Badania nad mechanizmem reakcji na ciśnienie materiałów luminescencyjnych wykazujących konwersję energii w górę z domieszką metali ziem rzadkich do próżniowego wykrywania ciśnienia
Typ projektu: MOST - NAWA
Kierownik projektu po stronie PL: dr Robert Tomala
Kierownik projektu po stronie ChRL: dr Tianyouan Zhou,z Jiangsu Normal University, Xuzhou
Opis projektu:
Technologia wysokoprecyzyjnego pomiaru próżni jest niezwykle potrzebna w przełomowych dziedzinach nauki oraz w kluczowych gałęziach przemysłu, takich jak eksploracja przestrzeni kosmicznej czy produkcja półprzewodników. Jednak tradycyjne metody pomiarowe napotykają na poważne ograniczenia, takie jak niewystarczająca czułość i ograniczony zakres pomiarowy w środowiskach o ultraniskim ciśnieniu (<10⁻³ Pa). Niniejszy projekt, będący wspólną inicjatywą Uniwersytetu Pedagogicznego w Jiangsu (Chiny) oraz Instytutu Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych Polskiej Akademii Nauk (Polska), podejmuje wyzwania techniczne związane z pomiarem ciśnienia próżniowego w ekstremalnych warunkach. Celem jest wspólne opracowanie nowatorskiego, bezkontaktowego czujnika optycznego opartego na materiałach luminescencyjnych domieszkowanych metalami ziem rzadkich, wykorzystujących zjawisko konwersji wzwyż. Uniwersytet Pedagogiczny w Jiangsu, poprzez Kluczowe Laboratorium Materiałów i Urządzeń Laserowych Prowincji Jiangsu, dysponuje ponad dekadą doświadczenia w zakresie przygotowania i modulacji właściwości optycznych przezroczystych ceramik. Polski partner należy do światowej czołówki w zakresie badań nad mechanizmami działania oraz zastosowaniami czujników próżniowych opartych na konwersji wzwyż. Obie grupy badawcze łączy solidna, niemal 11-letnia współpraca, udokumentowana 16 wspólnie opublikowanymi artykułami naukowymi, 6 wzajemnymi wizytami, 2 warsztatami tematycznymi oraz wspólnym utworzeniem w 2024 roku „Międzynarodowego Laboratorium Pomiarów Optycznych w Ekstremalnych Warunkach”. Projekt zakłada opracowanie systemów materiałów transparentnych ceramik i nanokrystalicznych opartych na granatach i seskwioksydach, współdomieszkowanych jonami Yb³⁺–Er³⁺/Tm³⁺, oraz zbadanie mechanizmów wpływu mikrostrukturalnej ewolucji na charakterystykę odpowiedzi luminescencji konwersji wzwyż na ciśnienie. Zaproponowana zostanie struktura ceramiki o gradiencie domieszkowania w celu optymalizacji ścieżek transportu fononów i populacji termicznie sprzężonych poziomów energetycznych, co pozwoli na ograniczenie akumulacji ciepła w materiale oraz zwiększenie czułości odpowiedzi na ciśnienie. Opracowane zostaną także multimodalne, wielozadaniowe modele głębokiego uczenia maszynowego, integrujące dane w trzech skalach – przejść poziomów energetycznych w skali atomowej, rozpraszania fononów w skali nano oraz termodynamiki w skali mezo – w celu odszyfrowania nieliniowych zależności między ciśnieniem gazu, temperaturą a właściwościami luminescencyjnymi i umożliwienia projektowania wstecznego. Jeśli chodzi o wyniki, projekt zakłada stworzenie modelu sprzężenia wielopolowego „mechaniczno-termiczno-optycznego” oraz zaproponowanie teorii projektowania struktury gradiencie domieszkowanej. Opracowane zostaną trzy typy materiałów sensorycznych o wysokiej czułości i szerokim zakresie pomiarowym – ceramiki jednorodne, ceramiki gradientowe oraz proszki nanokrystaliczne – z celem osiągnięcia czułości poniżej 0,01 mbar, czasu reakcji na poziomie milisekundy i rozszerzenia zakresu pomiarowego do 10⁻⁷–10³ mbar. Dodatkowo planuje się publikację dwóch artykułów naukowych o wysokim wpływie, zgłoszenie dwóch chińskich patentów oraz wyszkolenie czterech magistrantów w zakresie przygotowania materiałów luminescencyjnych do konwersji wzwyż, charakteryzacji i badań mechanizmów odpowiedzi optyczno-ciśnieniowej oraz projektowania materiałów wspomaganego uczeniem maszynowym. Realizacja projektu zapewni teoretyczne i techniczne wsparcie dla kluczowych zastosowań w Chinach, takich jak monitorowanie środowiska modułów próżniowych w statkach kosmicznych, precyzyjna produkcja półprzewodników oraz eksperymentalne instalacje fizyki wysokich energii. Projekt pogłębi także chińsko-polską współpracę naukowo-techniczną w ramach Inicjatywy Belt and Road, wnosząc pozytywny wkład w rozwój technologiczny i wymianę kulturową obu narodów.
