Szumera Magdalena, dr hab. inż., prof. AGH

Lider: Kata Dariusz

Zespół Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych zajmuje się zróżnicowaną tematyką badawczą: - wytwarzanie i badanie właściwości tlenkowych roztworów stałych, - wytwarzanie i badanie właściwości nano- i mikrocząstek ceramicznych dla aplikacji biomedycznych, - wytwarzanie i badanie właściwości nowoczesnej ceramiki kowalencyjnej, - innowacyjne technologie kompozytów zawierających fazy ceramiczne, - wytwarzanie i charakterystyka materiałów ogniotrwałych, - wytwarzanie, charakterystyka i optymalizacja materiałów szkło-ceramicznych dla zastosowań rolniczych i środowiskowych, - wytwarzanie i badanie właściwości szkliw i angob dla przemysłu płytkowego i ceramiki sanitarnej, - wytwarzanie, optymalizacja i charakterystyka materiałów ognioochronnych.

Lider: Szumera Magdalena

Główna koncepcja projektu koncentruje się wokół dwóch kluczowych zagadnień: (1) oceny, czy proces starzenia się spoiny klejowej stosowanej w elementach konstrukcyjnych z drewna bukowego wpływa na jej właściwości fizyczne w kontekście trwałości użytkowej oraz możliwości identyfikacji uszkodzeń z wykorzystaniem metod akustycznych; (2) wykorzystania potencjału współpracy pomiędzy zespołami badawczymi i instytucjami zlokalizowanymi w Europie Środkowej, które pomimo barier administracyjnych i geograficznych mogą skutecznie uzupełniać się w zakresie wiedzy i zaplecza badawczego. Z uwagi na fakt, że adhezyjne łączenia drewna narażone są na złożone, wieloaspektowe oddziaływania – w tym obciążenia krótkotrwałe, dynamiczne oraz długoterminowe, jak również wpływ wilgoci – a do ich wytworzenia wykorzystuje się zróżnicowane materiały wejściowe, konieczne jest opracowanie kompleksowego i interdyscyplinarnego podejścia eksperymentalnego, które uwzględni te złożoności. Partnerstwo pięciu zespołów badawczych z regionu Europy Środkowej stanowi solidną podstawę do efektywnego rozwiązania zidentyfikowanych problemów badawczych i uzyskania wiarygodnych wyników. Cele projektu: Wzrost zapotrzebowania na energooszczędne, zdrowe i ekologiczne obiekty budowlane sprzyja wykorzystaniu gatunków drzew odpowiadających obecnym i przyszłym zasobom leśnym. Przewiduje się, że w przyszłości struktura leśna będzie w dużej mierze oparta na gatunkach liściastych, takich jak buk. Buk, choć powszechny, jest trudny do trwałego łączenia metodą klejenia, co stanowi istotne wyzwanie technologiczne w kontekście konstrukcji drewnianych typu WBC (wood bonding constructions). Oczekiwana trwałość i niezawodność takich konstrukcji wymaga szczegółowej wiedzy na temat właściwości adhezyjnych spoin w całym cyklu życia budynku. Proponowane badania odpowiadają na tę potrzebę, poprzez zastosowanie zaawansowanego projektu eksperymentalnego uwzględniającego procesy starzenia klejonych połączeń. Uzyskana wiedza umożliwi pełne zrozumienie i prognozowanie zachowania połączeń klejowych z drewna bukowego, a w konsekwencji – ich bezpieczne zastosowanie zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz budynków realizowanych z wykorzystaniem tego surowca.

Lider: Szumera Magdalena

W 2009 roku w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, powołane zostało Wydziałowe Laboratorium Badań Termofizycznych. Jednostka ta stanowi wyspecjalizowane zaplecze badawcze, które od momentu powstania sukcesywnie rozwija swoją działalność w zakresie kompleksowej analizy właściwości cieplnych i mechanicznych materiałów inżynierskich oraz funkcjonalnych. Laboratorium wyposażone jest w nowoczesną aparaturę umożliwiającą prowadzenie badań w kontrolowanych warunkach temperaturowych i atmosferycznych, co stanowi podstawę wiarygodnej i reprodukowalnej charakterystyki materiałowej. Zasadniczy zakres działalności Laboratorium obejmuje zastosowanie szeregu technik analizy termicznej i termomechanicznej: - Termograwimetria (TGA-DTG) – umożliwia ilościową analizę zmian masy badanych materiałów w funkcji temperatury, co pozwala na identyfikację m.in. etapów rozkładu termicznego, procesów utleniania, odwodnienia czy dekarbonatyzacji. Techniki te wykorzystywane są również do oceny czystości materiałów, identyfikacji polimorficznych przejść fazowych oraz analizy mechanizmów starzenia. - Różnicowa analiza skaningowa (DSC/DTA) – dostarcza informacji na temat przemian energetycznych zachodzących w próbce (np. przemiany fazowe, zeszklenie, krystalizacja, topnienie), pozwalając na określenie temperatury i entalpii tych zjawisk. - Analiza Dylatometryczna (DIL) – umożliwia wyznaczanie zmian wymiarowych materiałów w funkcji temperatury, co pozwala na określenie współczynników rozszerzalności cieplnej, temperatury zeszklenia, skurczu spiekania czy zachowania materiałów podczas wygrzewania. - Analiza Impulsu Laserowego (LFA – Laser Flash Analysis) – metoda umożliwiająca precyzyjne wyznaczenie współczynnika dyfuzyjności cieplnej, a w konsekwencji również przewodnictwa cieplnego materiałów litych i porowatych, co ma kluczowe znaczenie w projektowaniu materiałów izolacyjnych i przewodzących. - Dynamiczna Analiza Mechaniczna (DMA) – pozwala na wyznaczanie modułów sprężystości, stratności i tłumienia materiałów poddanych obciążeniu dynamicznemu w szerokim zakresie temperatur. Metoda ta jest szczególnie przydatna w badaniach materiałów polimerowych, kompozytowych i adhezyjnych, umożliwiając identyfikację przejść fazowych oraz relaksacji strukturalnych. - Analiza przewodnictwa cieplnego metodą impulsu cieplnego (Isomet) – wykorzystuje czujniki powierzchniowe do szybkiego i precyzyjnego pomiaru przewodnictwa cieplnego i oporu cieplnego cienkich warstw i próbek o nieregularnych kształtach. Zintegrowanie powyższych metod pomiarowych pozwala na wieloaspektową charakterystykę materiałów nieorganicznych i organicznych – zarówno w stanie surowym, jak i po ich przetworzeniu termicznym – co przekłada się na możliwość identyfikacji ich potencjału aplikacyjnego w budownictwie, elektronice, przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym czy energetyce. Wydziałowe Laboratorium Badań Termofizycznych realizuje również projekty badawcze we współpracy z przemysłem i jednostkami naukowymi, pełniąc funkcję centrum kompetencji w zakresie badań termofizycznych na poziomie krajowym i międzynarodowym.

Lider: Szumera Magdalena

Zespół FERTi3D prowadzi działalność badawczą na styku inżynierii chemicznej, inzynierii materiałowej, agrochemii oraz zrównoważonego rolnictwa. Jego głównym celem jest projektowanie i rozwój innowacyjnych materiałów nawozowych o strukturze szkło-ceramicznej, które charakteryzują się kontrolowanym uwalnianiem składników pokarmowych oraz wysoką stabilnością fizykochemiczną w warunkach środowiskowych. Punktem wyjścia dla prowadzonych prac jest wykorzystanie technologii addytywnych (3D printing), umożliwiających przestrzenne formowanie materiałów nawozowych z mas szklisto-ceramicznych. Zespół skupia się na opracowaniu zarówno składu chemicznego, jak i metod wytwarzania, które pozwalają na uzyskanie funkcjonalnych struktur dostosowanych do specyficznych potrzeb środowiska glebowego i roślinnego. Szczególne miejsce w działaniach Zespołu zajmuje dobór surowców – w tym surowców mineralnych, szklistych materiałów nawozowych czy produktów ubocznych przemysłu – które mogą pełnić rolę nośników makro- i mikroelementów. Badania prowadzone przez Zespół obejmują kompleksową charakterystykę opracowanych materiałów, ze szczególnym uwzględnieniem ich właściwości termicznych, mikrostrukturalnych, mechanicznych i aktywności chemicznej. Oceniana jest także ich efektywność nawozowa w warunkach laboratoryjnych i naturalnych, a także wpływ na jakość gleby i stan środowiska. Zespół przywiązuje dużą wagę do aspektów środowiskowych i zgodności z założeniami Europejskiego Zielonego Ładu – m.in. poprzez projektowanie nawozów o obniżonej podatności na wymywanie składników pokarmowych i minimalnym ryzyku zanieczyszczenia zasobów wodnych. Zespół FERTi3D łączy wiedzę z zakresu technologii, ceramiki, inżynierii materiałowej, agrochemii oraz modelowania właściwości materiałów. W pracach badawczych wykorzystuje także zaawansowane techniki analityczne, takie jak analiza termiczna, spektroskopia czy dyfrakcja rentgenowska. Dzięki temu możliwe jest prowadzenie kompleksowych badań zarówno o charakterze podstawowym, jak i aplikacyjnym. Wypracowane rozwiązania mają potencjał wdrożeniowy w sektorze nawozów specjalistycznych, a także w gospodarce obiegu zamkniętego, poprzez racjonalne wykorzystanie zasobów naturalnych i przemysłowych.

Lider: Szumera Magdalena

Zespół Zasobów Naturalnych i Materiałów Funkcjonalnych (ZEN-F) dla Zrównoważonego Środowiska prowadzi zaawansowane badania z obszaru inżynierii chemicznej, materiałowej oraz inżynierii środowiska, koncentrując się na projektowaniu oraz charakterystyce materiałów funkcjonalnych dedykowanych zrównoważonemu rozwojowi i poprawie jakości środowiska naturalnego. Obszary badawcze zespołu obejmują interdyscyplinarne zagadnienia z pogranicza mineralogii stosowanej, chemii materiałów i technologii inżynierskich. Jednym z filarów działalności zespołu jest analiza i ocena surowców mineralnych zarówno pochodzenia naturalnego (m.in. gliny, wapienie czy iły), jak i syntetycznego (materiały odpadowe w tym przekształcone termicznie, fosfogipsy czy stłuczka szklana). Prace te obejmują szczegółowe badania składu chemicznego, fazowego oraz właściwości fizykochemicznych tych materiałów w kontekście ich przydatności jako substratów do syntezy materiałów nowej generacji. Zespół posiada bogate doświadczenie w projektowaniu materiałów zarówno o strukturze amorficznej, amorficzno-krystalicznej, jak i krystalicznej, ze szczególnym uwzględnieniem ich aplikacji w systemach przyjaznych środowisku. Do najlepszych przykładów takich rozwiązań należą m.in.: • Szkliste nawozy mineralne, opracowywane jako innowacyjna forma bezpiecznego i kontrolowanego źródła składników pokarmowych dla roślin. Materiały te zawierają łatwo dostępne dla roślin makro- i mikroelementy, takie jak P, K, Mg, Ca, B, Zn, Fe, Co, S, a ich amorficzna struktura zapewnia selektywną rozpuszczalność indukowaną przez wydzieliny ryzosfery. Efekty prac zespołu zostały ugruntowane licznymi publikacjami naukowymi oraz patentem, potwierdzającymi oryginalność proponowanych rozwiązań technologicznych. • Ceramiczne proppanty dla zastosowań w geoinżynierii, w szczególności jako elementy zawiesin szczelinujących w procesach eksploatacji gazu łupkowego. Opracowany sposób wytwarzania oraz linia technologiczna dla tych materiałów zostały objęte krajowym i europejskim zgłoszeniem patentowym. Kluczowym aspektem opracowanego rozwiązania jest uzyskanie granulatów o wysokiej kulistości, otwartej porowatości i zoptymalizowanej mikrostrukturze, co zapewnia im pożądane właściwości mechaniczne i przepuszczalność dla medium roboczego. W badaniach prowadzonych przez zespół wykorzystywany jest kompleksowy zestaw nowoczesnych technik analitycznych, pozwalających na pełną charakterystykę materiałów i mechanizmów ich oddziaływań: • XRD – do identyfikacji faz krystalicznych oraz określenia ilościowego ich udziału z uwzględnieniem fazy amorficznej (metoda Rietvielda, metoda wzorca wewnętrznego), a także precyzyjnego określenia składu fazowego minerałów i surowców ilastych (metoda orientowanych krystalitów); • XRF – do ilościowego określania składu pierwiastkowego, w tym dla pierwiastków śladowych i metali ciężkich; • DSC, DTA, TG – do oceny reaktywności termicznej, stabilności materiałów i badania procesów przemian fazowych; • DMA, DIL, LFA – dla określania właściwości mechanicznych i cieplnych, takich jak moduł sprężystości, współczynnik rozszerzalności cieplnej czy przewodność cieplna; • XAS/XANES – wykorzystywane w badaniach walencyjnych i lokalnego otoczenia atomów pierwiastków aktywnych, szczególnie w kontekście mobilności składników nawozowych lub katalitycznych; • spektroskopia MIR – do identyfikacji grup funkcyjnych i analizy struktury wiązań chemicznych w materiałach amorficznych, amorficzno-krystalicznych oraz produktów mineralizacji; • spektroskopia Ramana – stosowana w analizie struktury molekularnej i identyfikacji specyficznych form krystalicznych, zwłaszcza w fazach tlenkowych i fosforanowych; • spektroskopia MAS NMR – do badania lokalnego otoczenia jąder atomowych w materiałach bezpostaciowych, w tym szkieł i produktów reakcji chemicznych, ze szczególnym uwzględnieniem analizy koordynacji atomów takich jak 29Si czy 31P ; • spektroskopia Mössbauera – wykorzystywana do analizy stanu utlenienia, symetrii i koordynacji jonów żelaza, szczególnie w kontekście ich funkcji strukturalnych i reaktywności chemicznej; • spektroskopia ICP-OES – do dokładnej analizy zawartości makro- i mikroelementów w materiałach stałych i roztworach, szczególnie w kontekście badań nawozów, surowców mineralnych, odpadów przemysłowych czy produktów mineralizacji. Interpretacja danych realizowana jest z wykorzystaniem wyspecjalizowanego oprogramowania badawczego (m.in. Proteus, Origin, HighScore Plus, PyMca, Athena, NETZSCH Kinetics Neo Software), umożliwiającego zarówno ilościowe odwzorowanie składu fazowego, jak i analizę kinetyki reakcji oraz wyznaczanie parametrów termodynamicznych przemian. Zespół posiada ugruntowane, wieloletnie doświadczenie w zakresie współpracy międzynarodowej oraz realizacji projektów badawczych o charakterze podstawowym, aplikacyjnym i wdrożeniowym, osadzonych w nurcie nowoczesnej inżynierii chemicznej, materiałowej oraz środowiska, mieszczących się w ramach dziedziny nauk inżynieryjno-technicznych. Efekty prowadzonych prac naukowo-badawczych są systematycznie prezentowane w recenzowanych czasopismach o wysokim współczynniku oddziaływania (Impact Factor), należących do czołówki literatury specjalistycznej w tych obszarach. Wysoka interdyscyplinarność prac oraz ich zorientowanie na rzeczywiste potrzeby środowiskowe i przemysłowe stanowią podstawowy wyróżnik działalności Zespołu.