Studentské fakultní granty a samostatná laboratorní práce

Jednou z možností, jak si studenti a studentky prvních ročníků bakalářského studia mohou vyzkoušet a „osahat“ vědeckou práci na naší katedře, jsou tzv. studentské fakultní granty (SFG).  Během těchto studentských projektů se jejich řešitelé seznámí jak s problematikou řešenou na KMF, tak i s různými pokročilými depozičními a charakterizačními technikami, popřípadě s metodami teoretické fyziky. Mimoto, při úspěšném dokončení studentského projektu student/ka získává i finanční odměnu

Studenti se mohou buď přihlásit na vypsané studentské fakultní granty, či se domluvit s některým z našich pracovníků na vypsání nového projektu dle vzájemné dohody. V případě zájmu kontaktujte vedoucí již vypsaných projektů, nebo si s námi domluvte schůzku (kmf@kmf.troja.mff.cuni.cz), rádi Vás seznámíme s řešenou problematikou, experimentálním vybavením i dalšími možnými tématy. Pro ty, kteří si netroufají na vlastní projekt, nabízíme i možnost zapsat si předměty Samostatná laboratorní práce nebo Samostatná teoretická práce, kdy studenti pod vedením pedagoga řeší zadaný dílčí experimentální či teoretický úkol.

Přehled aktuálně vypsaných SFG grantů si můžete stáhnout zde.

Detailní představení projektů

Charakterizace nanočástic připravovaných pomocí plynového agregačního zdroje založeného na magnetronovém naprašování

Kontakt: doc. Ondřej Kylián

Jednou z možností fyzikální přípravy nanočástic představují  plynové  agregační zdroje, které jsou vyvíjeny na naší katedře. Na rozdíl od jiných technik tyto zdroje umožňují přípravu velmi čistých nanočástic i jejich nanášení na jakýkoliv substrát kompatibilní s vysoko-vakuovými podmínkami (např. kovy, polymery, textil, biomolekuly …). Nicméně vztah mezi depozičními podmínkami a výslednou strukturou produkovaných nanočástic zůstává stále předmětem intenzivního výzkumu.

Cílem tohoto studentského projektu proto bude detailně prozkoumat pro jeden vybraný druh materiálu použitého pro přípravu nanočástic vliv depozičních podmínek na jejich výsledné fyzikálně-chemické vlastnosti (např. velikost, chemická struktura, optické či elektrické vlastnosti, teplotní stabilita…). Typ produkovaných nanočástic i jejich hlavní charakteristika studovaná v rámci tohoto projektu budou blíže specifikovány po vzájemné domluvě i s ohledem na probíhající výzkumné projekty na KMF.

Práce má experimentální charakter.  

zpět

Příprava core-shell nanočástic s Ti jádrem pomocí plynového agregačního zdroje

Vedoucí: doc. Jan Hanuš

Bimetalické nanočástice jsou v dnešní době využívány v mnoha oborech lidské činnosti. Zároveň jsou vhodnými objekty pro studium interakcí dvou různých kovů na nanoúrovni. Jedním z možných způsobů přípravy takovýchto nanočástic je využít plynový agregační zdroj nanočástic (Gas Aggregation Source – GAS) a vzniklé nanočástice následně pokrýt pomocí magnetronového naprašování druhým kovem. Tímto způsobem lze připravit např. nanočástice typu jádro@slupka (core@shell), tedy nanočástice, kde jádro nanočástice (core) je z jednoho druhu materiálu, na něj je pak nanesen jiný typ materiálu – shell.

Cílem tohoto projektu bude příprava core@shell nanočástic z Ti a Ni, přičemž hlavní úsilí bude věnováno přípravě nanočástic s Ti jádrem a Ni slupkou. Připravené nanočástice budou následně studovány pomocí pokročilých analytických technik – struktura a chemické složení pomocí skenovací elektronové mikroskopie včetně prvkové analýzy (SEM a EDX). Na připravených nanočásticích bude v rámci projektu GAČR pokračovat detailní výzkum jejich chování pomocí transmisní elektronové mikroskopie v kombinaci s indentací.

Práce má experimentální charakter.

zpět

Opracování hladkých a strukturovaných povrchů pomocí iontového děla

Vedoucí: doc. Jan Hanuš

Jedněmi z důležitých vlastností tenkých vrstev jsou jejich tloušťka a morfologie povrchu. Zatímco u nestrukturovaných tenkých vrstev je možno tloušťku většinou snadno řídit při známé depoziční rychlosti pomocí doby depozice, morfologie samotného povrchu je dána mechanismem růstu tenké vrstvy. Pro některé aplikace je pak vhodné mít možnost jak tloušťku, tak morfologii připravené vrstvy jemně doladit. Jednou z možností je následné opracování povrchu pomocí plazmatu. Pokud je povrch bombardován vysokoenergetickými ionty např. Ar, dochází k jeho odprašování. Vhodným nastavením procesních parametrů lze docílit toho, že výsledný povrch je tzv. iontově vyleštěn. Iontové oprašování tak lze využít i k odstranění nežádoucích struktur na povrchu s komplexní morfologií. Jedním z příkladů takovéhoto povrchu jsou TiO2 nanotrubky vzniklé anodizací Ti vrstev.

Cílem této práce bude otestovat možnosti vyhlazení povrchu TiO2 nanotrubkové vrstvy a případná modifikace tloušťky stěn těchto nanotrubek. Vliv iontového odprašování na TiO2 hladké a strukturované vrstvy bude zkoumán pomocí mikroskopie atomových sil (AFM), spektroskopické elipsometrie a skenovací elektronové mikroskopie (SEM). Výsledky získané v rámci tohoto projektu najdou uplatnění v běžícím projektu GAČR.

Práce má experimentální charakter.

zpět

Počítačové modelování 2D či 3D růstu porézních nanočásticových vrstev

Kontakt: doc. Ondřej Kylián

Na naší katedře se zbýváme (nejen) kontrolovanou přípravou nanočásticových vrstev, které díky svým unikátním vlastnostem nacházejí uplatnění v celé řadě moderních aplikací. Jednou z výhod námi používané metody pro syntézu nanočásticových vrstev, která je založena na tzv. plynových agregačních zdrojích, je směrovost depozice. Ta umožňuje připravovat nejen vysoce porézní nanočásticové vrstvy, ale i vrstvy mající nanosloupcový character.

Cílem tohoto projektu bude navrhnout a realizovat 2D či 3D model růstu nanočásticových vrstev v závislosti na směru depozice i na velikosti a rozdělení velikostí nanočástic dopadajících na povrch substrátu. S pomocí navrženého modelu bude následně studována morfologie výsledných nanočásticových vrstev.

 Práce bude využívat počítačové modelování.

zpět

Studium dynamiky vypařování kapek

Kontakt: doc. Ondřej Kylián

Vypařování kapek ulpívajících na povrchu pevné látky je jev, který přes svou zdánlivou jednoduchost představuje jedno ze zajímavých a velice důležitých vědeckých témat, jemuž je v současné době věnována v odborné komunitě velká pozornost.  Tento zájem je dán především možností pochopit a ovlivňovat dynamiku schnutí roztoků či suspenzí obsahujících různé biomolekuly, a tím kontrolovat i výsledný tvar „depozitu“ vzniklého po úplném vypaření kapaliny. Tvar „depozitu“ je zásadní nejen pro dynamicky se rozvíjející oblast 3D tisku, ale například i pro ultracitlivou biodetekci, kdy mechanismus zasychání kapek může vést k velmi účinné prostorové separaci biomolekul dle jejich velikosti.

Cílem tohoto studentského fakultního grantu bude na modelovém případu suspenze částic o přesně definované velikosti studovat vliv koncentrace částic v suspenzi i vliv povrchových vlastností substrátů (smáčivost, drsnost) na dynamiku schnutí.

Práce bude mít experimentální charakter.

zpět

Vliv strukturních parametrů na kolaps v hydrogelech

Kontakt: doc. Lenka Hanyková


Hydrogely jsou měkké polymerní materiály obsahující značné množství vody. Některé z nich mohou s malou změnou teploty nebo jiného vnějšího stimulu opakovaně změnit svůj objem až o 2 řády. Tyto responzivní hydrogely jsou zajímavé pro své uplatnění v biotechnologii a lékařství. Mohou být využity pro řízené uvolňování léčiv, sloužit jako biokatalyzátory, opravovat poškozené chrupavky a uplatňují se i v optice (kontaktní čočky). Při změně teploty dochází ke skokové změně objemu a rozpouštědlo (voda) je vypuzeno ze struktury hydrogelu, tuto změnu nazýváme fázovým přechodem, kolapsem. Při kolapsu dochází nejen ke změně objemu, ale tento jev ovlivňuje i jiné fyzikální vlastnosti hydrogelu.

Vzhledem k širokému aplikačnímu potenciálu responzivních hydrogelů je důležité umět „ladit“ parametry kolapsu, jako např. kritickou teplotu, při které hydrogel začíná kolabovat. Parametry kolapsu lze ovlivnit při přípravě hydrogelů volbou monomeru nebo tím, jak hustě hydrogel sesíťujeme.  Další možností, jak ovlivnit vlastnosti a chování hydrogelů, je složení rozpouštědla.
 
Cílem tohoto projektu je určit vliv strukturních parametrů vybraných hydrogelů na jejich kolaps. Kromě makroskopických metod detekce kolapsu budeme jev zkoumat i z mikroskopického pohledu spektroskopií nukleární magnetické rezonance.

Práce bude mít experimentální charakter.

zpět

Studium hystereze elektrické vodivosti nanočásticových vrstev

Kontakt: Dr. Jan Prokeš

Nanočásticové vrstvy představují skupinu materiálů s velkým aplikačním potenciálem, který je dán jejich unikátními vlastnostmi. Mezi ně patří bezesporu i elektrická vodivost. Tu je možné ladit nejen chemickou strukturou jednotlivých nanočástic či jejich množstvím, ale i architekturou nanočásticových vrstev. V neposlední řadě elektrická vodivost některých nanočásticových vrstev silně závisí i na okolních podmínkách jako jsou například teplota, či složení okolní atmosféry. Tohoto je možné využít pro vývoj nových typů senzorů, či elementů elektrických obvodů schopných definovaně reagovat na okolní stimuly.

Cílem tohoto projektu bude detailně studovat závislost elektrické vodivosti různých typů kovových a oxidových tenkých nanočásticových vrstev na vnějších stimulech pomocí čtyřbodové Van der Pauwovy metody. V rámci projektu se student seznámí nejen s metodami používanými pro analýzu vodivosti nanočásticových vrstev, ale bude mít i možnost podílet se na jejich přípravě pomocí plazmových depozičních technik.

Práce bude mít experimentální charakter.

zpět

Opracování polysacharidů plazmatem za atmosférického tlaku pro zlepšení jejich rozpustnosti ve vodě

Kontakt: Dr. Daniil Nikitin

Polysacharidy jsou přírodní polymery s dlouhým řetězcem složené z monosacharidových jednotek vázaných dohromady glykosidickými vazbami. Škrob, celulóza a chitin jsou nejznámější polysacharidy. Existují však například chitosan a alginát sodný, které nejsou tak „slavné“, ale jsou široce používány ve farmacii, kosmetice a zemědělství kvůli jejich biokompatibilitě, netoxicitě a efektům podporujícím růst rostlin. Hlavním faktorem omezujícím jejich použití je jejich špatná rozpustnost ve vodě. Typicky je k rozpuštění chitosanu vyžadováno přidání malého objemu nízko koncentrované kyseliny octové. Nedávno však bylo prokázáno, že opracování chitosanu plazmatem v roztoku může podporovat tvorbu frakcí rozpustných ve vodě. Tento jev se vysvětluje degradací polymerních řetězců působením aktivních látek bez chemické transformace chitosanu.

Cílem tohoto projektu je prozkoumat vliv opracování plazmovou tryskou za atmosférického tlaku na rozpustnost chitosanu a alginátu sodného ve vodě. Výboj bude provozován v radiofrekvenčním režimu v argonu a vzduchu. Chitosan a alginát sodný budou opracovávané za sucha a dispergované v deionizované vodě. Vlastnosti polysacharidů po plazmatické modifikaci budou podrobně charakterizovány řadou metod dostupných na Katedře makromolekulární fyziky.

Práce bude mít experimentální charakter.

zpět

Studium nanostrukturovaných povlaků na bázi nanočástic oxynitridů přechodných kovů

Kontakt: Dr. Pavel Pleskunov

Nanostrukturované povlaky na bázi nanočástic oxidů a nitridů přechodných kovů jsou velice důležité v mnoha aplikačních oblastech, jako jsou například foto-elektrochemický rozklad vody, senzory pro detekci různých plynů, napěťově nezávislé paměti atd. Je zřejmé, že pro většinu těchto aplikací je nutné mít možnost ladit fyzikálně-chemické vlastnosti nanočástic, případně jejich optickou či elektrickou odezvu. Zároveň jsou takové nanomateriály vysoce citlivé na různé nečistoty způsobené použitím rozpouštědel či linkery  během jejich přípravy. Proto na naší katedře využíváme fyzikální metody přípravy nanočástic kombinující nízkotlakovou syntézu nanočástic pomocí reaktivního magnetronového rozprašování kovových terčů s kondenzací na inertním plynu. Tato metoda umožňuje nejen tvorbu nanočástic s vysokou čistotou bez použití rozpouštědel, ale poskytuje i možnost řídit nanoarchitekturu a optické/elektrické vlastnosti výsledných nanočástic.

Cílem tohoto studentského projektu bude příprava nanostrukturovaných povlaků na bázi nanočástic oxynitridů přechodných kovů (Hf, Ta atd.) s laditelnou optoelektronickou odezvou. Pozornost bude věnována studiu vlivu depozičních a plazmatických parametrů na fyzikálně-chemické vlastnosti produkovaných nanočástic (morfologie, struktura, chemické složení, optické a elektrické vlastnosti atd.). Plánováno je i zhodnocení účinnosti nanočásticových povlaků z hlediska jejich funkčnosti s ohledem na možné využití pro katalýzu či plynové senzory.

Práce bude mít experimentální charakter.

zpět

Odporové přepínání ve stříbrných nanokapalinách pro neuromorfní aplikace

Kontakt: Dr. Daniil Nikitin


Neuromorfní inženýrství je rychle se rozvíjející odvětví vědy zaměřené na vývoj nanopřístrojů, které napodobují procesy probíhající v mozku. Tato zařízení jsou schopna zpracovávat informace extrémně vysokou rychlostí s nízkou spotřebou energie. Úspěšně byla vyvinuta celá řada neuromorfních systémů, například umělé neurony a synapse založené na memristorech. Jejich koncepce je založena na periodickém vytváření a ničení vodivých kanálů mezi dvěma elektrodami, tzv. odporový spínací efekt. Nedávno bylo prokázáno, že sítě nanočástic mohou být slibnou alternativu ke konvenčním memristorům na bázi tenkých vrstev. Tradičně se však realizují v pevném stavu. Nedávno bylo zjištěno, že kovové nanokapaliny (koloidní roztoky kovových nanočástic) lze považovat za memristory v kapalném stavu.

Cílem tohoto projektu je prozkoumat odporové spínací efekty v nanokapalinách stříbro/polymer. Nanokapaliny budou připravovány pomocí depozice nanočástic z plynového agregačního zdroje do kapalného polymeru ve vakuu. Bude studován vliv koncentrace nanočástic, střední velikosti, distribuce velikostí a vlastností hostitelské kapaliny na odporové spínání.

Práce bude mít experimentální charakter.

zpět

Plazmové polymery: stavba molekulární struktury "bottom-up" nebo "top-down"?

Kontakt: Dr. Jaroslav Kousal

Klasické polymery jsou chemicky dobře definované, s omezením na maximální praktickou míru sesíťování. Pro tzv. plazmové polymery je naopak vysoká míra sesíťování typická, za cenu velké nepravidelnosti chemické struktury. Plazmatem asistovaná vakuová termální depozice tenkých vrstev kombinuje výhody obou přístupů. Díky tomu může ke tvorbě molekulární struktury látky využít princip "top-down" (z oligomerů,  velkých "stavebních bloků") i "bottom-up" ( (re)syntézu z malých molekulárních fragmentů) a plynule mezi těmito přístupy přecházet. Zejména v této přechodové oblasti je důležitá stabilita depozičních podmínek.

Cílem tohoto projektu bude nejprve nalezení vhodných parametrů pro dosažení kontinuální depozice zejména za malých výkonů v plazmatu. V této oblasti bude následně (zejména studiem složení připravených vrstev) charakterizována dynamika přechodu od fragmentace k polymeraci. Výsledky získané v rámci tohoto projektu najdou uplatnění v běžícím projektu GAČR.

Práce bude mít experimentální charakter.

zpět

Nový plynový agregační zdroj nanočástic pro biolékařské aplikace

Kontakt: Prof. Hynek Biederman

Plynové agregační zdroje nanočástic se vyvíjejí na naší katedře i na jiných pracovištích ve světě už delší dobu, ale jejich praktické uplatnění ztroskotává na reprodukovatelnosti a malé produkci nanočástic. Významný pokrok představuje plynový agregační zdroj s tubulárním (tyčovým) magnetronem. V současné verzi se v Cu těle katody nachází magnetický obvod z permanentních magnetů, který rotuje a vytváří magnetické pole ve tvaru nutném pro magnetronový mód. Studují se parametry plazmatu stejnosměrného magnetronového výboje, vliv tlaku (cca 100 Pa) a proudění pracovního plynu Ar, proudu (cca 400 V) a napětí (cca 1A) na výboji na vznik Cu nanočástic. Tyto se nanášejí na podložku ve vzorkové komoře za výstupním otvorem agregačního zdroje. Vložením trubicových segmentů z Ag plechu na Cu katodu se vytváří kompozitní terč Cu-Ag pro přípravu heterogenních nanočástic Ag/Cu (např. core@shell, Janus atd), které se studují pomocí elektronové mikroskopie, zejména SEM a TEM a i jinými technikami a dále se evaluují jejich antibakteriální vlastnosti.

Cílem práce je prozkoumat vliv příkonu do magnetronu (proud a napětí na výboji), vliv tlaku a proudu Ar na generaci nanočástic za různých magnetických polí (různých magnetických obvodů) a různé konfigurace kompozitního terče (magnetronu). První experimenty s přípravou nanočástic Zr, jeho oxidů a nitridů.

Práce bude mít experimentální charakter.

zpět

Vazebné vlastnosti a dynamika oxoporfyrinogenů

Kontakt: Mgr. Václav Březina

Oxoporfyrinogen (OxP) a jeho deriváty na sebe dokáží navázat organické molekuly, kyseliny nebo ionty. Tyto interakce vedou ke změně barvy oxoporfyrinů, proto mohou sloužit jako kolorimetrické molekulární senzory detekující s velkou citlivostí přítomnost dalších látek v roztoku. Tyto vazebné vlastnosti studujeme měřením absorpce světla (UV-vis spektroskopie) nebo nukleární magnetické rezonance (NMR spektroskopie). V systémech OxP+kyselina probíhá mnoho intermolekulárních i intramolekulárních dynamických procesů, které lze studovat pomocí speciálních NMR technik. Kvantitativní popis vazebných i dynamických procesů vyžaduje vytváření modelů kompatibilních s naměřenými daty.

Cílem tohoto studentského projektu je prozkoumat vybrané vazebné či dynamické vlastnosti některého derivátu oxoporfyrinogenu. Student se seznámí se základními spektroskopickými metodami chemické fyziky a biofyziky a způsobem popisu molekulárních interakcí.

Práce může zahrnovat experimenty, jejich analýzu či vytváření modelů podle domluvy.

zpět

Metoda konečných prvků – modelování vztahu napětí a deformace v bobtnajících gelech s omezeními

Kontakt: Ján Šomvársky

Metoda konečných prvků (MKP) je numerická metoda na přibližné řešení parciálních diferenciálních rovnic (PDR) s okrajovými podmínkami. Na PDR vede popis velmi širokého spektra fyzikálních, chemických, biologických jevů, např. v materiálových vědách, fluidní dynamice, elektromagnetismu, astrofyzice, ekonomice, finančním modelování apod.

Cílem tohoto projektu bude obeznámit se s molekulárními modely kaučukovité elasticity, termodynamikou bobtnání, se základy metody konečných prvků a s mocným nástrojem založeným na této metodě – s programem COMSOL Multiphysics®. Student vytvoří jednoduchý model dvou spojených bloků nebo core-shell z dvou různých polymerů, a bude zkoumat chování při bobtnání a mechanickém zatížení.

Práce bude využívat počítačové modelování.

zpět

Modelování struktury polymerních sítí vystavěných z prekurzorů

Kontakt: Ján Šomvársky

V poslední době jsou čím dál víc žádané polymerní materiály vybudované z prekurzorů – z předem připravených molekul se specifickou strukturou a vlastnostmi – kvůli výrazně lepším možnostem dosáhnout požadované výsledné vlastnosti. Pražská škola a naše pracoviště je unikátní v teoretickém popisu a modelování vývoje struktury, zejména u složitějších systémů, jakými jsou sítě vystavěné z prekurzorů.

Cílem tohoto projektu bude vyladit a využít programy vytvořené na pracovišti, nebo vypracovat vlastní jednodušší program na výpočet jediného, a to nejzákladnějšího parametru – koncentrace elasticky aktivních řetězců – a srovnat výsledky s uvážením a bez uvážení vlastní struktury prekurzoru.

Práce má teoretický charakter a bude využívat počítačové modelování.

zpět

Příklady SFG, které byly řešeny v nedávné době na naší katedře:

  • Studium porfyrinů pomocí nukleární magnetické rezonance
  • NMR relaxační experimenty v hydrogelech
  • Teplotně citlivé hydrogely
  • Software pro vyhodnocení testů studijních předpokladů z matematiky
  • Studium teplotně citlivých molekul pomocí nukleární magnetické rezonance
  • Produkce entropie v regularizovaném RR obvodu
  • Produkce entropie při podtlumené difuzi v externím potenciálu
  • Morfologie polymerních ostrůvků deponovaných z plynné fáze na substráty z plazmových polymerů
  • Struktura tenkých kompozitních vrstev na bázi Ag nanočástic a plazmového polymeru
  • Výkon a účinnost molekulárních strojů poháněných informací
  • Molekulární stroje poháněné informací
  • Studium termoresponzivních látek pomocí spektroskopie nukleární magnetické rezonance
  • Studium vypařování kapek z povrchů o různé smáčivosti
  • Příprava kovových nanoklastrů a studium jejich stability
  • Příprava kovových nanoklastrů pomocí plynového agregačního zdroje
  • Příprava a modifikace kovových nanočástic pomocí plazmových metod
  • Příprava antibakteriálních vrstev
  • Konstrukce aparatury pro měření výstupní práce v organických polovodičích
  • Plazmové opracování povrchů obsahujících nanočástice
  • Příprava gradientních povrchů
  • Příprava vrstev plazmových polymerů s kontrolovatelnou nanodrsností
  • Regulace stability biodegradabilních polymerů
  • Automatizace experimentu v plazmatické depoziční laboratoři