Studentská vědecká konference

Technologie lithium-iontových baterií je v dnešní době jedna z nejzásadnějších témat moderní energetiky. Jedná se o nejrozšířenější a nejefektivnější technologie schopné účelného skladování energie a jejich aplikace jsou téměř v jakékoliv elektronice. Z tohoto důvodu je otázka jejich evoluce, vzhledem k efektivnějšímu uchovávání energie a dlouhé životnosti, ještě důležitější. Jako jeden z nejzajímavějších přístupů nové generace Li-iontových baterií je využití anodického materiálu na bázi křemíku, jelikož jeho teoretická kapacita dosahuje až 4200 mAh/g. Vzhledem k běžně využívanému grafitovému materiálu, mluvíme o teoretickém nárůstu kapacity až 10krát. Nicméně s přítomností křemíku v lithiovém systému jsou spojeny specifické parazitní jevy, které zmíněný nárůst negativně znehodnocují. Křemík typicky degraduje vlivem extrémního mechanického stresu v závislosti na neustálých objemových změnách během elektrochemického procesu. V rámci této práce je navrženo řešení zmíněného nedostatku využitím nanokrystalického křemíku, který má velký potenciál zvládat mechanický stres. Hlavní zaměření následně představuje samotná příprava a optimalizace anodického materiálu pro technologie Li-ion baterií na základě kombinace nanokrystalického křemíku, vodivého materiálu, pojiva a rozpouštědla.  

Snaha o ovlivnění určitých vlastností různých druhů semen je po světě rozšířená už desítky let. Při těchto typech experimentů se používají nejčastěji dormantní semena, která mají poměrně tlusté osemení. Tato ochranná vrstva způsobuje i dočasné zastavení či omezení fyziologických procesů uvnitř semene za cílem úspory energie až do doby, kdy budou pro semeno příznivé podmínky k uvolnění energie a počátku klíčení. K obejití tohoto stavu je používáno nízkoteplotní plazma, což je částečně ionizovaný plyn a obsahuje chemicky aktivní částice jako jsou reaktivní formy kyslíku a dusíku, UV fotony, elektrony a ionty. V našem případě je plazma generováno na aparatuře skládající se z injekční jehly, která je připojena ke kladné svorce zdroje vysokého napětí a kovového kroužku, který je připojen ke svorce záporné. Díky tomuto zapojení je vytvořen kometární výboj vycházející z jehly, procházející skrz kovový kroužek, který pomáhá směrovat aktivní částice. Pod ním je umístěn držák se semenem, které je těmito částicemi “bombardováno“. Kontakt osemení s aktivními částicemi plazmatu způsobuje jeho postupné porušování a umožnění snazšího průniku vody pod ochrannou vrstvu semena. To zahájí kaskádu reakcí vedoucích k samotnému klíčení.  

S neustálým posouváním Moorůvova zákona k jeho limitům, či dokonce jeho pokoření objevy posledních let, je realizace výpočetních simulačních úloh a experimentů v praxi stále častější. Jedním z přístupů simulace chemicko--fyzikálních vlastností látek je molekulová dynamika, které se v této práci věnuji, a to konkretně její aplikaci na jednoduché více složkové systémy, jejich regulaci a analýzu. V teoretické části se tak zaměřuji na stručné uvedení do problematiky společně s vystavěním postupů k realizaci, optimalizaci a regulaci simulace samotné. Všechny takto získané zkušenosti aplikuji v experimentální části této práce, jejíž cílem je zdokumentovat průběh vývoje simulačního programu. Každá nové část simulace byla vystavena testům a aplikacím pro ověření její funkčnosti ale i správnosti, přičemž výsledky těchto experimentů jsou uvedeny ve výsledcích této práce, kde vidíme ať už aplikace termostatů, fázová rozhraní nemísitelných kapalin či vznik membrán z amfifilních molekul. Druhou částí mé práce bylo zhotovení prostředí k provozování sérii těchto simulací, clusteru. Ten byl sestaven za využití centrálního serveru a počítačů ústavu fyziky a měřící techniky, kdy jejich dynamickou kombinací za pomoci mnou vyvanutého softwaru mi byl odemknut rozsáhlí výpočetní prostor.

Rozvoj nových technologií se dnes může zdát nezastavitelný, existují ale omezení, která brání v překračování jistých hranic. Jednou z těchto překážek je omezený rozsah fyzikálních a chemických vlastností běžných materiálů jako je elektrická vodivost, kvantový výtěžek, povrchová reaktivita a další. Jednou z cest, jak dále modifikovat tyto vlastnosti je přechod k nanostrukturním formám. Ty, díky významnému vlivu povrchu a kvantovým efektům, umožňují překračovat tuto hranici. Typickým příkladem jsou nanočástice křemíku. Křemík je díky svému hojnému zastoupení na Zemi a dobrým polovodičovým vlastnostem základem mnoha elektrických součástek a zařízení. Tyto nanočástice mají oproti makro křemíku i nové vlastnosti: vysoká efektivita generace světla, povrchová reaktivita, vázání vodíku za určitých podmínek s čímž je spojena i změna vznětlivosti. Přestože schopnost vázání vodíku je dnes významnou vlastností především pro energetiku, vysoká míra vznětlivosti je až na výjimečné případy nežádoucí. Má současná práce je tedy zaměřena na studium podmínek přípravy nanočástic křemíku s vázaným vodíkem a studiem jejich vznětlivosti. Syntéza probíhá metodou netermálního plasmatu, u které byl měněn používaný výkon a množství vodíku, kdy jejich zvyšování vedlo převážně ke snižování vznětlivosti.  

Aplikace vysokoteplotního plazmatu jsou rozšířené v průmyslu i výzkumu. Plazmatické výboje při nízkých teplotách, tzv. nízkoteplotní plazma, má obdobný potenciál aplikačního rozšíření. Díky nízké teplotě jsou schopny jemné interakce s živými organismy či povrchy, které mohou být následně chemicky či biologicky modifikovány. Cílem práce je optimalizace systému nízkoteplotního plazmatu pro generování vysokých koncentrací dusíkatých specií ve vodě a objasnění efektu variability těchto koncentrací. V lokální vzdušné atmosféře plazmatického výboje dochází ke generování dusíkatých a kyslíkatých specií (radikálů), které interagují nejen v plynné fázi, ale přechází přes fázové rozhraní s kapalinou a v jejím objemu se rozpouští, vzniká tzv. plazma aktivovaná voda. Koncentrace a typ rozpuštěných specií ve vodě závisí na podmínkách reaktivní plynné fáze systému, kterými jsou geometrie reaktoru a vlastnosti vysokonapěťového pulzního výboje. Plynná fáze byla zkoumána emisní spektroskopií výboje a složení kapalné fáze pomocí koncentračních měření důležitých látek, tj. NO₃^-, NO₂^- a H₂O₂. Výsledkem optimalizace bylo nalezení podmínek pro vysoké koncentrace NO₃^- (v řádu tisíců mg/l), bez přítomnosti reaktivního H₂O₂, které jsou vhodné pro stabilní a efektivní modifikaci křemíkových nanokrystalů.

V kriminalistické i přírodovědné praxi se běžně setkáme s ozařováním biologických vzorků UV zářením k jejich zviditelnění či studiu luminiscence, což může vést ke strukturním změnám DNA a tím i degradaci genetického materiálu obsaženého ve vzorku. Biologické vzorky jsou schopné také sami o sobě emitovat UV záření procesem luminiscence nebo přirozeně se vyskytující UV záření odrážet reflektancí. Cílem této práce tedy bylo vytvořit filtr na bázi nanočástic či fluorescenčních barviv schopných absorbovat fotony UV záření a konvertovat je do viditelné oblasti. Díky této konverzi by bylo možné tyto fotony zachytit běžnou kamerou. Prvním krokem této práce bylo optimalizovat podmínky výroby PMMA filtrů a následně připravit filtry obsahující různé druhy nanočástic, fluorescenčních barviv nebo fluorescenčních inkoustů extrahovaných z permanentních popisovačů. U všech vyrobených filtrů byly zkoumány optické vlastnosti, homogenita, luminiscence a transmitance v závislosti na vlnové délce a tloušťce filtru. Na základě provedených měření bylo vyhodnoceno, že kromě nanočástic Leda sulfide CANdot, které emitují ve viditelné oblasti minimum záření,  jsou všechny ostatní použité fluorescenční materiály vhodné na výrobu konverzních filtrů.

Projekt vznikol spoluprácou s ústavom experimentálnej medicíny Akadémie vied Českej republiky. Cieľom práce je modifikácia biomateriálov určených pre kostné implantáty. Modifikované sú tri hydroxyapatitové materiály - hydroxyapatit, kalcium deficientný hydroxyapatit a β-trikalciumfosfát. Biomateriály sú ošetrované nízkoteplotnou plazmou za atmosférického tlaku na vzduchu, alebo vo vodnom prostredí. Hlavným efektom plazmatického ošetrenia je modifikácia povrchovej štruktúry a zvýšenie zmáčavosti materiálov, čo pomáha k vyššej miere adhézie buniek zapojených v kostnej remodelácii. Vizuálne zmeny v povrchovej štruktúre sú sledované pomocou SEM analýzy a zmeny v povrchovom zložení modifikovaného materiálu sú sledované pomocou analýzy EDS. Rozdiely v zmáčavosti sú pozorované vďaka zmene kontaktného uhľu vody na modifikovanej vzorke. Nami ošetrené biomateriály ďalej putujú na ústav experimentálenej medicíny, kde sa bude overovať, či majú ošetrené vzorky pozitívny vplyv na rast buniek zapojených v kostnej remodelácií.  

Nanoroušky se staly běžnou a důležitou součástí našeho života v posledních dvou letech kvůli koronavirové pandemii. Nanomateriály v nich použité na jednu stranu zvyšují jejich účinnost proti zachyceným mikroorganismům, ale na druhou stranu, pokud by docházelo k jejich uvolnění do dýchacích cest, představovaly by zdravotní riziko. Mezi tato rizika patří například mutace DNA, poškození proteinů, produkce kyslíkových radikálu a další. Mezi nejčastěji používanými nanomateriály patří AgNO₃, TiO₂, C (CNT – carbon nanotubes), atd. V rámci této práce bylo testováno několik vybraných nanoroušek a nanorespirátorů dostupných běžně na trhu. Nejprve byly metodou SEM a EDX charakterizovány všechny vrstvy ve vzorcích z hlediska jejich struktury a prvkového složení. Vždy v jedné z nich by se měl nacházet nanomateriál. Na obrázku 1 lze vidět právě jednu z takových možných struktur. Poté byla navržena a zkonstruována jednoduchá aparatura na testování nanoroušek a nanorespirátorů z hlediska možného uvolňování (nano)materiálu. Vzorky byly změřeny při parametrech odpovídajících lidskému dechu.

Kvalita mléka stáda skotu je podstatným ukazatelem sledování zdravotního stavu zvířat i ekonomiky provozu. Pravidelně se kontroluje při tzv. kontrole užitkovosti prováděné jednou měsíčně. Při KU se zjišťuje dojivost a obsah tuku, bílkovin a laktózy a dalších. Jelikož zdravotní stav dojnice se může měnit rychleji, byla by výhoda, možnost sledovat některé parametry mléka přímo na dojírně za provozu. Při návrhu takového analyzátoru je potřeba zohlednit podmínky na dojírně, musí být dostatečně robustní, musí být z materiálů, vhodných pro styk s potravinami. Jednou z možností je využití optických metod, přičemž se využívá optických vlastností závisejících na složení mléka. V úvahu přichází nefelometrie (odražené světlo) či turbidimetrie (prošlé světlo). Intenzita prošlého, resp. odraženého světla je při experimentech zaznamenávána pomocí spektrometru s rozsahem vlnových délek od 350 do 1000 nm. Cílem experimentů je vytypovat si vlnovou délku, při které dojde k maximální absorpci či rozptylu záření vzorkem v závislosti na obsahu tuku, bílkoviny či laktózy. Pro provozní měření kvality mléka se na základě těchto experimentů navrhne vhodný zdroj záření (LED nebo polovodičový laser) a detektor (fotodioda či fototranzistor).

V rámci práce byl vytvořen Arduino systém, jehož úkolem je pomáhat s pulzní laserovou depozicí při vytváření citlivých vrstev senzorů. Jedná se o jednoduchý stavový automat se třemi stavy - výběr stavu, stav nastavování počtu pulzů a stav počítání pulzů na vstupu. Software je psán v jazyce Arduino. Hardware je Arduino UNO, mechanické relé, display (LCD/OLED) a 16-tlačítková klávesnice.  

Při rozkladu živočišné tkáně dochází ke vzniku směsí plynných látek, které spadají do kategorie VOC (Volatile Organic Compounds), tedy vysoce těkavé organické sloučeniny. Takovými sloučeninami jsou například alkoholy, aldehydy, ketony, organické kyseliny a jejich estery. V této práci se zaměřuji na analýzu vybraných látek, a to především analýzu alkoholů a aldehydů (dekanal, nonanal, butanol, pentanol a hexanol). Vybrané VOC analyzuji pomocí hmotnostní spektrometrie (plynový analyzátor Omnistar GSD 320 – rozsah do 300 amu), a následně i senzory s nanostrukturovaným povrchem. U každé látky byl proměřen její rozpad s různým nastavením ionizačního zdroje hmotnostního spektrometru. Následně byly vybrané látky o koncentracích 50 ppm proměřeny jak hmotnostním spektrometrem, tak senzorem s aktivní vrstvou tvořenou ZnO nanodráty (viz. obrázek). Účelem tohoto srovnání je porovnat parametry (mez detekce, rychlost odezvy) připravených senzorů s parametry komerčního analyzátoru s hmotnostním spektrometrem.