: „Tehnici și dispozitive avansate de analiză pentru medicina personalizată”

Responsabil fază: Dr. Felix SIMA

Termen de încheiere a fazei: 09.05.2024

Abstract:

  In cadrul acestei faze am urmarit dezvoltarea de metode si tehnici avansate de analiza pentru medicina personalizata. Au fost realizate trei studii in vederea atingerii acestui obiectiv.
  • Intr-un prim studiu am demonstrat ca tehnicile de procesare cu laseri cu pulsuri ultra-scurte a materialelor permit imbunatatirea rezolutiei de micro- si nano-fabricare si ofera avantajul obtinerii unor geometrii cu dimensiuni ierarhice comparativ cu tehnicile litografice. In plus, am reusit integrarea unor sisteme de micropompaj în dispozitive microfluidice prin fabricarea unor electrozi din ITO, cu dimensiuni controlate. Dispozitivele microfluidice si nanofluidice ofera solutii ideale pentru observarea capacității celulelor canceroase de migrare prin spatii inguste care imită procese de intravazare-extravazare din mediul in vivo.
  • Am analizat caracteristicile specifice ale unei amprente digitale, folosind pulberi Er(x%):BGZO. Obiectivul acestui al doilea studiu a fost prepararea unui material stabil chimic si termic, cu proprietati luminescente deosebite, pentru conversia superioara la puteri mici de pompaj in infrarosu apropiat. In acest scop, am investigat proprietatile de emisie prin conversie superioara in verde, a materialului de tip BGZO dopat cu ioni de Er3+. Cele mai promitatoare rezultate au fost obţinute pe proba de BGZO dopata cu 4 at% Er3+. Studiul reziduurilor lasate de suprafata degetului pe o lamela da posibilitatea de a utiliza amprenta digitala in medicina personalizata, reflectand tranzitia de la un model „one-size-fits-all” la unul personalizat si dinamic.
  • Cercetarea in studiul trei a fost concentrată pe trei tipuri diferite de cancer din sfera ORL: carcinomul scuamos microinvaziv la nivelul hemibazei de limbă, carcinomul epitelial-mioepitelial cu activitate mitotică focal crescută la nivelul sinusului maxilar și carcinomul scuamos slab keratinizant G3 la nivelul hemilimbii. Datele obținute contribuie la identificarea unor parametri semnificativi, cum ar fi intensitatea maximului de fluorescență și timpul de viață ai autofluorescenței, care pot fi utilizați în discriminarea între țesuturile sănătoase și cele maligne din sfera ORL. Astfel, integrarea analizei autofluorescenței și a spectroscopiei FTIR ar putea îmbunătăți capacitatea de diagnostic și caracterizare a afecțiunilor tumorale ORL, având un potențial semnificativ în domeniul medical.

Abstract grafic:

Contractul nr.: 30N/12.01.2023
Proiectul: „Dezvoltarea de solutii inovatoare si tehnologii de fabricație avansată cu laseri, plasmă și radiații pentru rezolvarea problemelor societale”

Faza 7/2024: „Realizarea și testarea componentelor fotonice și electronice de comandă pentru sistemul laser cu pulsuri sub-picosecunde”

Responsabil fază: Dr. Nicolaie PAVEL

Termen de încheiere a fazei: 06.06.2024

Abstract:

  • In cadrul acestei faze de contract a fost obținuta emisie laser eficienta (la 1062 nm) de la un cristal Nd:La_xGd_yY_zSc_4-x-y-z(BO₃)₄ (Nd:LGYSB), folosind pompajul optic cu dioda laser. A fost investigat regimul de operare libera, cu pompaj quasi-continuu si continuu.
  • S-au obtinut si investigat probe ceramice de tip Ca3(Li,Ta,Ga)5O12 – (CLTGG) dopate cu diferite concentratii de Tb3+. A fost estimata sectiunea eficace de emisie la 542 nm; valoarea obtinuta (2.54×10-21 cm2) indica faptul ca cristalul de tip CLTGG:Tb (15 at.%) poate fi un potential mediu activ pentru emisie laser la 542 nm. Au fost obtinute si investigate probe ceramice co-dopate de tip CLTGG:Tb (15 at.%), Yb (y at.%). S-au efectuat spectre de emisie ale ionului Tb3+ in domeniul vizibil cu excitare in infrarosu (la 973 nm). Mediul ceramic dopat cu Tb (15 at.%), Yb (5 at.%) a prezentat cea mai mare intensitate pentru linia de emisie la 542 nm.
  • Au fost obtinute medii ceramice transparente compozite de tip Y2O3/x-at.% Nd:Y2O3 (x= 0.5, 1.0, 1.5) si Y2O3/y-at.% Yb:Y2O3 (y= 3.0, 5.0, 8.0) prin reactie in faza solida si sinterizare in mai multe etape. Mediile ceramice prezinta o calitate buna, confirmata prin rezultatele obtinute in urma investigatiilor structurale, morfologice si optice.
  • Au fost realizate oglinzi laser la 532 nm prin depunerea de filme subțiri de TiO2 şi SiO2 pe substraturi de cuarț prin metoda RF-magnetron sputtering. Au fost obtinute oglinzi laser cu 7, 11 si 17 straturi utilizând substraturi industriale de cuart. Toate filmele depuse au prezentat calitate foarte bună în ceea ce privește rugozitatea, rugozitățile măsurate prin AFM, profilometrie și elipsometrie fiind de ordinul subnanometric până la câțiva nm. A fost realizat un studiu parametric pentru a optimiza obținerea reproductibilă de oglinzi Bragg (heterostructuri TiO2/SiO2/TiO2/SiO2/TiO2/SiO2/TiO2 pe substrat de cuarț) pe arie mare prin tehnica depunerii laser pulsate (PLD și RF-PLD), vizând reflectanța la lungimea de undă de 532 nm. Au fost obținute prin PLD și RF-PLD heterostructuri conținând 7 straturi alternative de SiO2/TiO2 pe substrat de siliciu, dense și compacte, cu o rugozitate foarte mică [~3 nm (SE) și ~9 nm (AFM)]. Au fost realizate structuri de tip multistrat (TiO2/SiO2)×3 si (TiO2/SiO2)×7 utilizand metoda TVA in atmosfera controlata de oxigen.
  • S-a realizat proiectarea sistemului laser cu pulsuri de sub-picosecunde și a sistemului de comandă și control aferent (schema bloc de comandă globală incluzând elementele de sincronizare, de selecție și de execuție; structura sistemului de comandă și control; interfețele de intrare și ieșire).

Abstract grafic:

Contractul nr.: 30N/12.01.2023
Proiectul: „Dezvoltarea de solutii inovatoare si tehnologii de fabricație avansată cu laseri, plasmă și radiații pentru rezolvarea problemelor societale”

Faza 8/2024: „Integrarea și caracterizarea structurilor de senzori”

Responsabil fază: Dr. Alexandra Palla-Papavlu

Termen de încheiere a fazei: 26.07.2024

Abstract:

  Agricultura contemporană se confruntă cu numeroase provocări, inclusiv lipsuri de forță de muncă, impredictibilitatea climei și soluri sărace din cauza gestionării insuficiente a terenurilor. Pentru a aborda aceste probleme, tehnologia oferă soluții avansate prin dezvoltarea de senzori și platforme de detecție pentru agricultura inteligentă. Acest proiect se concentrează pe dezvoltarea tehnologiilor de fabricație a senzorilor și platformelor de detecție, vizând atât agricultura inteligentă, cât și siguranța publică, alături de monitorizarea și controlul calității proceselor de fabricație avansată.
  În cadrul proiectului, s-au realizat modele experimentale de senzori cu straturi subțiri de soluții solide piezoelectrice pentru detectarea gazelor precum CO2 și NH4. Straturile subțiri de titanat de bariu (BaTiO3) au fost depuse pe substraturi ceramice de alumina (Al2O3) prin ablație laser (PLD) și caracterizate morfologic, chimic și electric. Testele au arătat salturi în frecvență semnificative în prezența gazelor, demonstrând importanța parametrilor de depunere.
  De asemenea, s-au fabricat senzori conductometrici pe bază de oxizi metalici (SnO2-ZnO) și polianilină (PANI) pentru detectarea metanului la temperatura camerei. Electrozii metalici de platină au fost depuși prin pulverizare catodică, iar materialul sensibil a fost adăugat prin PLD și polimerizare oxidativă chimică (PANI).
  Tehnica LIFT (transferul laser indus înainte) a fost utilizată pentru a fabrica senzori chemorezistivi pe bază de materiale hibride organic-anorganice (PEDOT:PSS-GO). Această tehnică a permis transferul precis al materialelor pe substraturi receptoare, rezultând senzori capabili să detecteze NO la temperatura camerei.
  Pentru îmbunătățirea proprietăților fizice și chimice ale senzorilor, s-a utilizat iradierea cu fascicul de electroni accelerați. Acest proces a fost realizat cu un accelerator liniar de electroni, iar dozimetria a fost monitorizată cu precizie folosind calorimetre de grafit și filme radiocromice B3, calibrate conform standardelor internaționale.
  În concluzie, această fază a demonstrat succesul în dezvoltarea și caracterizarea senzorilor avansați pentru agricultura inteligentă. Utilizarea tehnologiilor precum PLD, LIFT și iradierea cu fascicul de electroni a dus la obținerea unor senzori performanți, capabili să răspundă rapid și eficient la prezența gazelor de interes. Aceste realizări pot contribui semnificativ la îmbunătățirea monitorizării și controlului proceselor agricole, promovând o agricultură mai eficientă și sustenabilă.

Abstract grafic:

Contractul nr.: 30N/12.01.2023
Proiectul: „Dezvoltarea de solutii inovatoare si tehnologii de fabricație avansată cu laseri, plasmă și radiații pentru rezolvarea problemelor societale”

Faza 9/2024: „Studii analitice și experimentale pentru optimizarea proprietăților nanofluidelor magnetice funcționalizate cu compuși antitumorali”

Responsabil fază: Dr. Florian DUMITRACHE, Dr. Angela STAICU

Termen de încheiere a fazei: 07.11.2024

Abstract:

  S-au investigat nanoparticule de oxid de fier preparate prin piroliza laser folosind diferiți senzitivanți: etilena (NPs), izopropanolul (i-NPs) și etanolul (eNPs). Analizele morfo-structurale confirmă prezenta unui material nanometric de dimensiuni reduse, cvasi-sferice cu o tendinta de aglomerare înlănțuită. Toate pulberile au prezentat o stabilitate ridicată în apă și o dimensiune a diametrului hidrodinamic redusă. S-au realizat stabilizări/functionalizari cu dextran, CMCNa, Decarbazina si Acid Folic și optimizări ale acestor protocoale. Tratarea termica a nanoparticulelor este realizata pentru a genera acestora proprietati magnetice ridicate, peste valoarea specifica a celor proaspat sintetizate, dar fara a compromite capacitatea lor de suspendare. Nanopulberi de γ-Fe2O3 sunt sintetizate prin piroliza laser folosind etanolul ca senzitivant, ulterior acestea sunt tratate termic la 250oC, 3h în flux constant de gaz: aer, Ar, hidrogen. Modificarile structurale sunt minime daca tratamentele sunt facute in Ar sau aer, insa dimensiunea de cristal creste semnificativ, de la 5.2nm netratate la 13.0nm pentru NPs tratate in hidrogen. Nanofluidele preparate cu aceste NPs in apa prezinta o excelenta stabilitate in timp; testarea s-a facut dupa 1h si 24h de la preparare; dimensiunea de aglomerat este de c.c.a. 100nm si potentialul Zeta peste 45mV. Tratamentele termice afecteaza rezonabil de putin stabilitatea in timp, insa diminueaza potentialul Zeta.
  Au fost studiate emulsii, ce includ fotosensibilizatorul TPP-SO3Na si nanoparticulele e-NPs, i-NPs, NPs incarcate cu Dacarbazina. Au fost analizate din punct de vedere morfo-structural si fizico-chimic prin DLS, spectroscopie de absorbtie UV-Vis, FTIR, LIF, fosforescenta oxigenului singlet generat si analiza tensiunii superficiale dinamice.
  Rezultatele DLS au aratat ca emulsiile au o dimensiune stabila a picaturilor intre 150-170nm, care ramane constanta pe durata experimentelor, indicand o stabilitate foarte buna. Stabilitatea emulsiilor a fost confirmata prin analiza FTIR-ATR. Dintre emulsiile analizate, proba cu stabilitatea cea mai mare a fost emulsia TPP-SO3Na+i-NPs.
  Testele de generare a oxigenului singlet au relevat o crestere semnificativa a timpului de viata si a intensitatii semnalului de fosforescenta al acestuia in emulsii comparativ cu solutia simpla de TPP-SO3Na. Analiza dinamicii tensiunii superficiale indica faptul că nu are loc o migrare semnificativă a particulelor de fază dispersată către suprafață prin coalescenta picaturilor de ulei, iar emulsiile rămân astfel uniforme și stabile.
  In concluzie, emulsiile studiate ce inglobeaza nanoparticule prezinta o stabilitate remarcabila si pot mari rata de generare a oxigenului singlet, ceea ce le recomanda pentru potentiale aplicatii in terapii fotodinamice si pentru livrarea eficienta a medicamentelor.

Abstract grafic:

Contractul nr.: 30N/12.01.2023
Proiectul: „Dezvoltarea de solutii inovatoare si tehnologii de fabricație avansată cu laseri, plasmă și radiații pentru rezolvarea problemelor societale”

Faza 10/2024: „Optimizarea proceselor tehnologice de sinteză și fabricare a elementelor componente pentru stocare de energie – partial etapa I”

Responsabil fază: Dr. Mihai ZAMFIR, Dr. Nicu SCĂRIȘOREANU

Termen de încheiere a fazei: 22.11.2024

Abstract:

  Metoda de piroliză cu laser a fost folosită pentru sinteza materialelor anodice fără Co pentru bateriile cu ioni Li sau Na, bazate pe amestecuri controlate de nanoxizi de staniu (SnO2 și SnO) pornind de la Sn(CH3)4 și folosind senzitizer/purtător C2H4 în prezența diferitelor fluxuri de O2 (+N2). Proprietățile morfostructurale, compoziționale și de dispersie in lichideau fost raportate folosind tehnici XRD, EDS, XPS, TEM si DLS – Potential Zeta
  Metoda substratului acoperit cu catalizator (CCS) a fost folosită pentru fabricarea MEA pentru PEMFC. Straturile de difuzie a gazelor (GDL) sunt construite întâi prin acoperirea hârtiei din fibră de carbon corespunzatoare ca dimensiuni cu straturi mezoporoase (MPL) formând suspensii de nanoparticule de carbon în izopropanol cu o cantitate mică de perfluoretilenă hidrofobă prin pulverizare aerograf. Apoi, straturile catalitice (CL) realizate din piroliză comercială sau laser au făcut nanoparticule pe bază de carbon decorate cu diferite cantități de particule ultrafine de Pt pentru catod și anod și adăugate cu fluoropolimer sulfonat sunt pulverizate peste MPL-urile din dispersii. În cele din urmă, membrana electrolit polimeric comercial este presată la cald între cele două CL susținute pe GDL pentru a obține un MEA funcțional.
  Calcogenurile metalelor de tranziție (TMCs) se evidențiază ca fiind unii dintre cei mai interesanți candidați atât pentru cercetarea fundamentală, cât și pentru aplicațiile potențiale în domeniul energetic. Sinteza acestora în formă nanostructurată și în arhitecturi hetero împreună cu materiale carbonice au potențial enorm, în principal datorită raportului ridicat între suprafață și volum, ce oferă spațiu pentru acomodarea schimbărilor de volum în timpul ciclurilor de încărcare/descărcare, promovând în același timp transportul ionic rapid și interacțiuni pe distanțe scurte între purtătorii de sarcină, ceea ce permite rate ridicate de încărcare/descărcare. Pentru realizarea acestor arhitecturi nanostructurate s-au folosit metode și tehnici cu grad mare de scalabilitate și potențial de transfer tehnologic către parteneri din industria de profil: tehnica cu plasmă de tip Arc Termionic în Vid (TVA), depunerea din faza de vapori asistată laser (LCVD) și sulfurizarea termală.

Abstract grafic:

Etapa II

Contractul nr.: 30N/12.01.2023
Proiectul: „Dezvoltarea de solutii inovatoare si tehnologii de fabricație avansată cu laseri, plasmă și radiații pentru rezolvarea problemelor societale”

Faza 11/2024: „Dezvoltarea de metode de predicție a disrupțiilor în plasma de fuziune prin analiza semnalelor ce descriu evoluția topologiei configurației magnetice”

Responsabili fază: Dr. Teddy CRACIUNESCU, Dr. Eduard GRIGORE

Termen de încheiere a fazei: 08.10.2024

Abstract:

  Punerea in functiune a a noilor instalatii tokomak majore face tot mai necesara dezvoltarea unor tehnici eficiente de predictie a disruptiilor plasmei de fuziune. Instrumentele necesare ar trebui sa fie nu numai precise, ci si capabile să functioneze cu un numar minim de semnale, deoarece în primele campanii experimentale pe instalatii, de obicei, este disponibil doar un numar foarte limitat de diagnostice. A fost dezvoltata o metoda bazata pe tehnică statistică avansată, destinata detectarii schimbarilor de paradigma in seriile temporale provenite de la sistemele de diagnostica a plasmei. Aceasta metoda este capabilă să detecteze deplasarea plasmei către regiuni operationale periculoase folosind doar semnale globale, cum ar fi semnalului de diagnostica care descrie stabilitatea configuratiei magnetice, si curentul de plasma. Performanțele obtinute îndeplinesc cerintele specifice prevenirii disruptiilor in dispozitive precum JT60-SA si ITER la începutul functionării acestora. Metoda ofera o rata ridicata de predictii corecte (in jur de 98%), alarme ratate de ordinul a câteva procente și alarme false de ordinul a 10%. Metoda este capabila să furnizeze predictii cu ~ 400 ms înainte de întrerupere, ceea ce este un timp confortabil care permite terminarea controlata a descarcarilor.

Abstract grafic:

Contractul nr.: 30N/12.01.2023
Proiectul: „Dezvoltarea de solutii inovatoare si tehnologii de fabricație avansată cu laseri, plasmă și radiații pentru rezolvarea problemelor societale”

Faza 12/2024: „Realizarea surselor cu plasmă cu utilizare în procesarea materialelor și testarea preliminară a funcționalității lor – partial etapa I”

Responsabili fază: Dr. Corneliu POROȘNICU

Termen de încheiere a fazei: 22.11.2024

Abstract:

  In cadrul prezentei faze a fost realizata o metoda de imagistica pentru investigarea turbulentei indusa cu un fascicul de electroni cu energia de 13 keV in plasma complexa (dusty plasma).Identificarea pozitiei fiecarei particule in cadrul unei ferestre a fost realizata aplicand functii de corelatie si interpolare spatiala bi-lineara. Prin tehnica Particle Tracking Velocimetry (PTV) a fost identificata traiectoria exacta a fiecarei particule. Se observa ca pornirea fasciculului de electroni genereaza un flux de microparticulele care creste gradat in primele 50 ms atat in viteza cat si in dimensiune. Dupa ≈100-200 ms se fomeaza doua vortexuri simetrice extinse la intreaga dimensiune a cristalului avand viteze maxime de 12 mm/s in centrul fluxului.
  Unul din obiectivele acestei faze l-a constituit testarea funcţionării echipamentului numit Sursă de alimentare electrică pentru generatoare de plasmă rece (SAGPR), realizat în cursul etapei anterioare, în diverse condiţii de lucru, conforme cu cerinţele care au stat la baza proiectării sale. SAGPR a fost conceput ca fiind un echipament de laborator universal și versatil, având ca scop alimentarea electrică a unei categorii largi de dispozitive generatoare de plasmă, prevăzute cu sisteme de electrozi având dimensiuni diverse şi geometrii care pot fi, în anumite limite, arbitrare.
  In cadrul INFLPR (Laboratorul Plasma de Temperatura Joasa, grupul Procese in Plasma pentru Materiale Functionale si Suprafete) a fost implementat in anii precedenti un nou mod de operare al sursei de clusteri metalici (W) de tip MSGA. Astfel, in conditii experimentale specifice, plasma din sursa expandeaza in afara ei prin apertura de iesire, impreuna cu nanoparticulele. Experimentele primare au pus in evidenta o componenta critica a modului de operare MSGA-JET: pentru anumite valori ale parametrilor de lucru, jetul de plasma are un caracter instabil, inadecvat proceselor de sinteza a nanomaterialelor. In aceasta etapa a fost continuata cercetarea aplicata asupra modului MSGA-JET. Testele de laborator efectuate au condus la identificarea domeniului parametrilor de lucru pentru operarea stabila a sursei MSGA-JET. Aceste activitati corespund nivelului de maturitate tehnologica TRL 3. Identificarea domeniului de operare stabila a sursei MSGA-JET permite dezvoltarea viitoare a metodei in vederea sintezei de nanomateriale.
  A fost proiectată și testată o sursă de plasmă rece la presiune atmosferică de tip jet cu dublă injecție în aval și postdescărcare pentru sinteza de materiale nanocompozite, care asigură controlul independent al compoziției matricii polimerice de tip polisiloxan și respectiv a concentrației de metal în structură.

Abstract grafic:

Anul 2025 – Schema de realizare a PN 23 03 01

Etapa I

Contractul nr.: 30N/12.01.2023
Proiectul: „Dezvoltarea de solutii inovatoare si tehnologii de fabricație avansată cu laseri, plasmă și radiații pentru rezolvarea problemelor societale”

Faza 13/2025: „Studii experimentale și analitice pentru dezvoltarea de pansamente de tip hidrogel încărcate cu medicamente chimioterapeutice”

Responsabil fază: Dr. Maria DEMETER, Dr. Angela STAICU

Termen de încheiere a fazei: 09.04.2025

Abstract:

  Sistemele multifuncționale de administrare a medicamentelor sunt o strategie nouă în tratarea țintită a cancerului, deoarece acestea oferă avantajul administrării de chimioterapeutice, fără afectarea celulelor și țesuturilor sănătoase. În acest studiu au fost dezvoltate și caracterizate noi compoziții polimerice obținute din poli(vinilpirolidonă), carboximetilceluloză, poli(etilenglicol), agar și guma gelan pentru dezvoltarea de pansamente sub formă de hidrogel încărcate cu medicamente chimioterapeutice. Hidrogelurile au fost concomitent sintetizate (reticulate) și sterilizate prin iradiere cu fascicul de electroni la doza 30 kGy. Demonstrarea funcționalității hidrogelurilor dezvoltate s-a realizat prin: analiza sol-gel, eficiența procesului de reticulare, proprietăți de gonflare în mediu fiziologic și tumoral simulat, capacitate de menținere a umidității, analiză structurală (ATR-FTIR), proprietăți reologice, biodegradare in vitro, capacitate de încărcare cu medicament anticancer (5-FU) și profil de eliberare in vitro a 5-FU. Cinetica de eliberare a 5-FU a fost investigată folosind modele matematice utilizate în proiectarea formulărilor farmaceutice. După iradiere, hidrogelurile au fracție de gel peste 90%, iar procesul de reticulare predomină. Valorile crescute ale randamentelor radiochimice de reticulare (330 µmol/J), de 16 ori mai mari comparativ cu cele de degradare (20 µmol/J), confirmă formarea de hidrogeluri reticulate, cu structură stabilă după iradiere. Mediul de gonflare influențează semnificativ gradul de gonflare și capacitatea de încărcare cu 5-FU a hidrogelurilor. În mediu bazic, capacitatea de absorbție este de 980-1090 %, iar în pH neutru este semnificativ mai mare, de 1380-1580 %. Hidrogelurile mențin aproximativ 48% din umiditate timp de 8 ore, timp suficient pentru asigurarea funcționalității ca pansament de tip hidrogel. Analiza reologică a arătat că hidrogelurile au comportament predominant elastic specific unei rețele macromoleculare reticulate (G’ = 3 450-54 000 Pa). Capacitatea de încărcare optimă cu 5-FU variază în funcție de pH, timp de încărcare, compoziția hidrogelului și concentrația de 5-FU, la 200 mg/L 5-Fu este de 30% la pH 6 și 29% la pH 5. Eliberarea 5-FU este lentă la pH 7,4, realizându-se gradual până la 80% sau complet în decurs de 30 de ore, în funcție de compoziția hidrogelului. Cinetica de eliberare in vitro a 5-FU se corelează cel mai bine cu modelele cinetice Korsmeyer-Peppas, Peppas-Sahilin și Makoid-Banakar (R2 > 0,99) și demonstrează că eliberarea 5-FU este guvernată în primul rând de un mecanism accelerat, urmat de un mecanism controlat prin difuzie.
  Rezultatele experimentale demonstrează că hidrogelurile obținute prin iradiere susțin încărcarea și eliberarea de medicamente anticancer și prezintă potențial pentru utilizare ca pansamente pentru tratamentul local al cancerului.

Abstract grafic: