Studentská vědecká konference

The aim of my project is to produce functional modular microrobots composed of soft responsive materials. Nowadays conventional robotics utilize mainly hard materials along with electronic components to create robots that are capable of doing a desired task. As capable as they may be on the macroscale, the complicated designs of current robots make them unsuitable for miniaturization. Recently, our research group introduced a prototype of a microrobot made entirely out of a soft, squishy material called hydrogel. This robot can perform simple tasks like pushing objects to a desired location. So far, however, for every task a specific robot design has to be made. The goal of this project is to change the paradigm one robot - one task by having universal steerable microrobots that would act as building blocks for any design. This would allow us to conveniently assemble a microrobot on sight without the need of having to design one beforehand. I have developed a method to chemically attach the robots together resembling a stitch or a weld. As a universal microrobot shape, I use circular discs to create larger structures.

Glukany jsou polysacharidy, které je možné nalézt např. v buněčných stěnách kvasinek. Vyznačují se schopností stimulovat imunitní odpověď organismu, což z nich činí potenciálně výhodný materiál pro různorodé aplikace, např. doručování léčiv. Z původních kvasinkových buněk je možné několikakrokovou extrakcí získat duté, porézní částice o velikosti 2-5 μm, jejichž stěny jsou tvořeny právě z glukanů. Přestože v literatuře je produkt tohoto postupu běžně popisován jako duté částice, naše výsledky (snímky z konfokálního mikroskopu i TEM snímky) naznačují přítomnost jádra uvnitř částic. Cílem práce je nyní získat informaci o tom, z čeho se jádro v částicích skládá (odhadujeme především proteiny) a jak opakovatelně připravovat částice tak, aby toto jádro neobsahovaly. Aby bylo možné jádro částic charakterizovat, byly částice podrobeny mletí a původní i namleté částice byly analyzovány pomocí ATR-FTIR, SEM a konfokálního mikroskopu. Získaná data ukazují, že při prvních pokusech se nepodařilo částice rozbít dostatečně, došlo pouze k deformaci částic. Bylo proto třeba optimalizovat proces mletí pro dosažení rozbití stěny částic. Informace získané analýzou jádra budou dále použity pro úpravu postupu přípravy, případně jeho přepracování tak, aby bylo možné připravit duté částice bez jádra.

Ni-Cd akumulátory se díky vysoké odolnosti proti úplnému vybití dodnes používají ve speciálních aplikacích a předpokládá se, že budou v oběhu ještě nejméně třicet let. Jejich používání je problematické z důvodů toxicity kadmia pro životní prostředí a akumulátory je po skončení životnosti nutné recyklovat s důrazem na téměř kompletní záchyt kadmia. Jednou z možností recyklace je pyrometalurgické zpracování v redukční atmosféře, při které je kadmium odváděno z retorty pece ve formě par a je shromažďováno v kondenzátoru. Zpracovaný materiál je hodnotný, neboť obsahuje velké množství cenného niklu. Tento projekt se zabývá určením podmínek pyrolýzy (času a teploty) pro dostatečné odstranění kadmia z elektrod vyrobených ze sintrovaných vláken. Analýza surových a zpracovaných elektrod se po převedení do roztoku provádí pomocí atomové absorpční spektroskopie, zatímco čistota kadmia je ověřována rentgenovou fluorescencí. Výsledky analýz poskytují informaci nejen o dostatečnosti zvolených podmínek pro odstranění kadmia ze suroviny, ale i dosažené výtěžky niklu a kadmia.

Pro dosažení co největšího kontaktu plynné a kapalné fáze při absorpcích či destilacích se jako internály kolon využívají různé druhy výplní. Každá výplň je mimo jiné charakterizována svými transportními charakteristikami, které poměrně výrazně závisí na systému, na kterém se měří. Pro přenos transportních charakteristik výplní naměřených na jednom systému na systém jiný se pro objemové koeficienty přestupu hmoty v plynné fázi (k_Ga) využívají semiempirické korelace.  Jedním z důležitých parametrů je závislost k_Ga na difuzním koeficientu plynné složky. Hodnota mocninné závislosti k_Ga na difuzním koeficientu se uvádí v literárních korelacích na 0,666. Cílem této práce bylo ověřit hodnoty mocniny difuzního koeficientu v těchto korelacích měřením na dvou systémech a jedné sypané výplni. Měření probíhala v návaznosti na bakalářskou práci na sypané výplni čtvrté generace NeXRing #0.7, tentokrát chemisorpcí NH₃ do roztoku H₂SO₄. Díky datům získaných na systému vzduch-SO₂/voda-NaOH a vzduch-NH₃/voda-H₂SO₄ je možné vyhodnotit, jak hodnoty k_Ga závisí na difuzivitě plynné složky.  Ta vychází až násobně nižší, než je běžně používáno v literárních korelacích pro výpočet k_Ga. Tento fakt by mohl zásadně ovlivnit přenositelnost hodnot k_Ga mezi systémy.  

Electrostatic charging of material surfaces during mutual friction is a well-known phenomenon. It may cause various problems in industry and everyday life as well. For example, the unpredictable charging behaviour of plastics influences the efficiency of the triboelectric separator of plastic waste. For centuries it has been thought that the surface charge polarity is affected only by the chemical structure of objects. However, recent studies show, not only the bulk properties but also the surface topography play an essential role in the mechanism of charging. In our research, we focused on the evaluation of nano-scale roughness on the resulting charge distribution on the surface of tribocharged objects. In our experiments, an Atomic Force Microscopy was used, and a whole new methodology utilizing it was developed, enabling us to measure the distribution of charge and its value. An effect of the topography was observed, as the charge was not spread equally but usually accumulated in various valleys and other lower places. Moreover, the dependence of the total value of surface charge on the pressure during friction charging was observed. Knowledge gained during this research may be used both in mathematic models that predict the charging mechanism or in the industrial sphere.  

Chování bublin ve viskózních kapalinách, např. v probublávaných kolonách či fermentorech, je často simulováno pomocí vodných roztoků glycerolu. Poznatky pak slouží k určení doby zdržení bubliny v reaktoru, popisu vlastností fázového rozhraní a nakonec k popisu transportu hmoty přes fázové rozhraní. Základem pro popis dynamiky bublin v probublávaných kolonách je studium vlivů působící na samostatnou bublinu stoupající přímo vzhůru nehybnou kapalinou. Rychlost bubliny je dána velikostí bubliny, fyzikálními vlastnostmi kapaliny, především viskozitou, a je rovněž významně ovlivněna povrchově aktivními nečistotami v roztoku. Rychlost bubliny závisí ale i na jejím tvaru. Bubliny stoupající ve viskózních roztocích zůstávají sférické a naopak v neviskózních roztocích dochází u větších bublin k deformacím. Cílem práce bylo na základě naměřených experimentálních dat o velikosti, tvaru a rychlosti bublin v různě koncentrovaných roztocích glycerolu navrhnout model pro odhad deformace bublin. Byly testovány odhady závislé na Weberově, Eötvösově a Reynoldsově bezrozměrném kritériu. Na základě výsledků byl navržen nový model využívající Weberovo kritérium. Byla vyhodnocena chybovost navrženého modelu.

Spaľovaním uhľovodíkového paliva v motoroch automobilov dochádza k nežiaducemu uvoľneniu toxických látok do ovzdušia. V snahe splnenia emisných predpisov a zredukovania množstva výfukových plynov a pevných častíc obsiahnutých vo výsledných spalinách sa používa katalytický filter. K určeniu celkovej účinnosti filtra je v tejto práci využité viacúrovňové modelovanie založené na dátach z röntgenovej mikrotomografie (XRT). Výsledné 2D rezy získané z XRT boli podrobené dvom typom segmentácií – Klasická a Weka segmentácia. Výsledné segmentované obrázky (viď Obr. 1a) boli použité v 3D modeli toku v stene filtra (viď Obr. 1b) s cieľom získania údajov o tlakovej strate. Z priemernej hodnoty tlakovej straty sa vypočíta permeabilita steny filtra, ktorá sa dosadí ako vstupný parameter do 1D modelu kanálika. Výsledkom tohto viacúrovňového modelu je  závislosť tlakovej straty celého zariadenia na prietoku (viď Obr. 1c), ktorá je priamo porovnateľná s experimentálnymi dátami. Cieľom tejto práce bolo vyhodnotenie vplyvu segmentačných techník na výslednú tlakovú stratu, ich porovnanie s hodnotami experimentov a zhodnotenie perspektívy jednotlivých segmentácií k ďalšiemu využitiu.

Konvenční metody podání léčiv nejsou vhodné pro všechny látky, jelikož při transportu krevním oběhem může dojít k působení těchto léčiv i na zdravé tkáně. Z tohoto důvodu je vhodné pro léčiva využít nosiče. Těmi jsou například liposomy, sférické vezikuly, které jsou nejčastěji uměle připravovány z fosfolipidů. Jejich velkou výhodou je zabránění předčasnému a umožnění řízeného uvolnění léčiva. Liposomy se ve farmacii již používají, ale pouze asi pro 20 léčiv. Jedním z důvodů je zapouzdření jen velmi malých koncentrací. Možný způsob, jak vylepšit vlastnosti liposomů a rozšířit možnosti jejich použití, je využití porézních nanočástic oxidu křemičitého. Tyto částice umožní adsorbování většího množství léčiva a následným zapouzdřením do liposomů zabrání předčasnému úniku léčiva. Tato práce se zabývá optimalizací přípravy těchto nanokompozitů LCSNs (lipid-coated silica nanoclusters). Dále přípravou LCSNs s modelovými látkami (hydrofilního i hydrofobního charakteru) a následným určením množství vyloučených modelových látek z LCSNs. Pro hydrofobní modelovou látku se podařilo zapouzdřit mnohonásobně větší množství než do liposomů, které se již ve farmacii používají. Poté byla do LCSNs úspěšně zapouzdřena i  zvolená účinná látka a její přítomnost byla identifikována bakteriálními testy.

Cílem práce je experimentální studium procesu elektrodialýzy v zařízeních vyrobených pomocí mikrofluidních technologií. Tato zařízení umožňují například rekonstruovat prostorové profily veličin, které hrají důležitou roli v daném separačním procesu. V této práci se zaměřujeme na ověření koncentračních polí ustavujících se v diluátovém kanálku při aplikaci různých proudových hustot. Během prvotních studií zaměřených na koncentrační profily podél diluátového kanálku (1D profily) bylo zjištěno, že naměřená data nesplňují celkovou materiálovou bilanci systému, a predikují odsolení vyšší než 100 %. Abychom vysvětlili příčinu tohoto pozorování, sestavili jsme nové modifikované elektrodialyzní zařízení umožňující studium koncentračních profilů ve více rozměrech (3D). Naměřené koncentrační profily ve 3D jasně ukázaly skutečnost, že se koncentrace iontových složek roztoku mění významně nejen podél kanálku, ale také ve směru gravitačního pole. Koncentrace u dna odsolovacího kanálku byla za některých podmínek až třikrát vyšší než u horní stěny kanálku. Rozdíl v hustotě roztoku dává možnost vzniku volné konvekce, která přispívá k přenosu iontů především v nadlimitní oblasti.