Οι καλύτεροι φοιτητές και φοιτήτριες των ποιο διακεκριμένων πανεπιστημίων των ΗΠΑ εκπαιδεύονται στη χρήση νανοτεχνολογίας για τη σύνθεση νέων ηλεκτροδίων και βιοϋλικών επόμενης γενιάς, στο πλαίσιο του πρωτοποριακού προγράμματος NSF Advanced Study Institute (ASI) που υλοποιείται από το Εργαστήριο Τεχνικής Μηχανικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο της Φλόριντα. Η χρηματοδότηση προέρχεται από το Εθνικό Ίδρυμα Ερευνών των ΗΠΑ, με σκοπό να αποκτήσουν οι μεταπτυχιακοί και διδακτορικοί φοιτητές (υπήκοοι των Η.Π.Α.) νέες διεπιστημονικές εμπειρίες σε καινοτόμα επιστημονικά θέματα, σε εργαστήρια του εξωτερικού, από διακεκριμένους μέντορες.

Το πρώτο Ινστιτούτο Προηγμένων Σπουδών πραγματοποιήθηκε τον Ιούλιο του ‘22 και λόγω της επιτυχίας του εγκρίθηκε να συνεχιστεί και τα επόμενα καλοκαίρια του ‘23 και ‘24. Το επιστημονικό θέμα των Ινστιτούτων είναι να διδαχτούν οι φοιτητές μεθόδους που θα τους βοηθήσουν να παρασκευάσουν με τη χρήση νανοτεχνολογίας νέα και πιο αποδοτικά ηλεκτρόδια μπαταριών καθώς και πιο βιοσυμβατά για τον ανθρώπινο οργανισμό βιοϋλικά. Η συνεργασία προήλθε ύστερα από πρόταση της Κατερίνας Αϋφαντή, καθηγήτριας στο Πανεπιστήμιο της Φλόριντα που επέλεξε το εργαστήριο Τεχνικής Μηχανικής για συν-διοργανωτή, λόγω της μακράς συνεργασίας της με τον διευθυντή του εργαστηρίου καθ. Αβραάμ Κωνσταντινίδη και του σύγχρονου εξοπλισμού που διαθέτει το εργαστήριο.

Απόκτηση νέας γνώσης στα νανοϋλικά

Η κ. Αϋφαντή περιγράφει στη «ΜτΚ» πως σκοπός των Ινστιτούτων είναι να διδαχθούν οι φοιτητές πως μπορεί να χρησιμοποιηθεί η τεχνογνωσία που έχει αναπτυχθεί από τους μέντορες του Ινστιτούτου (καθηγητές K. Aifantis, Α. Κωνσταντινίδης και ομότιμος καθ. Αϋφαντής) για την παρασκευή νέων υλικών. «Οι φοιτητές που συμμετέχουν προέρχονται από κορυφαία πανεπιστήμια (MIT, Columbia, Boston Univ. New York Univ., Tufts,Univ. of Pennsylvania, Univ. of Texas-Austin, Univ. of Colorado-Boulder, Univ. Miami, Dartmouth College, New York Univ.), αλλά ειδικεύονται συνήθως σε μία συγκεκριμένη πειραματική τεχνική. Στο Ινστιτούτο ανοίγονται οι ορίζοντες τους, καθώς διδάσκονται νέες θεωρίες που έχουν αναπτυχθεί παγκοσμίως από τον ιδρυτή του εργαστηρίου, ομότιμο καθ. Η.Χ. Αυφαντή, και τις οποίες εφαρμόζουν στη μελέτη νανοϋλικών, μπαταριών και βιοϋλικών. Επομένως οι φοιτητές μαθαίνουν πως θεωρία και πείραμα συμβαδίζουν και αλληλοσυμπληρώνονται. Επίσης κάθε έτος συμμετέχουν και ομιλητές από άλλους τομείς που μιλούν για θέματα στο πεδίο τους, που χρειάζονται τη συνεισφορά της νανοτεχνολογίας. Φέτος με τη συμμετοχή του ομότιμου καθ. Ιατρικής ΑΠΘ Χ. Ζαμπούλη και του καθ. Καρδιολογίας του ΑΠΘ Β. Βασιλικού οι φοιτητές έμαθαν για την τοποθέτηση του βηματοδότη και πως χρειάζεται να βελτιωθούν οι μπαταρίες που τον τροφοδοτούν, ενώ από τον καθ. Ν. Παπαδογιάννη (Ελληνικό Μεσογειακό Παν/μιο) έμαθαν για νέες πρωτοπόρες τεχνικές λέιζερ στη μελέτη των νανοϋλικών. Πέρυσι, μεταξύ άλλων, είχε συμμετάσχει ο Dr. H. Deng, αντιπρόεδρος της Eve Energy, μία από τις μεγαλύτερες εταιρείας παραγωγής μπαταριών λιθίου της Κίνας, και μίλησε για τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Λόγω του περιορισμένου χρόνου των 10-15 ημερών που διαρκούν τα Ινστιτούτα, σκοπός τους δεν είναι η παραγωγή νέων υλικών κατά τη διάρκειά τους, αλλά η απόκτηση νέας γνώσης».

Παρασκευή μπαταριών λιθίου με στερεό ηλεκτρολύτη

Το Εργαστήριο ήταν το πρώτο που δραστηριοποιήθηκε στη νανομηχανική καθώς ο ιδρυτής του, ομότιμος καθηγητής Η.Χ. Αϋφαντής, ήταν πρωτοπόρος στη δημιουργία θεωριών που μπορούσαν να εξηγήσουν τις ιδιότητες των νανοϋλικών. «Ο καθ. Α. Κωνσταντινίδης ως από τους πρώτους διδακτορικούς απόφοιτους του εργαστηρίου, βοήθησε να δημιουργηθεί το εργαστήριο και συνεχίζει την παράδοση της θεωρητικής μελέτης νανοϋλικών, την οποία κι επέκτεινε με πιο έντονη πειραματική δραστηριότητα. Από τα πιο ενδιαφέροντα πρόσφατα αποτελέσματα είναι αυτά που παρήγαμε μαζί με τον κ. Κωνσταντινίδη για νανοδομημένα ηλεκτρόδια που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μπαταρίες νατρίου, οι οποίες είναι πιο φιλικές για το περιβάλλον από εκείνες του λιθίου. Επιπλέον μαζί με τους καθηγητές Η.Χ. Αϋφαντή, Α. Κωνσταντινίδη και R.V. Kumar από το Πανεπιστήμιο του Cambridge εργαζόμαστε πάνω στην παρασκευή νέων μπαταριών λιθίου με στερεό ηλεκτρολύτη», λέει η κ. Αϋφαντή μιλώντας για τις τελευταίες εξελίξεις. Από την πλευρά του ο κ. Κωνσταντινίδης συμπληρώνει πως "Στην προσπάθεια αυτή θα συμβάλλει και η προμήθεια, από κοινού με άλλα εργαστήρια του ΑΠΘ από τα «Πανεπιστήμια Αριστείας», ενός X-Ray Μικροσκοπίου για οπτική παρατήρηση μπαταριών κατά τη διάρκεια του κύκλου φόρτισής τους. Η δραστηριότητα του Εργαστηρίου στον τομέα της τεχνολογίας μπαταριών φαίνεται και από την έγκριση πρότασης του Ομότ. Καθ. Η.Χ. Αϋφαντή με τίτλο ElectroChemoMechanical (ECM) Gradient Synergy in Solid State Batteries (SSBs), η οποία πέρασε το 1ο Stage του ERC Advanced Grant 2023 Call, από το πρόγραμμα «Αιέν Αριστεύειν – Θεόδωρος Παπάζογλου» που συγχρηματοδοτείται από το Ίδρυμα Σταύρος Νιάρχος (ΙΣΝ) και το ΕΛ.ΙΔ.Ε.Κ., καθώς και υποτροφία ΙΚΥ που χρηματοδοτεί τον υποψήφιο διδάκτορα του Εργαστηρίου κ. Κ. Παρίση για εφαρμογή της θεωρίας που αναπτύσσεται στο Εργαστήριο σε μπαταρίες".

Η κ. Αϋφαντή περιγράφει πως απώτερος σκοπός είναι η δημιουργία Ερευνητικού Κέντρου που να επικεντρώνεται σε νανοϋλικά με εφαρμογές στην ιατρική και την ενέργεια. Το 2025 θα πραγματοποιηθεί το 4ο NSF Advanced Study Institute, και σκοπός είναι να βρεθούν πόροι ώστε να καλύπτονται και τα έξοδα συμμετοχής από διδακτορικούς φοιτητές και άλλων χωρών. 

Φοιτητές μιλούν για την εμπειρία τους

Από το ΜΙΤ έφτασε στο ΑΠΘ η Laura Schwendeman που μπαίνει στο 2ο έτος των διδακτορικών της σπουδών ως βοηθός έρευνας στο πρόγραμμα μεταπτυχιακών σπουδών Ph.D./Master του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών. «Με ενδιέφερε να μάθω περισσότερα για τις νανοτεχνολογίες και τις πρακτικές τεχνικές μέτρησης από την καθ. Αϋφαντή. Διαπίστωσα ότι το πρόγραμμα είχε ενδιαφέρουσες διαλέξεις για θέματα όπως οι τεχνολογίες βηματοδότη και οι κλινικές τους εφαρμογές. Το πρόγραμμα με βοήθησε να διευρύνω τις γνώσεις μου με διαλέξεις για θέματα που κυμαίνονται, από την ανάπτυξη των λέιζερ femtosecond έως την επιστήμη των υλικών πίσω από τον χαρακτηρισμό του σκυροδέματος και των κονιαμάτων της Αρχαίας Ελλάδας έως τις μη γραμμικές θεωρητικές διαλέξεις για μπαταρίες», μοιράζεται στη «ΜτΚ».

Ο Benjamin Sailors, μεταπτυχιακός φοιτητής στην Επιστήμη και τη Μηχανική Υλικών στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια λέει πως συμμετείχε φέτος στο πρόγραμμα για να έχει την ευκαιρία να μάθει για νανοϋλικά με εφαρμογές στις μπαταρίες και βιοϊατρική από τους μέντορες του προγράμματος. «Έμαθα πώς να χρησιμοποιώ εξοπλισμό όπως το συνεστιακό μικροσκόπιο και τον νανοεντυπωτή. Επίσης έμαθα πολλά για τις διαφορές ανάμεσα στα ακαδημαϊκά συστήματα των ΗΠΑ και της ΕΕ. Το εργαστήριο Τεχνικής Μηχανικής διέθετε εξοπλισμό που δεν είχα χρησιμοποιήσει πριν και ήταν πολύ ενδιαφέρον να δω όλους τους διαφορετικούς τρόπους με τους οποίους μπορούν να διερευνηθούν τα χαρακτηριστικά του υλικού».

Από το Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν, ο Scott Burlison διανύει φέτος το 4 έτος του διδακτορικού του στους Μηχανολόγους Μηχανικούς και συμμετείχε στο θερινό πρόγραμμα του ΑΠΘ το ’23. «Πάντα με ενδιέφερε να μάθω για διαφορετικούς τομείς της επιστήμης και της μηχανικής των υλικών, οπότε αυτό το πρόγραμμα φαινόταν σαν μια εξαιρετική ευκαιρία να μάθω για άλλα ερευνητικά πεδία, συμπεριλαμβανομένης της νανοτεχνολογίας και των βιοϋλικών. Ήταν πολύτιμο να μάθω για τη νανοεντύπωση και πώς μια τέτοια μέθοδος θα μπορούσε να εφαρμοστεί στις δικές μου ερευνητικές μελέτες κατά τη διάρκεια του διδακτορικού μου. Θα ήθελα να κάνω μεταδιδακτορικό στο εργαστήριο του ΑΠΘ».

Δευτεροετής φοιτητής μεταπτυχιακού Μηχανολόγου Μηχανικού στο Columbia, ο Bruno Rergis παρακολούθησε το πρόγραμμα το ’24. Λέει πως επέλεξε να υποβάλει αίτηση λόγω του πάθους του για την τεχνολογία μπαταριών. «Η έρευνα που παρουσιάστηκε κατά τη διάρκεια του προγράμματος ήταν συναρπαστική και έφερε νέα ζωή στο ενδιαφέρον μου για την επιστήμη των υλικών. Καθώς δεν είμαι πειραματιστής όσον αφορά την επιστήμη των υλικών, ήταν ενδιαφέρον να μάθω για τις διαφορετικές τεχνικές χαρακτηρισμού που χρησιμοποιούνται», καταλήγει.

*Δημοσιεύθηκε στη "ΜτΚ" και στο ένθετο "Παιδεία" στις 7-8.09.2024