Infrastrukturna dejavnost Univerze v Mariboru
Šifra | I0-0029
Naziv programa | INFRASTRUKTURNA DEJAVNOST UNIVERZE V MARIBORU
Nosilki programa | izr. prof. dr. Rebeka Rudolf in doc. dr. Manja Kurečič
Raziskovalni program financira Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije
| Spletna stran/povezava | https://www.um.si/projekti/raziskovanje/raziskovalni-projekti/Documents/IP%20OPIS%20SLO.pdf |
| Trajanje programa | 1. 1. 2009 do 31. 12. 2021 |
| Obseg financiranja | 6 FTE/leto (cenovna kategorija A) |
| Nosilki programa na FS UM | izr. prof. dr. Rebeka Rudolf (UCEM) doc. dr. Manja Kurečič (CORE@UM) |
Koordinator programa | Univerza v Mariboru |
| Sodelujoče RO | spletna povezava SICRIS |
| Sestava programske skupine | spletna povezava SICRIS |
Povzetek programa:
UCEM - UNIVERZITETNI CENTER ZA ELEKTRONSKO MIKROSKOPIJO:
Univerzitetni center za elektronsko mikroskopijo – UCEM je bil kot prvi infrastrukturni raziskovalni center na Univerzi v Mariboru ustanovljen s sklepom univerzitetnega senata dne 1. 8. 2005. Ustanovljen je bil z namenom združevanja znanj in izkušenj o elektronski mikroskopiji ter za čim bolj kvalitetno raziskovalno delo in čim večjo izkoriščenost velike raziskovalne opreme, ki smo jo v ta namen združili. Temeljni cilj UCEM-a je omogočiti čim večjo dostopnost do raziskovalne opreme vsem učiteljem, študentom in raziskovalcem na Univerzi v Mariboru, drugim raziskovalnim institucijam ter tudi gospodarstvu v vzhodni regiji Slovenije. Načrtovanje raziskovalnega dela je povezano s pridobljenimi raziskovalnimi projekti in programi, kjer uvajamo nove načine in metode raziskovanja.
V okviru UCEM-a sta dva mikroskopa – HRSEM Sirion z mikrokemičnim EDS analizatorjem in ESEM Quanta 3D.
- Elektronski mikroskop Sirion 400 NC je visoko ločljivi vrstični elektronski mikroskop s poljsko emisijo elektronov, ki omogoča izredno velike povečave (do milijon krat in visoko ločljivost 1 nm). Značilnost naše raziskovalne opreme je, da je primerna tako za inženirske materiale kot za biološke vzorce.
- Quanta 3D je okoljski vrstični elektronski mikroskop z volframovo katodo kot izvorom elektronov (nastanek elektronskega curka s toplotno emisijo). Mikroskop ima ime "okoljski" zato, ker omogoča delo pri različnih tlakih in pri 100 % vlažnosti. Z nastavitvijo tlaka v komori dobimo pogoje za opazovaje različnih vzorcev. Mikroskopiranje v ESEM-načinu je tako primerno ne samo za prevodne materiale, kot so kovine in s kovino napršeni materiali, ampak tudi za vlažne, hlapljive in mehke materiale brez predhodne priprave, kar je posebno pomembno za prehrambno in kemično industrijo.
Druga posebnost te opreme je fokusiran ionski snop FIB SEM (ionska puška na SEM Quanta mikroskopu), ki omogoča ne samo SEM opazovanje površine, ampak tudi obdelavo površine ter analizo mikrostrukture pod površino.
Izvajamo postopke optimalne priprave vzorcev za elektronsko mikroskopijo ter preiskav, pregleda in klasifikacije nanodelcev kovinskih spojin. Prav tako pregledujemo in sodelujemo pri klasifikaciji spojin "redkih zemelj" s kobaltom, ki so osnova za izdelavo močnih magnetov.
Zadnjih nekaj let redno potekajo preiskave in kontrolni pregledi zlitin žlahtnih kovin, ki se uporabljajo v industriji nakita, zobne protetike in industrije.
Raziskujemo razvoj novih metod odkrivanja nanodelcev: Način metalografske priprave vzorcev običajno vsebuje glavne korake kot so brušenje, poliranje jedkanje. Postopki so predpisani v strokovni literaturi, postopki jedkanje tudi s standardom ASTM E407. Uporabljajo se tako za znanstveno raziskovanje kot za kontrolo kakovosti v podjetjih. Z visokoločljivo elektronsko vrstično mikroskopijo (ločljivost 1 nm) je bilo ugotovljeno, da taki standardni postopki poškodujejo mikrostrukturne sestavine in vplivajo na zanesljivost rezultatov. Pogosto pride do popolne raztopitve nanodelcev. Raziskovalno delo v letu 2020 bo zajemalo razvoj novega jedkalnega sredstva, postopkov jedkanja in mikroskopiranja. Jedkalo bo sestavljen iz sestavin, ki ne bodo strupene ali hlapne in jih standard ne zajema. Metoda bo omogočala odkrivanje mikrostrukturnih sestavin predvsem nanodelcev v aluminijevih zlitin 6062, 6082, AlSi7Mg in druge, ki vsebujejo nanodelce, izločke, disperzoide, nastale med litjem ali toplotno obdelavo.
Raziskovalno delo na področju uporabe metod za karakterizacijo plasti: pozornost bo posvečena analizam tankih plasti na kovinskih materialih in tudi na bioloških vzorcih. Eno od pomembnih orodij je mikroskop s FIB, ki omogoča karakterizacijo površinskih plasti in karakterizacijo napak prečno na površino. Metoda bo uporabljena za analizo navarjenih plasti nikljeve zlitine na orodja, raziskavo razpok, plinske poroznosti in vključkov v plasti. Bolj zahtevna bo SEM/FIB/EDS analiza tankih plasti, ki nastanejo med korozijskim preskušanjem z vključevanjem površinskih analiznih metod kot so XPS in TOF-SIMS s sodelovanjem drugih raziskovalnih inštitucij.
Na področju bioloških vzorcev bo nudena podpora raziskovanju semen, ki so obdelani z ekološkimi sredstvi. Poseben izziv bo analiza večslojnih, tankih nanosov, ki nastanejo med obdelavo, ki so temperaturno občutljivi in električno neprevodni, z okoljsko vrstično elektronsko mikroskopijo (ESEM) – raziskovali bomo debelino, obliko prekrivnosti, ki pomembno vplivajo na zaščito semen.
Multikomponentni kompoziti z vgrajenimi nanodelci zlata
V letu 2020 in tudi v prihodnosti bomo z mikroskopom Quanta preiskovali multikomponentne kompozite v okviru projekta Eureka PRO-NANO z vgrajenimi nanodelci zlata. Opazovali in določevali bomo porazdelitev nanodelcev zlata v polimerni matrici.
Slika 1: Prikaz multikomponentnega kompozita z vgrajenimi nanodelci zlata (kompozit je bil pripravljen s klasično toplotno polimerizacijo, pri tem je bila za monomer uporabljena akrilna kislina z iniciatorjem-KPS, nanodelci zlata so bili sintetizirani iz Au-kloridnega prekurzorja).
Testiranje korozijske odpornosti različnih materialov za uporabo v pomorstvu
V sodelovanju s Pomorsko fakulteto Kotor iz Univerze v Črni Gori smo in še bomo raziskovali vpliv morske vode na proces korozije pri različnih kovinskih vzorcih iz treh lokacij: na morskem dnu, na morski gladini (plima/oseka), ter v oddaljenosti 3 m od morja v odvisnosti od časa trajanja izpostavljenosti: 6, 12, 18 in 24 mesecev. Na UCEM je bila v letu 2019 opravljena preliminarna analiza procesa korozije zunanje površine vzorcev s pomočjo svetlobnega mikroskopa, SEM mikroskopije v kombinaciji z EDX analizo in FIB tehniko.
Slika 2: Prikaz izvedbe preiskave vzorcev po korozijskem testiranju – vpliv morske vode
Razvoj izdelave nanostrukturnih kompozitov, Fe‐Au jedro‐lupina, za različne aplikacije
V sodelovanju z Inštitutom za recikliranje in metalurške procese IME, RWTH Aachen Nemčija smo nadaljevali z raziskavami na nanomaterialih z USP sintezo. Za ta namen smo pristopili k izdelavi nanodelcev Fe‐Au jedro‐lupina, oziroma k razvoju izdelave nanostrukturnih kompozitov. Karakterizacija nanodelcev je ključnega pomena za določitev lastnosti in za pridobitev informacij o potrebnih korekcijah parametrov USP sinteze. Cilj raziskave je bil tako določitev mikrostrukture nanodelcev in izdelava delcev jedro‐lupina z bolj kontinuirano plastjo Au. Pri tem smo se osredotočali na uporabo STEM (Scanning Transmission Electron Microscopy) detektorja na mikroskopu FEI Quanta 200 3D, ki omogoča opazovanje značilnosti na nanometrskem nivoju, ter SEM/FIB metode za karakterizacijo nanodelcev po volumnu.
Slika 3: Razvoj izdelave delcev Fe, prekritih z nanodelci Au. Optimizacija proizvodnih parametrov je omogočila izdelavo delcev Fe z bolj enotnim pokrivanjem Au nanodelcev.
Raziskovalna podpora
Nadaljuje se izvajanje infrastrukturne podpore uporabnikom, študentom dodiplomskega in podiplomskega študija, raziskovalcem na UM, UL in drugim raziskovalnim organizacijam ter podjetjem pri raziskavah na področju inženirskih materialov ter bioloških in medicinskih vzorcev.
Slika 4: SEM karakterizacija cvetnega prahu.
Slika 5: SEM karakterizacija nanodelcev zlata in analiza porazdelitve njihove velikosti.
Slika 6: SEM karakterizacija mikro- in nanodelcev Y2O3:Eu/Ag, namenjenih za različne aplikacije z izkoriščanjem njihove izjemne fotoluminiscence.
CORE@UM – CENTER ZA ODPRTE INOVACIJE IN RAZISKAVE UNIVERZE V MARIBORU
CORE@UM učinkovito povezuje raziskovalce in opremo petih fakultet Univerze v Mariboru. Z obsežnim naborom vrhunske opreme nudi tehnološko-razvojno podporo industrijskim partnerjem in partnerskim institucijam na področju razvoja in uporabe novih materialov in tehnologij, modeliranja in analiz kompleksnih bio-medicinskih sistemov, komunikacijskih tehnologij in modeliranja finančnih sistemov za postavljanje učinkovitih napovednih modelov za oceno finančnih posledic izbranih rešitev še pred njihovo vpeljavo v prakso.
Podporna oprema IP CORE@UM vsebuje naslednje vrhunske analizne aparate: i) kapljični tiskalnik (Fujifilm Dimatix) za izdelavo velikega spektra dvodimenzionalnih struktur na izbrano podlago; ii) SWAXS modularni rentgenski sistem za analizo trdnih snovi, makro molekularnih raztopin in tankih filmov, prednostno namenjen analizi parametrov malokotnega rentgenskega sipanja; iii) Kremenova tehnica (QCM) za neposredne informacije o procesu adsorpcije in situ oz. za karakterizacijo adsorbiranih tankih filmov (polimerov, proteinov, celic,..) na različne površine; iv) HPC CORE@UM znanstveni računalniški sistem za reševanje kompleksnih matematičnih problemov na praktično vseh znanstvenih področjih; v) sistem za analizo DNA nukleotidnega zaporedja za analizo celotnega genoma, diagnosticiranje večine znanih dednih bolezni, odkrivanje novih redkih DNA polimofizmov novih RNA transkriptov; vi) sistem za PCR v realnem času in digitalni PCR za gensko tipizacijo DNA polimorfizmov posameznega nukleotida (SNP) po metodi Taqman in profiliranje ncRNA (npr. miRNA) ter določanje somatskih mutacij pri raku; vii) sistema multifotonski konfokalni mikroskop 1 in 2 ter elektrofiziološki setup za konfokalno in elektrofiziološko merjenje sprememb membranskega potenciala, znotrajcelične koncentracije kalcija in eksocitoze; viii) »Hlevček za laboratorijske živali«, ki omogoča kvalitetno bivanje nespremenjenih in transgenskih modelnih organizmov v skladu z najsodobnejšimi zahtevami za dobrobit živali ter je kot edini tovrstni v tem delu države ključen za izvajanje raziskav na tkivu zdravih in modelnih živali; ix) večspektralni pretočni citometer za določanje odzivov zelo velikega števila celic na fiziološke in patofiziološke stimuluse kakor tudi karakterizacijo celičnih tipov; x) računalniška gruča za prenašanje in obdelavo izredno velikih količin podatkov (»Big Data«) na daljavo; xi) večnamenska varilna postaja FFS-2000 za ponovljivo in stabilno varjenje na osnovi volframovega filamenta v Ar atmosferi; xii) sistem SC 450 za nanašanja tankih raznovrstnih plasti, vključno z možnostjo hkratnega nanašanja dveh različnih materialov v določenem razmerju ter z možnostjo nanosa na hladno ali segreto podlago/substrat ali druge objekte; xiii) elektronski mikroskop (Philips XL 30) za strukturno/morfološko preiskovanje mikro vzorcev in materialov; xiv) preparativni superkritični kromatograf za raziskave frakcioniranja.
HPC CORE@UM
Računalniška gruča HPC CORE@UM je namenjena za izvajanje zahtevnih znanstvenih računalniških simulacij. Nameščena programska oprema omogoča izvajanje zahtevnih nelinearnih simulacij obnašanja trdin in tekočin, biomolekularne dinamike sistemov ter več-fizikalnih problemov za zelo širok spekter raziskovalnih in industrijskih problemov.
Hpc.jpgRačunalniška gruča HPC CORE@UM je sestavljena iz 15 strežniških računalniških rezin proizvajalca Hewlett Packard HP ProLiant DL380p. V vsaki rezini sta dva procesorja Intel Xeon E5-2670, ki vsebujeta vsak po osem procesorskih jeder. Računalniška gruča omogoča vzporedno delo na 240 jedrih pri čemer znaša skupna računska zmogljivost gruče 4992 GFLOPS (4992 milijard računskih operacij na sekundo). Štiri rezine vsebujejo po 512 GB, šest po 128 GB in preostalih pet rezin po 64 GB pomnilnika RAM. V vsako rezino je vgrajen hiter 400 GB SSD pomnilnik, ki opravlja funkcijo trdega diska. Strežniške rezine v gruči so med seboj povezane preko namenskega omrežnega stikala s hitrostjo 10 Gb/s. Za shranjevanje podatkov je nameščeno omrežno diskovno polje QNAP TS-879 s sedmimi trdimi diski v Raid 5 polju, ki je z gručo povezano z omrežno povezavo hitrosti 10Gb/s. Na diskovno polje je mogoče shraniti 17 TB podatkov.
Strojno opremo povezuje sistemska programska oprema Rocks 6.2 (Sidewinder), ki vsebuje Linux operacijski sistem CentOS 6.6 in koordinira učinkovito delovanje povezanih strežniških rezin v gruči. Na voljo je več programskih jezikov, kot so C++, C, Fortran, Java, Perl, Python in številne knjižnice, ki omogočajo vzporedno delovanje programske opreme. Nameščen je tudi sistem SLURM, ki omogoča razporejanje opravil glede na razpoložljive kapacitete računalniške gruče.
Računalniška gruča je namenjena za izvajanje zahtevnih znanstvenih računalniških simulacij in v ta namen je trenutno nameščena namenska programska oprema ANSYS CFX, LS-DYNA, BEMFLOW in FIJI. Program ANSYS omogoča numerične analize trdin in tekočin za zelo širok spekter industrijskih in raziskovalnih problemov. LS-DYNA je program za reševanje zahtevnih nelinearnih, tranzientnih in več-fizikalnih problemov. FIJI je program za analizo rasterskih slik. Poleg tega je računalniška gruča uporabna tudi za raziskave z uporabo lastne programske opreme, kot je BEMFLOW program za numerične simulacije tekočin.
Računalniška gruča HPC CORE@UM je instalirana v strežniškem prostoru Fakultete za strojništvo Univerze v Mariboru. Nabavljena je bila v okviru operacije z naslovom »Center za Odprte inovacije in RaziskavE Univerze v Mariboru (CORE@UM)«, pogodba št. 3330-13-500032, in predana v operativno uporabo 1. oktobra 2013.