Director de proiect: Dr. Nicoleta Preda
Cercetator postdoctoral: Dr. Andreea Costas
Cercetator postdoctoral: Dr. Alexandru Evanghelidis
Cercetator postdoctoral: Dr. Marcela Socol
Cercetator postdoctoral: Dr. Irina Zgura
Cercetator cu experienta: Dr. Monica Enculescu
Doctorand: Drd. Daciana Botta

Proiectul este focalizat pe obtinerea de fibre semiconductoare bio-inspirate prin utilizarea unor polimeri naturali sub forma de bio-sabloane, in continuare retelele semiconductoare fiind integrate sub forma de retele de fibre sau fibre singulare in tranzistori cu efect de camp (FETs) ce pot fi folositi in aplicatii de tip senzor chimic. Astfel, membrane pe baza de “eggshell membrane” (ESM) si “egg albumen” (EA) electrofilat vor fi folosite ca bio-sabloane, fibrele semiconductoare de tip oxizi metalici sau/si sulfuri metalice (sub forma de monocomponenti sau compozite) fiind preparate prin tehnici precum electrofilarea, imersarea si calcinarea. Fibrele semiconductoare bio-inspirate obtinute vor fi investigate din punct de vedere morfologic, structural si optic. In continuare, FETs pe baza de retele din fibre semiconductoare si FETs pe baza de fibre semiconductoare singulare vor fi fabricate prin combinarea unor tehnici fizice de depunere (pulverizarea catodica cu magnetron in RF, evaporare termica in vid) cu tehnici de litografie (fotolitografie, litografie cu fascicul de electroni). In final, perfomantele electrice ale FETs vor fi investigate dupa expunerea la diferiti vapori chimici pentru a evalua potentialele aplicatii ale acestor dispozitive in domeniul senzorilor chimici. Metoda abordata in prepararea fibrelor semiconductoare bio-inspirate poate reprezenta o bio-strategie pentru fabricarea de dispozitive electronice din surse regenerabile.

Etapa I

Obiectivul primei etape constand in prepararea de fibre semiconductoare bio-inspirate cu proprietati specifice a implicat realizarea urmatoarelor activitati: i) obtinerea de retele de fibre pe baza de EA prin electrofilare si caracterizarea acestora, ii) prepararea fibrelor semiconductoare utilizand ca bio-sabloane ESM si fibre EA si iii) caracterizarea complexa a fibrelor semiconductoare. Astfel, imaginile FESEM au relevat ca electrofilarea albusului are ca rezultat formarea sporadica a structurilor fibrilare. Pentru imbunatatirea procesului de electrofilare in vederea obtinerii de retele pe baza de fibre, la prepararea solutiilor au fost folositi polimeri ce favorizeaza formarea structurilor fibrilare si pulbere comerciala de albumina din ou de gaina. Investigatiile XRD, FTIR, TG, DTA si DSC au evidentiat ca membrana din coaja de ou, pulberea obtinuta prin uscarea albusului din ou si pulberea de albumina din ou au proprietati similare. Influenta parametrilor experimentali (tipul de polimer, tipul de solvent, concentratia polimerului, concentratia pulberii proteice, umiditatea din camera de electrofilare) asupra proprietatilor morfologice si structurale ale fibrelor proteice electrofilate a fost investigata prin FESEM si FTIR. De asemenea, a fost analizata influenta naturii bio-sablonului asupra procesului de replicare prin folosirea membranei din coaja de ou (colagen) si fibre de in (celuloza) in obtinerea de fibre de oxid de zinc. Imaginile FESEM si difractogramele XRD au evidentiat ca arhitectura specifica fiecarui tip de sablon organic a fost replicata perfect intr-una anorganica pe baza de fibre de oxid zinc. In continuare, prepararea retelelor pe baza de fibre semiconductoare a fost realizata prin: i) imersarea membranelor in solutii precursoare continand saruri metalice si ulterior calcinarea acestora si ii) electrofilarea solutiilor apoase continand un amestec de polimer, albumina si saruri metalice si ulterior calcinarea acestora. Tratamentele termice au fost realizate in aer, azot sau argon. Influenta parametrilor experimentali (tipul de bio-sablon, tipul de sare metalica, atmosfera de calcinare) asupra propritetilor morfologice, compozitionale si structurale ale retelelor fibrilare anorganice obtinute a fost evaluata prin FESEM, EDX si XRD. Astfel, imaginile FESEM si hartile EDX au relevat morfologii de tip retea fibrilara cu o distributie uniforma a elementelor componente, in timp ce difractogramele XRD au evidentiat formarea unor compusi de tip semiconductor, metal:semiconductor sau metal. De asemenea, a fost evaluata si posibilitatea transformarii unui oxid metalic (oxid de zinc) in sulfura metalica (sulfura de zinc) printr-o reactie chimica, datele XRD confirmand viabilitatea acestei abordari.

Etapa II

Obiectivul celei de-a doua etape constand in fabricarea de FETs pe baza de retele de fibre semiconductoare bio-inspirate a implicat realizarea urmatoarelor activitati: i) optimizarea parametrilor experimentali implicati in etapele de electrofilare, imersare si calcinare pentru obtinerea fibrelor semiconductoare cu proprietati adecvate; ii) dispersarea retelelor de fibre semiconductoare in alcool izopropilic prin ultrasonare si depunerea acestora sub forma de straturi prin centrifugare pe substraturi de Si/SiO₂; iii) depunerea electrozilor metalici (ex. Au, Pt, Ti) pe retelele de fibre semiconductoare, printr-o masca cu geometrii diferite, prin depunere catodica in magnetron cu RF sau evaporare termica in vid pentru obtinerea de contacte metalice Ohmice; iv) caracterizarea electrica a FETs pe baza de retele de fibre semiconductoare pentru determinarea parametrilor cheie. Astfel, influenta unor parametrii experimentali precum concentratia si tipul sarii precursoare, timpul de electrofilare, timpul de calcinare sau temperatura de calcinare asupra proprietatilor morfologice ale fibrelor semiconductoare  a fost investigata prin FESEM. In plus, proprietatile structurale si optice ale fibrelor oxidice au fost analizate prin XRD, R si PL. De asemenea, a fost testata transformarea fibrelor pe baza de oxid metalic (oxid de zinc sau oxid de cupru) in sulfura metalica (sulfura de zinc sau sulfura de cupru) printr-o reactie chimica cu un precursor de sulf. Pentru a evalua influenta morfologiei si dimensiunii structurilor de oxid de zinc, proprietati controlate prin intermediul  metodei de preparare a acestora, s-a optat pentru un studiu comparativ fiind investigate structuri obtinute prin diferite metode: fibre (imersare si calcinare), particule (precipitare chimica), flori (precipitare chimica bio-asistata de extract de brusture) si fire (oxidare termica in aer). Difractogramele XRD ale probelor au evidentiat ca transformarea oxidului de zinc in sulfura de zinc poate fi partiala sau totala, aceasta fiind strans legata de dimensiunea structurilor si temperatura implicata in metodele utilizate in prepararea acestora. In cazul fibrelor de oxid de cupru, reactia cu un precursor de sulf are ca rezultat transformarea in sulfura de cupru. Pentru dispunerea fibrelor pe plachete de Si/SiO₂, pulberile continand retele pe baza de fibre semiconductoare au fost dispersate prin ultrasonare in alcool izopropilic, imaginile FESEM ale probelor obtinute relevand aparitia unor efecte de fragmentare avand ca rezultat distrugerea retelelor semiconductoare. Deoarece, imaginile FESEM au evidentiat ca, indiferent de tipul bio-sablonului folosit - membrana naturala sau retea electrofilata, retelele de fibre semiconductoare pot fi obtinute sub forma unor straturi aderente la substraturile de Si/SiO₂, in vederea realizarii masuratorilor electrice s-a optat pentru obtinerea acestora direct pe plachete de Si/SiO₂ continand electrozi metalici interdigitati. Avantajul major al utilizarii substraturilor de Si/SiO₂ continand electrozi metalici interdigitati consta in faptul ca transportul purtatorilor se realizeaza prin percolarea jonctiunilor semiconductoare formate de fibrele oxidice pe suprafata sistemului de electrozi metalici inderdigitati, inchiderea circuitului electric realizandu-se fara a mai fi necesari pasi suplimentari de contactare. Astfel, au fost fabricati tranzistori cu efect de camp pe baza de retele de fibre semiconductoare de tip oxid metalic.

Etapa III

Obiectivul celei de-a treia etape constand in fabricarea de FETs pe baza de fibre singulare semiconductoare bio-inspirate a implicat realizarea urmatoarelor activitati: testarea FETs pe baza de retele de fibre semiconductoare cu cele mai bune performante in prezenta unor vapori chimici (ex. amoniac); ii) fabricarea de electrozi metalici interdigitati (Ti/Au, Ti/Pt) cu geometrii diferite pe substraturi de Si/SiO₂ prin fotolitografie si depunere catodica in magnetron cu RF sau evaporare termica in vid; iii) dispersarea unor suspensii de fibre semiconductoare pe substraturi de Si/SiO₂ avand electrozi metalici interdigitati pentru contactarea fibrelor singulare semiconductoare prin litografie cu fascicul de electroni; iv) depunerea contactelor metalice (ex. Au, Pt, Ti) pe fibrele singulare semiconductoare prin depunere catodica in magnetron cu RF sau evaporare termica in vid pentru obtinerea de contacte metalice Ohmice; v) caracterizarea electrica a FETs pe baza de fibre singulare semiconductoare pentru determinarea parametrilor cheie; vi) testarea FETs pe baza de fibre singulare semiconductoare cu cele mai bune performante in prezenta unor vapori chimici (ex. amoniac). Astfel, sisteme de electrozi metalici interdigitati de tip Ti/Au si Ti/Pt cu geometrii diferite au fost realizate combinand fotolitografia si tehnici de depunere filme subtiri (pulverizare catodica in magnetron cu RF si evaporare termica in vid). In continuare, pulberile continand retele pe baza de fibre semiconductoare au fost dispersate prin ultrasonare in alcool izopropilic si plasate pe suprafata plachetelor de Si/SiO₂ continand electrozi metalici interdigitati. Fibrele de oxid metalic plasate convenabil intre electrozii metalici interdigitati au fost selectate in vederea contactarii prin litografie cu fascicul de electroni (EBL). Obtinerea conectarii intre capetele fibrelor de oxid metalic si electrozii metalici interdigitati a fost realizata prin tehnici de depunere filme subtiri, contactele metalice de Ti/Au sau Ti/Pt fiind obtinute prin pulverizare catodica cu magnetron in RF (Ti, Pt) sau prin evaporare termica in vid (Au). Astfel, masuratorile electrice realizate pe dispozitivele pe baza de fibre singulare contactate prin EBL au evidentiat un comportament de tip tranzistor cu efect de camp. Masuratorile electrice realizate pe fibre semiconductoare sub forma de retele sau fibre singulare au relevat o variatie a rezistentie probelor cu timpul de expunere evidentiind potentialele aplicatii ale acestot structuri in domeniul detectiei vaporilor chimici.

Articole:

1.Hierarchical flax fibers by ZnO electroless deposition: tailoring the natural fibers/synthetic matrix interphase in composites
N. Preda*, A. Costas*, F. Sbardella, M. C. Seghini, F. Touchard, L. Chocinski-Arnault, J. Tirillo, F. Sarasini
Nanomaterials, 12, 2765-15, 2022

2. Macrocyclic compounds:metal oxide particles nanocomposite thin films deposited by MAPLE
M. Socol*, N. Preda*, C. Breazu, A. Costas*, O. Rasoga, G. Petre, G. Popescu-Pelin, S. Iftimie, A. Stochioiu, G. Socol, A. Stanculescu
Materials, 16, 2480-17, 2023

3. Burdock-derived composites based on biogenic gold, silver chloride and zinc oxide particles as green multifunctional platforms for biomedical applications and environmental protection
I. Zgura*, N. Badea, M. Enculescu*, V.-A. Maraloiu, C. Ungureanu, M.-E. Barbinta-Patrascu
Materials, 16, 1153-24, 2023

4. Silver nanoparticles decorated ZnO–CuO core–shell nanowire arrays with low water adhesion and high antibacterial activity
A. Costas*, N. Preda*, I. Zgura*, A. Kuncser, N. Apostol, C. Curutiu, I. Enculescu
Scientific Reports, 13, 10698-15, 2023

Capitol de carte:

1. Bio-inspired fibrous architectures based on ZnO templated by eggshell membranes
N. Preda*, M. Socol*, A. Costas*, I. Zgura*
Book: Zinc Oxide Nanoparticles - Fundamentals and Applications, Eds.: A. Rovisco and A. Pimentel; InTech - Rijeka, 2024
DOI 10.5772/intechopen.1005214, Book ISBN: 978-0-85466-601-0
Part of the Book Series "Nanotechnology and Nanomaterials", Series Editor: J. Huang

Comunicari:

1. Bio-templated synthesis of interwoven fibers based on ZnO and ZnS by replicating eggshell membranes
A. Costas*, N. Preda*, M. Socol*, I. Zgura*, I. Enculescu
RICCCE 22 – 22nd Romanian International Conference on Chemistry and Chemical Engineering, 7-9 septembrie 2022, Sinaia, Romania
Comunicare stiintifica tip poster (abstract nr. 36)

2. Bio-inspired fiber webs based on metal oxides by replicating eggshell membranes
A. Costas*, N. Preda*, A. Evanghelidis*, M. Enculescu*, I. Enculescu
12th International Advances in Applied Physics & Materials Science Congress & Exhibition (APMAS), 13-19 octombrie 2022, Oludeniz, Turcia
Comunicare stiintifica tip poster (abstract nr. 2144)

3. Synthesis of 3D metal oxide fiber networks using polymer-egg protein electrospun fibers as templates
A. Evanghelidis*, N. Preda*, A. Costas*, M. Socol*, I. Zgura*
40th E-MRS Spring Meeting, 29 mai-2 iunie 2023, Strasbourg, Franta
Comunicare stiintifica tip oral (abstract nr. 1707)

4. Three-dimensional fibrous structures based on polymers as templates for copper oxide fiber webs
I. Zgura*, N. Preda*, A. Evanghelidis*, A. Costas*, M. Socol*, D. Botta*
3rd International Conference on Bioengineering and Polymer Science (BPC), 7-10 iunie 2023, Bucuresti, Romania
Comunicare stiintifica tip poster (abstract nr. 23)

5. Natural templates-assisted synthesis of ZnO fibrous architectures
I. Zgura*, N. Preda*, A. Costas*, M. Socol*, D. Botta*
21st International Balkan Workshop on Applied Physics and Materials Science (IBWAP), 11-14 iulie 2023, Constanta, Romania
Comunicare stiintifica tip poster (abstract nr. S1-P3)

6. Hierarchical semiconducting fiber networks by a straightforward bio-templating approach
A. Evanghelidis*, N. Preda*, A. Costas*, I. Zgura*, M. Socol*
20th International Conference on Advanced Nanomaterials (ANM), 26-28 iulie 2023, Aveiro, Portugalia
Comunicare stiintifica tip oral (abstract nr. 11)

7. Designing electrospun polymer fiber mat as templates for developing hierarchical inorganic architectures
A. Evanghelidis*, N. Preda*, A. Costas*, M. Socol*, I. Zgura*
15th International Conference on Physics of Advanced Materials (ICPAM), 19-26 noiembrie 2023, Sharm El-Sheikh, Egipt
Comunicare stiintifica tip oral (abstract nr. T9-O1)

8. Bio-mediated synthesis approach for designing inorganic 3D structures based on zinc oxide and gold nanoparticles
I. Zgura*, N. Preda*, M. Socol*, A. Costas*, M.E. Barbinta-Patrascu, A. Evanghelidis*, M. Enculescu*
15th International Conference on Physics of Advanced Materials (ICPAM), 19-26 noiembrie 2023, Sharm El-Sheikh, Egipt
Comunicare stiintifica tip oral (abstract nr. T5-SO1)

9. Hybrids of organic conjugated systems and inorganic semiconducting nanostructures for electronic devices
M. Socol*, N. Preda*, A. Costas*, G. Petre, A. Stanculescu, S. Iftimie, G. Popescu-Pelin, A. M. Solonaru, G. Socol
2th International Conference on Laser, Plasma and Radiation – Science and Technology (ICLPR-ST), 16-21 iunie, 2024, Delta Dunarii, Romania
Comunicare stiintifica tip poster (abstract nr. P3-10)

10. Protein-based templates mediated eco-friendly synthesis of zinc oxide fiber mats
A. Evanghelidis*, N. Preda*, M. Socol*, A. Costas*, I. Zgura*
15th International Conference on Surfaces, Coatings, and Nanostructured Materials (NANOSMAT), 7-11 julie 2024, Barcelona, Spania
Comunicare stiintifica tip oral (abstract nr. NSM129)

11. “Green” electrospinning of spider-web-like polymer-protein nets for developing metal oxide fiber networks
A. Evanghelidis*, N. Preda*, M. Socol*, A. Costas*, I. Zgura*
8th International Conference on Functional Nanomaterials and Nanodevices (NANOMAT), 25-28 august, 2024, Viena, Austria
Comunicare stiintifica tip oral (abstract nr. 019)

Cereri de brevet trimise la OSIM:

1. Procedeu de obtinere a unor retele fibroase tridimensionale formate din nanoparticule pe baza de aur si oxid de zinc utilizand bio-sabloane de tip membrana naturala extrasa din coji de ou
N. Preda*, A. Costas*, M. Socol*, I. Zgura*, A. Evanghelidis*
nr. A/00471, 2023

2. Procedeu de obtinere a unor fibre de oxizi metalici utilizand sabloane fibrilare electrofilate continand proteine de tip albumina de ou
N. Preda*, A. Evanghelidis*, A. Costas*
nr. A/00190/2024

^*membrii din echipa proiectului