Teoretické studium přenosu náboje v nanostrukturách – doc. Ing. Pavel Jelínek, Ph.D.

Možnost aktivně kontrolovat přenos náboje na atomární úrovni v nanostruktur otevírá nové možnosti v oblasti nanoelektroniky. Hlubší pochopení procesů spojených s přenosem náboje na atomární úrovni vyžaduje nové postupy v oblasti teoretických simulací. Cílem práce je osvojení si teorie funkcionálu hustoty a její aplikaci na vybrané problémy přenosu náboje v nanostrukturách. Teoretické výpočty budou prováděny v úzké spolupráci s experimentálními měřeními. V rámci doktorského studia je předpokládán další vývoj počítačových simulací.
Předpokládané znalosti:

  • základní znalost kvantové mechaniky a teorie pevných látek, popř. kvantové chemie
  • znalost programovacího jazyku (Fortran, C, atd.) vítána

Chemické a fyzikální vlastnosti molekulárních nanostruktur na površích studované pomocí rastrovacích mikroskopů – doc. Ing. Pavel Jelínek, Ph.D.

Současný rozvoj rastrovacích mikroskopů pracujících v ultra-vysokém vakuu umožňuje provádět měření s vysokým rozlišením atomárních sil a tunelovacích proudů na jednotlivých atomech či molekulách na povrchu pevné látky. Možnost současného měření atomárních sil a tunelovacího proudu otvírá zcela nové možnosti pro charakterizaci jednotlivých molekul nebo molekulárních nanostruktur na povrchu pevné látky. Cílem této práce je osvojení si práce s mikroskopem atomárních sil a rastrovacím tunelovacím mikroskopem pracujícím ve vysokém vakuu. V rámci studia bude provádět měření atomární a elektronové struktury vybraných molekulárních komplexů na povrchu pevných látek s vysokým rozlišení. Hlavním cílem práce je studium vybraných chemických a fyzikálních vlastností molekulárních systémů.
Předpokládané znalosti:

  • základní znalost kvantové mechaniky a teorie pevných látek
  • znalost základních principů rastrovacích mikroskopů vítána

Studium tvorby nanočástic a jejich souborů organizovaných na povrchu či v objemu tuhé fáze – prof. RNDr. Libor Kvítek, CSc.

Současný vývoj v oblasti nanotechnologií směřuje od přípravy a využití izolovaných nanočástic k sofistikovanějším systémům organizovaných souborů nanočástic, které jsou pevně zakotveny na pevných površích ať už makroskopického tak i mikroskopického (zakřivení povrchu řádu jednotek až desítek mikrometrů) charakteru. Takové systémy vykazují unikátní fyzikálně chemické vlastnosti, nepozorovatelné u izolovaných nanočástic. Mimo zvýšené agregátní stability i chemické odolnosti nanočástic dochází v takových případech mnohdy k synergickému efektu součtu pozitivních vlastností kombinovaných systémů. Nanočástice zakotvené na povrchu tuhé fáze ovlivňují typicky její fyzikálně chemické vlastnosti (povrchová energie a s ní spojená smáčivost, korozivzdornost, biokompatibilita, odolnost proti kolonizaci mikroorganismy apod.) a naopak nanočástice samotné jsou výrazně ovlivněny přítomností tuhé fáze, na jejímž povrchu jsou zakotveny (stabilita agregátní i chemická, katalytická aktivita, optické vlastnosti apod.). V základním principu lze rozdělit metody přípravy takových souborů na dva hlavní směry, podle velikostního měřítka tuhé fáze, s níž jsou nanočástice kombinovány. V případě makroskopických objektů v měřítku 10-3 m a větších se v principu jedná o tvorbu povrchových filmů s obsahem nanočástic resp. o zapracování nanočástic přímo do objemu tuhé fáze. Pro tvorbu povrchových filmů je využívána řada fyzikálně chemických technik, v tomto případě se jedná zejména o metody typu dip-coating, spin-coating a metodu Langmuir-Blodgettové filmů. Pro zapracování nanočástic do objemu tuhé fáze lze pak využít buď přímo metodu syntézy tuhé fáze v systému obsahujícím příslušné nanočástice nebo lze nanočástice mechanicky zamíchat (kompaundace) do objemu již existující tuhé fáze (typicky se jedná o polymerní látky). V případě mikroskopických rozměrů tuhé fáze (typicky jednotky až stovky mikrometrů) se nejčastěji používají metody založené na adsorpci nanočástic na povrchu tuhé fáze ať již přímo, tak i prostřednictvím vhodných modifikátorů (polymery, povrchově aktivní látky, nízkomolekulární látky s vhodnými funkčními skupinami). Nanočástice se do systému s mikročásticemi tuhé fáze mohou přidat až po předchozí přípravě v jiném systému nebo (a to mnohdy efektivněji) přímo syntetizovat v přítomnosti mikročástic tuhé fáze.
Připravené kompozitní materiály mají, jak již bylo zmíněno, mnohdy výrazně odlišné fyzikálně chemické vlastnosti oproti výchozím systémům. Typicky dochází ke změnám povrchové energie, bioaktivity povrchů, katalytické aktivity zúčastněných systémů či ke změně optických vlastností. Tyto nové vlastnosti lze využít v řadě aplikací, jako jsou velmi špatně smáčivé či naopak velmi dobře smáčivé povrchy (průmysl nátěrových hmot včetně technologie jejich nanášení, samočistící povrchy, nezamlžující se povrchy), dále se mění interakce povrchu s živými systémy (biokompatibilní povrchy či antibakteriální povrchy pro aplikace v medicíně i běžné praxi) a rovněž dochází ke změnám katalytické aktivity původních systémů (elektrochemické aplikace, katalýza v kapalné i plynné fázi, optické senzory na bázi povrchem zesíleného Ramanova rozptylu).

Fázové přechody a možnost jejich ovlivnění za pomoci nanotechnologií – prof. RNDr. Libor Kvítek, CSc.

Fázové přechody mezi skupenskými stavy u čistých látek (fázové přechody 1. řádu) jsou jednoznačně určeny teplotou a tlakem okolí, s nímž je studovaný systém v rovnováze. Slovo rovnováha zde ovšem hraje velmi důležitou roli, protože pokud je studovaný systém mimo rovnováhu (vyvolanou například velmi rychlým ochlazováním), nedochází k fázovému přechodu za podmínek určených pro rovnovážný stav a soustava může po určitou dobu existovat v jiném skupenství, než by tomu bylo za rovnovážných podmínek (metastabilní stavy, např. voda podchlazená pod 0°C). Podobné situace lze ovšem dosáhnout i tak, že původní čistou látku smícháme s jinou látkou a vzniklá směs se pak chová z hlediska skupenského stavu odlišně od původní čisté látky (např. přídavek ethanolu do vody snižuje teplotu tuhnutí vzniklé směsi oproti čisté vodě, jak popisuje Raoultův zákon v podobě kryoskopické rovnice). Přechody mezi skupenskými stavy se ale v reálném světě řídí velmi složitými zákony, souvisejícími s problematikou tvorby nové fáze. Vznik nové fáze v objemu fáze původní vyžaduje vynaložení určité práce nutné na vytvoření fázového rozhraní – homogenní nukleace. Tato práce souvisí s již výše zmíněným vychýlením soustavy z rovnovážného stavu (u kapalin je to typicky podchlazení). Přítomností heterogenních příměsí (typicky nečistoty) v původní fázi lze ale tuto práci na vytvoření nového fázového rozhraní výrazně snížit za situace, kdy nově vznikající fáze smáčí povrch heterogenní příměsi (např. krystalizační centra). Mnohé oblasti běžné lidské praxe ovšem narážejí na limity dané ať už potřebou dodání velkého množství práce pro uskutečnění fázového přechodu (např. výroba umělého sněhu pomocí sněhových děl) nebo naopak související s příliš rychlým průběhem fázového přechodu díky přítomnosti vhodného povrchu pro vznik nové fáze (např. rosení skel v chladném počasí). Ovlivnění fázových přechodů oběma směry tak představuje důležitou oblast fyzikálně chemického výzkumu, kde mohou nalézt své uplatnění i nanotechnologie. Nanočástice díky vysokému poměru počtu povrchových atomů vůči počtu atomů v objemu částice oplývají přebytkem povrchové energie a jsou tak ideálním nástrojem pro modifikaci průběhu fázových přechodů čistých látek. I velmi malé množství hmoty rozptýlené do nanorozměrů může zásadně ovlivnit nejen technologické procesy, ale i procesy probíhající přirozeně v přírodě. Lidé už dlouho využívají rozprašování velmi malých částic AgI do atmosféry pro vyvolání deště, protože na těchto malých částicích dochází ke kondenzaci vodních par za vzniku mraků a tedy deště. Rovněž výroba umělého sněhu pomocí sněhových děl probíhá snadněji po přídavku disperze velmi malých částic do rozstřikované vody, protože na nich dochází snadněji ke tvorbě krystalků ledu oproti situaci, kdy by krystalky ledu musely vznikat homogenní nukleací. Ale existují i nepříznivé situace vyvolané člověkem v přírodě (i když neúmyslně), které zhoršují poměry v životním prostředí. Aerosoly produkované lidskou činností (doprava, průmyslové exhalace i exhalace z domácností) způsobují kondenzaci vodních par v hustě obydlených aglomeracích za tvorby velmi nízké oblačnosti, která omezuje další proudění škodlivin v ovzduší do větších vzdáleností a jejich zvýšené koncentrace se tak projevují jako zdraví škodlivý smog, což je směs mikrokapiček vody, tuhých částeček a řady toxických plynných látek produkovaných jak člověkem tak i účinkem slunečního záření na tento chemický kotel dusící zejména v zimním období mnohá světová velkoměsta.

Katalytická aktivita nanočástic kovů a jejich kompozitů pro aplikace v energetice – prof. RNDr. Libor Kvítek, CSc.

Nanomateriály na bázi kovů a jejich sloučenin oplývají řadou unikátních vlastností z pohledu řady přírodovědných oborů. Z hlediska chemie se jedná zejména o jejich katalytickou aktivitu, která je v prvé řadě spojena s vysokým poměrem mezi atomy či molekulami na povrchu částice oproti jejímu objemu. Současný vývoj v oblasti nanotechnologií pro energetické aplikace souvisí právě s touto vysokou katalytickou aktivitou nanomateriálů. Mimo výzkum směřující k vývoji nových systémů získávání energie ať již chemickou cestou (elektrochemické články) či cestou konverze sluneční energie je pozornost řady výzkumných týmů zaměřena i do oblasti uchování energie v energeticky bohatých sloučeninách. Jednu z takových reakcí, která umožňuje uchování získané energie pro pozdější použití a současně eliminuje i část nepříznivých emisí oxidu uhličitého je redukce tohoto produktu spalování fosilních paliv za vzniku řady organických sloučenin pro zpětné použití v energetice, ale i s další využitelností pro chemický průmysl či dopravu. Jedná se o reakci redukce oxidu uhličitého vodíkem za vzniku řady uhlovodíků a dalších organických sloučenin, typicky methanolu. Tato reakce, obdobná Fischer-Tropschově syntéze uhlovodíků z oxidu uhelnatého, probíhá efektivně jen s pomocí katalytických systémů na bázi kovů či jejich sloučenin (nejčastěji oxidů). Dlouhodobé zkušenosti z oblasti výzkumu katalytické aktivity kovových nanomateriálů na půdě PřF UPOL vedly v poslední době k vývoji efektivního kompozitního nanokatalyzátoru pro tuto reakci na bázi nanočástic mědi navázaných na nanostrukturovaném oxidu železitém. První testy tohoto katalyzátoru ve spolupráci s katalytickou skupinou Dr. Vajdy z Argonne National Laboratory (Chicago, USA) ukázaly vysokou aktivitu tohoto katalyzátoru vzhledem k produkci uhlovodíků. Další výzkum bude prováděn za pomoci mikroreaktoru firmy PID pro studium heterogenní katalýzy v plynných reakčních systémech s propojením s analytickým systémem na bázi GC/MS. Hlavním cílem tohoto tematického zaměření doktorské práce tak bude výzkum a vývoj katalytického systému na bázi nanočástic ušlechtilých kovů kombinovaných s nanočásticemi oxidů železa s vysokou katalytickou aktivitou pro nízkoteplotní (do cca 300 °C) hydrogenaci oxidu uhličitého za vzniku dále využitelných sloučenin nejen pro energetiku, ale i další oblasti lidské činnosti.

Nanomateriály pro biologické aplikace – doc. RNDr. Aleš Panáček, Ph.D.

Nanostrukturní materiály jsou unikátní díky specifickým fyzikálně chemickým vlastnostem, které se odráží i ve specifické interakci s živými organismy, díky čemuž nanomateriály vykazují ojedinělé biologické vlastnosti. Užitné vlastnosti nanomateriálů s biologickými vlastnostmi jsou široké a lze je využít např. v medicíně k léčbě či diagnostice onemocnění, biologicky aktivní nanomateriály mohou být uplatněny v průmyslových odvětvích či v environmentálních aplikacích pro odstranění nežádoucích biologických, především mikrobiálních, kontaminací. Typickým příkladem jsou nanočástice stříbra, které vykazují vysokou antimikrobiální aktivitu, které lze využít v léčbě mikrobiálních infekcí včetně těch, které jsou způsobeny vysoce rezistentními bakteriálními kmeny, u nichž selhává léčba pomocí klasických antibiotik. Na druhou stranu je potřeba brát zřetel na případné nežádoucí biologické účinky nanomateriálů při interakci s biologickými systémy, které se mohou vyskytovat právě díky jejich unikátním a neobvyklým biologickým vlastnostem. Studium mechanismu interakce nanomateriálů s biologickými systémy na různé buněčné úrovni a jejich využití pro biologické a medicínské aplikace tak představuje velice zajímavou a pestrou vědecko-výzkumnou oblast.

Nanomateriály pro katalytické aplikace – doc. RNDr. Aleš Panáček, Ph.D.

Nanočástice ušlechtilých kovů vykazují díky svým specifickým fyzikálně chemickým vlastnostem vysokou chemickou aktivitu, konkrétně vysokou katalytickou aktivitu. Katalytické účinky jsou dány jednak samotnou chemickou povahu uvedených kovů, a navíc mohou být zvýšeny nanorozměry a morfologií částic těchto kovů, které vedou k obrovskému nárůstu plochy povrchu daného kovu nutnému pro efektivní průběh heterogenní katalýzy. Nanočástice kovů skupiny I. B vykazují vysokou katalytickou aktivitu zejména v redox reakcích, kovy skupiny platiny a kovy příbuzné jsou pak vysoce efektivní v reakcích za účasti vodíku, což se týká zejména syntézy jednoduchých uhlovodíků a jejich derivátů (např. Fischer-Tropschova syntéza). V oblasti katalytických aplikací lze výzkum a vývoj zaměřit zejména na syntézu a vývoj vysoce katalyticky efektivních nanomateriálů na bázi kovů a jejich sloučenin aplikovatelných např. pro environmentální technologie (např. redoxní reakce a likvidace polutantů ve vodách), nebo v oblasti průmyslové chemie v řadě chemických procesů (výroba ethylenoxidu, Fisher-Tropschova syntéza) či v oblasti technologií pro energetiku (reformace CO2 na metanol, vysoce aktivní elektrody pro palivové články). Praktické aplikace nanomateriálů jsou však často doprovázeny agregátní nestabilitou nanočástic kovů či omezenou možností separace po provedení reakce v reálných aplikačních systémech. Jednou z možností, jak předcházet těmto nežádoucím jevům, je ukotvení nanočástic kovů na zvolené inertní substráty. Jako příklad lze uvést přírodní hlinitokřemičitanové materiály, oxidy kovů či magnetické materiály, jako jsou oxidy železa, které dále usnadňují magnetickou separaci katalyzátoru po provedení reakce.

Příprava nanočástic a nanokompozitů pro katalytické aplikace – doc. RNDr. Robert Prucek, Ph.D.

Současný vývoj v oblasti nanotechnologií směřuje od přípravy a využití izolovaných nanočástic k systémům, kdy jsou pevně zachyceny na vhodném podkladu (koloidní částice, mikročástice či makrosystémy). Takovéto kompozity vykazují jedinečné fyzikálně chemické vlastnosti, odlišné od samotných nanočástic. Mimo zvýšené agregátní stability nanočástic dochází často k synergickému efektu zlepšení fyzikálně chemických vlastností zmíněných materiálů (např. katalytická aktivita, optické vlastnosti, separace, agregátní stabilita, atd.).
Cílem této práce bude výzkum a vývoj v oblasti přípravy, charakterizace a aplikace nanočástic ušlechtilých kovů (měď, stříbro, zlato, platina, paladium, atd.) případně jejich sloučenin. Oblast přípravy bude výzkum zacílen na vývoj a optimalizaci metod přípravy nanočástic a nanokompozitů na bázi uvedených kovů a případně jejich sloučenin (ve formě vodných disperzí, samoorganizovaných vrstev či imobilizovaných částic na nosičích typu: SiO2, Al2O3, ZrO2, FexOy, sklo, křemen, aj.) včetně jejich charakterizace (velikost, morfologie, stabilita, atd.). Zmíněné materiály budou následně studovány a testovány z hlediska jejich efektivity pro účely heterogenní katalýzy či spektroskopických aplikací (povrchem zesílená Ramanova spektroskopie).
V oblasti katalýzy jsou mikro či nanočástice, případně nanokompozity používány ve velmi velkém měřítku v oblasti organické syntézy (Ullmannova syntéza, Fischer-Tropsch syntéza, příprava amoniaku (Haber-Bosch reakce), hydrogenační či dehydrogenační reakce, Suzukiho reakce, atd.), dále v oblasti velmi intenzivně se rozvíjejících oblastech jakými jsou palivové články, fotovoltaika, fotokatalýza, fotochemické štěpení vody, katalyzátory v automobilech pro oxidaci nespálených uhlovodíků, oxidu uhelnatého a redukci oxidů dusíku. Další významnou aplikací zmíněných materiálů je jejich použití v pokročilých oxidačních procesech využívaných pro sanační technologie používaných pro čištění odpadních vod a starých ekologických zátěží. Společným a často se vyskytujícím požadavkem podmiňujícím průmyslovou aplikaci je jejich schopnost odbourávat toxické a často také perzistentní organické polutanty, které vzdorují nebo přímo deaktivují tradičně používaný biologický stupeň, tvořící nedílnou součást většiny čističek odpadních vod.

Příprava nanočástic a nanokompozitů pro spektroskopické aplikace – doc. RNDr. Robert Prucek, Ph.D.

Povrchem zesílená Ramanova spektroskopie se řadí mezi moderní analytické techniky umožňující detekovat velmi nízké koncentrace látek. Neustálý vývoj Ramanovských spektrometrů má za následek, že tyto instrumenty se stávají cenově dostupnější a díky tomu se stále více rozšiřuje počet těchto přístrojů nejen na vědeckých pracovištích, ale zejména se tyto přístroje stávají běžnou součástí komerčních laboratoří. Velmi důležitou oblastí, kde lze tyto přístroje nalézt, ať již ve formě klasických či zejména mobilních verzích, jsou vybrané složky policie, hasičského záchranného sboru či armády, kde jsou tyto instrumenty využívány pro identifikaci hořlavin, drog, výbušnin, apod. Jelikož má povrchem zesílená Ramanova spektroskopie velmi značný potenciál, který ji předurčuje k budoucímu rozšíření do mnoha oblastí lidské činnosti (rychlá a citlivá detekce výbušnin, drog, či detekce markerů pro stanovení chorob, toxikologie, forenzní analýza atd.), tak cílem dané problematiky bude reprodukovatelná příprava efektivních, spolehlivých, a jednoduše použitelných substrátů založených na bázi stříbra a zlata.

RNDr. VAJDA Štefan CSc., Dr. habil. – Head of Department of Nanocatalysis, J. Heyrovsky Institute of Physical Chemistry, Academy of Sciences of the Czech Republic, Prague

Nedávno zřízené Oddělení nanokatalýzy Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského, Akademie věd České republiky ve spolupráci s Katedrou fyzikální chemie Univerzity Palackého v Olomouci, má řadu témat pro doktorské studium. Témata zahrnují, ale nejsou omezeny na:

  • Oxidativní a neoxidativní hydrogenace alkanů,
  • CO oxidace,
  • CO2 konverze.

Katalyzátory jsou připravovány několika způsoby z (i) subnanometrických klastrů o přesné atomové velikosti a složení nesených na nosičích na bázi oxidů kovů nebo uhlíku, deponovaných pomocí molekulového paprsku ve vakuu a (ii) nanočásticových katalyzátorů připravených konvenčními chemickými metodami přípravy z roztoku. Účinnost katalyzátorů je testována na experimentálním reaktoru s využitím hmotnostního spektrometru a plynové chromatografie pro analýzu produktů. Katalyzátory jsou charakterizovány za využití elektronové mikroskopie a dalších Technik studia pevné faze. Vice informací o výzkumných aktivitách naleznete na www.heyrovsky-chair.eu