Kemija materialov

Cilj predmeta je predstaviti povezavo med sestavo in strukturo materialov in njihovimi lastnosti.
Študentje bodo pridobili znanja in praktične izkušnje o mehanizmih in postopkih sinteze materialov in njihove obdelave ter pregled osnovnih karakterizacijskih metod uporabljenih v znanosti o materialih.

/

• Učni načrt

Predmet podaja pregled kemije materialov, s poudarkom na naprednih metodah sinteze različnih tipov materialov. Posebna pozornost je namenjena razumevanju povezave med sestavo in strukturo kovin, keramike, polimerov, tekočih kristalov, poroznih materialov, kompozitov idr. ter njihovimi fizikalno-kemijskimi lastnostmi.
Predmet vključuje naslednja poglavja: Fizikalne in kemijske lastnosti elementov
• Periodni sistem elementov (elektronska konfiguracija, ionski radi, elektronegativnost, polarizabilnost, magnetni moment, oksidacijsko stanje, idr.)
Kemijske vezi in elektronska struktura
• Klasifikacija kemijskih vezi
• Šibke interakcije (H-vezi, Van der Waalsove interakcije, idr.)
• Elektronska struktura
Kristalinična struktura
• Koordinacijski poliederi
• Vpliv ionskega radia na stabilnost kristala
• Polimorfizem
• Trdna raztopina
• Amorfna faza
• Strukturne napake in nestehiometričnost
Termodinamika v trdnem
• Osnovni pristop (ravnotežje Gibbsovo fazno pravilo)
• Difuzija v trdnem
• Fazno ravnovesje in fazi diagrami
• Kristalizacija in fazne pretvorbe Sinteza
• Sinteza v trdnem, sintranje in mikrostruktura (reakcija v trdnem, mehanizmi sintranja, zrna, meje med zrni in rast zrn)
• Sinteza iz raztopin Kovine
• Pridobivanje in predelava kovin
• Železo in neželezne kovine
• Zlitine
• Obdelava (livarstvo, toplotna obdelava, varjenje)
• Kemijske lastnosti (korozija in korozijske prevleke)
• Mehanske lastnosti kovin in zlitin Keramični materiali
• Definicija, klasifikacija, struktura, lastnosti
• Steklo
• Keramični materiali: ionski prevodniki, dielektriki, superprevodniki, polprevodniki, naprave
• Biokeramika
• Lastnosti: fizikalne, mehanske, itd
• Metode obdelave (mletje, oblikovanje, žganje)
Polimeri
• Klasifikacija in struktura
• Sinteza (adicija/polikondenzacija)
• Postopki obdelave polimerov (ekstrudiranje, brizganje, stiskanje, vakuumsko oblikovanje)
• Fizikalne in kemijske lastnosti (kemijska stabilnost, toplotna stabilnost, mehanska in kemična razgradnja, razgradnja kot posledica sončnega sevanja, električnih lastnosti, reologija)
Tekoči kristali
• Kemijske lastnosti in sestava
• Fizikalne lastnosti
Porozni materiali
• Klasifikacija in struktura
• Sinteza (hidrotermalna, solvotermalna, ionotermalna, posintezna modifikacija)
• Postopki oblikovanja poroznih materialov (granuliranjem ekstrudiranje, idr.)
• Fizikalne in kemijske lastnosti (kemijska stabilnost, toplotna stabilnost, adsorpcijske in katalitske lastnosti)

Kratek pregled karakterizacijskih metod materialov (meritve mehanske lastnosti, rentgenska difrakcija, termična analiza, mikroskopija, kromatografija, itd.)

Znanje in razumevanje:
Študenti pridobijo znanje kako fizikalne in kemijske lastnosti elementov vplivajo na nastanek vezi in urejanje atomov v kristalni strukturi. Prav tako se naučijo, da ne samo, kemijska sestava, temveč tudi struktura ali kristalna struktura in napake vplivajo na lastnosti materialov. Študenti pridobijo znanja o mehanizmih sinteze in difuzije v trdnem.
Študentom je predstavljen širok pregled o različnih naprednih materialih, njihovih sintezi, strukturi, obdelavi, lastnostih in možnostih uporabe. Študenti se naučijo razlikovati med karakterizacijskimi metodami in spoznajo katere metode so najbolj primerne za meritve specifičnih lastnosti materialov. Glavni študijski rezultat za študente je pridobitev znanj za sintezo in karakterizacijo materialov.

• B. D. Fahlman, Materials Chemistry, Springer Netherlands, 2007 Katalog E-gradivo
• H. R. Allcock, Introduction to materials chemistry, Hoboken, NJ : John Wiley & Sons, 2008
• K. K. Chawla, Composite Materials, Springer-Verlag New York, 2012, DOI: 10.1007/978-0-387-74365-3 E-gradivo
• S. Qiu & T. Ben, Porous polymers : design, synthesis and applications, Cambridge : Royal Society of Chemistry, 2016
• D. B. Mitzi (ed.), Solution processing of inorganic materials, Hoboken: Wiley, 2009 E-gradivo
• Supporting material from the web will be indicated

• Pisni izpit
• Ustni izpit
• Pisno poročilo iz eksperimentalnih vaj

Prof. dr. Nataša Zabukovec Logar:
Redni profesor za področje kemije na Univerzi v Novi Gorici. Full Professor of Chemistry at the University of Nova Gorica.

Nataša Zabukovec Logar je vodja Odseka za anorgansko kemijo in tehnologijo na Kemijskem inštitutu v Ljubljani. Trenutno se pri svojih raziskavah osredotoča na razvoj novih kovinsko-organskih in anorganskih poroznih materialov za shranjevanje plinov in toplote ter študiju sorpcijskih mehanizmov kovin na naravne in sintetične zeolite za uporabo pri čiščenju odpadnih vod.
Nataša Zabukovec Logar is a Head of Department for Inorganic Chemistry and Technology at the National Institute of Chemistry in Ljubljana. Her current research focusses are development of new metal-organic and inorganic porous materials for gas and heat storage and studies of sorption mechanisms of metals on natural and synthetic zeolites for water treatment.

Izbrane objave / Selected publications:
1. KRAJNC, Andraž, KOS, Tomaž, ZABUKOVEC LOGAR, Nataša, MALI, Gregor. A simple NMR-based method for studying the spatial distribution of linkers within mixed-linker metal-organic frameworks. Angewandte Chemie, ISSN 1433-7851. [Print ed.], Sep. 2015, vol. 54, iss. 36, str. 10535-10538. doi:
10.1002/anie.201504426. [COBISS.SI-ID 5735962]
2. BIRSA ČELIČ, Tadeja, RANGUS, Mojca, LAZAR, Karoly, KAUČIČ, Venčeslav, ZABUKOVEC LOGAR, Nataša. Spectroscopic evidence for the structure directing role of the solvent in the synthesis of two iron carboxylates. Angew. Chem. (Int. ed., Print). [Print ed.], 2012, vol. 51, iss. 50, str. 12490-12494, ilustr., doi: 10.1002/anie.201204573. [COBISS.SI-ID 36300805]
3. MAZAJ, Matjaž, BIRSA ČELIČ, Tadeja, MALI, Gregor, RANGUS, Mojca, KAUČIČ, Venčeslav, ZABUKOVEC LOGAR, Nataša. Control of the crystallization process and structure dimensionality of Mg-benzene- 1,3,5-tricarboxylates by tuning solvent composition. Cryst. growth des., 2013, vol. 13, iss. 8, str. 3825- 3834. doi: 10.1021/cg400929z. [COBISS.SI-ID 5290522]
4. MAZAJ, Matjaž, MALI, Gregor, RANGUS, Mojca, ŽUNKOVIČ, Emanuela, KAUČIČ, Venčeslav, ZABUKOVEC LOGAR, Nataša. Spectroscopic studies of structural dynamics induced by heating and hydration : a case of calcium-terephthalate metal-organic framework. The journal of physical chemistry. C, 2013, vol. 117, issue 15, str. 7552-7564, doi: 10.1021/jp311529e. [COBISS.SI-ID 36628485]
5. RISTIĆ, Alenka, ZABUKOVEC LOGAR, Nataša, HENNINGER, Stefan K., KAUČIČ, Venčeslav. The performance of small-pore microporous aluminophosphates in low-temperature solar energy storage : the structure-property relationship. Adv. funct. mater. (Print), 2012, vol. 22, iss. 9, str. 1952-1957. [COBISS.SI-ID 4910618]