Anotace PhD rámcových témat

Grafen a jeho deriváty

Garant: prof. RNDr. Michal Otyepka, Ph.D.

Grafen je bezesporu revolučním materiálem s mimořádnými vlastnostmi. Avšak některé jeho vlastnosti např. hydrofobicita, nulový zakázaný pás či nízká chemická reaktivita, limitují uplatnění grafenu pro určité aplikace např. v elektronice či biologickém senzingu. Proto hledáme cesty pro úpravy grafenu, tak abychom dosáhli cílené modifikace jeho vlastností. Grafen lze modifikovat, jak cestou kovalentní, tak i nekovalentní chemie (Chem. Rev., 112(11), 6156-6214, 2012). Rámcové téma se zaměřuje na hledání alternativních cest pro přípravu grafenových derivátů, dále na pochopení mechanismů chemických reakcí v uhlíkových 2D materiálech a v neposlední řadě pochopení fyzikálně-chemických vlastností grafenových derivátů. K řešení rámcového tématu lze přistupovat experimentálními technikami (syntéza, charakterizace např. technikami HR-TEM, SEM, AFM, XPS atp., a aplikace v oblasti senzingu, elektrokatalýzy, heterogenní katalýzy atp.) stejně jako technikami počítačové chemie (na úrovni DFT, pokročilých DFT technik a post-HF) a simulací (molekulárně dynamické simulace na úrovni všech atomů až po hrubozrnné modely). Konkrétní témata mohou být zaměřená na návrh, syntézu a charakterizaci nových grafenových derivátů s požadovanými vlastnostmi (např. magnetismem, elektronickými vlastnostmi, disperzibilitou v polárních/nepolárních médiích atp.), pochopení povahy nekovalentních interakcí ke grafenu a jeho derivátům apod. Téma je podporováno ERC grantem.


Úloha biologických membrán a membránových proteinů pro transport a biotransformace léčiv

Garant: prof. RNDr. Michal Otyepka, Ph.D.

Biologické membrány ohraničují buňky je jednotlivé buněčné kompartmenty. Membrány jsou tvořeny lipidickou vrstvou, do níž jsou vnořeny četné proteiny. Řada léčiv interaguje se svými molekulárními cíli uvnitř buňky a musí tak projít přes membránu buď pasivním nebo aktivním transportem. Následně mohou být léčiva biotransformována enzymy, které jsou ukotveny k biologické membráně. Biologické membrány jsou tak dějištěm významných biologických procesů. Řada aspektů aktivního a pasivního transportu, biotransformace léčiv či lékových interakcí zůstává zahalena tajemstvím. Cílem projektu je teoretické studium mechanismů aktivního transportu léčiv, posouzení vlivu polymorfismu transportérů na účinnost transportního procesu či detailní analýza mechanismu biotransformací membránově kotvenými enzymy z rodiny cytochromu P450. Při řešení projektu budou využívány postupy atomistických počítačových simulací. Projekt bude řešen v úzké spolupráci s kolegy z Farmaceutické fakulty v Limoges.


Povrchové vlastnosti API látek a jejich vliv na fyzikální vlastnosti materiálu

Garant: prof. RNDr. Michal Otyepka, Ph.D.

Cílem projektu je pochopení povrchových vlastností mikrokrystalických API látek a nalezení vztahů mezi povrchovými a mechanickými vlastnosti práškových API látek. Povrchové vlastnosti budou studovány kombinací různých technich, např. analýzou povrchov energie (SEA), mikroskopickými technikami (SEM, AFM, TEM), práškovou rheologií a BET. Cílem je modifikovat krystalizační procesy tak, aby byly získány API látky s požadovanými povrchovými a mechanickými vlastnostmi. Projekt bude řešen ve spolupráci s průmyslovým partnerem firmou TEVA Czech Industries, s.r.o., Opava.


Hybridní nanostruktury pro fotoelektrochemické štěpení vody

Garant: Prof. RNDr. Radek Zbořil, Ph.D.

Slunečním zářením iniciované štěpení vody reprezentuje vysoce perspektivní technologii pro výrobu vodíku (H2), jakožto ekonomicky ideálního zdroje energie z obnovitelných zdrojů. Reakce rozkladu vody (2H2O→2H2+O2) je endotermická (E=1.23 V vs RHE) a sestává se ze dvou dílčích reakcí: 2H+ + 2e → H2 (HER, E°red = 0.0 V) a 2H2O + 4h → O2 + 4H+ (OER, E°ox = 1.23 V). Vhodné polovodiče sloužící jako katalyzátory těchto reakcí, by měly absorbovat fotony s energií vyšší než 1.23 eV a mít hranu vodivostního pásu pod E°red a valenčního pásu nad E°ox. I přes splnění těchto podmínek, nevyhnutelné kinetické ztráty a ztráty vlivem přepětí způsobí, že skutečná energie nutná k uskutečnění štěpení vody je v intervalu 1.6-2.4 eV. Tato závažná termodynamická a kinetická omezení jsou příčinou, že ještě nebyl nalezen polovodič schopný účinně zprostředkovat tuto reakci. Oxidy přechodných kovů jako např. TiO2, α-Fe2O3, WO3, ZnO, BiVO4 představují vysoce stabilní materiály odolné proti chemické a (foto)korozi a jsou stále vnímány jako nejpřijatelnější volba pro fotoelektrochemické (PEC) aplikace. I přes jejich vhodné vlastnosti, je stále nutné vyřešit řadu klíčových nedostatků. Existuje několik základních přístupů, jak efektivně zvýšit PEC aktivitu zmíněných polovodičů: (i) příprava materiálů v 1D formě (nanotyče, nanotuby, nanovlákna, atd.) k překonání krátké difuzní délky fotogenerovaných nosičů náboje a snížení míry jejich zpětné rekombinace, (ii) inženýrství multikomponentních hybridních nanostruktur pro zvýšení dynamiky fotogenerovaných nosičů náboje a (iii) užitím ko-katalyzátorů a/nebo optických sensitizátorů ke zvýšení strukturní stability a rozšíření spektrální oblasti pro absorpci dopadajícího světla.

Rámcové téma tohoto PhD výzkumného projektu je vývoj nové třídy multikomponentních hybridních systémů složených z centrálního polovodiče (CS), zejména TiO2, α-Fe2O3, WO3, ZnO, BiVO4 s řízeným tvarem a dimenzionalitou (1D-nanotrubky, 2D-tenké filmy). Klíčový přínos je vnímám v simultánní a synergické kombinaci několika strategií (nanostrukturování, depozice ko-katalyzátoru, povrchová sensitizace), obvykle vyvíjených samostatně. Nanostrukturní CS bude kombinován s hetero-partnerem se specifickou funkcionalitou (rozšířená absorpce světla, významná účinnost v přenosu náboje, zvýšená mobilita nosičů). Efektivní interakce jednotlivých komponent povede ke zvýšení PEC účinnosti kompozitního systému.


Počítačový návrh nových léků založený na kvantově-mechanických výpočtech

Garant: prof. Ing. Pavel Hobza, DrSc., FRSC

Počítačový návrh léků představuje atraktivní vědní obor na pomezí fyzikální chemie, biochemie a farmacie. Počítačový screening databází potenciálních léků dovoluje omezit časově i finančně namáhavou syntézu a testování nových sloučenin, výpočty také umožňují navrhovat chemické úpravy léků a předpovědět jejich účinnost. V naší laboratoři jsme vyvinuli nový postup výpočtu volné energie interakce léků s proteiny založený na kvantově chemických metodách, který svou přesností překonává dříve používané metody, a úspěšně ho aplikovali na několik systémů. Tématem práce budou výpočty dalších enzymů a jejich inhibitorů, návrh a výpočty nových léků a případně další zlepšování metodiky.


Vývoj rychlých a přesných kvantově-mechanických metod pro studium biomolekul

Garant: prof. Ing. Pavel Hobza, DrSc., FRSC

Aplikace výpočetní chemie v řešení biochemických problémů, jako je například stadium interakce léků s enzymy, vyžaduje metody, které jsou přesné a zároveň dostatečně rychlé. Tyto protichůdné požadavky splňují aproximativní kvantově-mechanické metody parametrizované pro daný problém, v tomto případě popis nekovalentních interakcí v biomolekulách. V nedávné době jsme vyvinuli korekce pro semiempirické metody, které umožňují dosáhnout požadované přesnosti i pro systémy s tisíci atomů, jako například celé proteiny. Tyto metody byly poté úspěšně aplikovány v počítačovém vývoji léků. Cílem této práce bude pokračovat ve vývoji korekcí pro kvantově-mechanické metody s cílem zpřesnit popis nekovalentních interakcí a struktury biomolekul. Tento projekt vyžaduje základní znalost programování.


Referenční kvantově-chemické výpočty nekovalentních interakcí

Garant: prof. Ing. Pavel Hobza, DrSc., FRSC

Výsledky přesných kvantově mechanických výpočtů se často používají jako refernční data pro vývoj jednodušších metod a pro ověřování jejich přesnosti. Naše skupina má dlouhou tradici v přípravě a publikování databází přesných výpočtů nekovalentních interakcí a naše databáze se staly de facto standartem v oboru. Cílem této práce bude rozšířit stávající databáze referenčních dat o nové molekulární komplexy tak, aby bylo dosaženo co nejširšího pokrytí různých typů nekovalentních interakcí organických molekul a biomolekul. Součástí práce bude i zhodnocení stávajících výpočetních metod na nových systémech, případně jejich parametrizace na nová data.


Struktura a dynamika RNA

Garant: prof. RNDr. Jiří Šponer, DrSc.

Předmětem disertace bude studium vybraných molekul RNA (ribosomální motivy, protein-RNA komplexy, ribozymy, riboswitche, vybraných z aktuálních systémů studovaných v naší laboratoři i na spolupracujících pracovištích) pomocí počítačových simulací, bioinformatiky, a kvantové chemie. RNA patří v současné době k nejintenzivněji studovaným biomolekulám. Funkční molekuly RNA formují fascinující 3D architektury a počítačové simulace patří k základním nástrojům studia vlivu molekulových interakcí na strukturu a funkci RNA, jak lze dokumentovat i našimi předchozími výsledky (viz. např. publikace uvedené ve WOS databázi). Počítačovými simulacemi lze získat nové informace například o úloze nekanonických interakcí bází nukleových kyselin, hydrataci a dalších vlastnostech, a podstatným způsobem doplnit informace zjištěné rentgenovou krystalografií, NMR, bioinformatikou, a dalšími metodami. Dizertace může zahrnovat jak studium specifických biochemicky zajímavých systémů, tak práce orientované více na testování a vývoj metodiky. Úzce spolupracujeme se zahraničními laboratořemi, například F.H.T. Allain, G. Bussi, N.B. Leontis, N.G. Walter, M. Nowotny a další.


Teorie původu života - studium prebiotických reakcí

Garant: prof. RNDr. Jiří Šponer, DrSc.

Předmětem disertace bude práce v oblasti "origin of life theory", což je dnes obsáhlá oblast výzkumu, sahající od evoluce planetárních systémů přes prebiotickou syntézu základních stavebních komponent živé hmoty až po jednoduché buněčné modely. Teoretické kvantově-chemické metody mohou být velmi efektivně aplikovány na studium prebiotických chemických procesů. Velkou výhodou těchto metod je jejich schopnost popsat procesy, jež v řadě případů nelze uspokojivě či úplně studovat experimentálně. V současné době pracujeme na řadě projektů týkajících se například tzv. formamidové cesty vzniku života, netemplátové syntézy prvních molekul RNA z cyklických nukleotidů, role fotochemických reakcí v prebiotické chemii, kvantově-dynamických simulací, high-energy impact chemii, a některých dalších problémech. Disertace je vhodná zejména pro studenty, kteří mají zájem o použití moderních kvantově-chemických přístupů a mají cit pro chemické reakce. Vzhledem k tomu, že se jedná o náročné téma, konkrétní náplň práce může být stanovena až na základě posouzení schopnosti uchazeče. Úzce spolupracujeme s experimentálními i teoretickými laboratořemi, například E. Di Mauro, R. Salladino, M. Ferus, M. Saitta, J.D. Sutherland and některými dalšími.


Nanomateriály pro biologické aplikace

Garant: 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

Garant: 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. redox reakce a likvidace polutantů ve vodách), anebo v oblasti průmyslové chemie v řadě chemických procesů (výroba etylenoxidu, Fisher-Tropschova syntéza) či v oblasti technologií pro energetiku (reformace CO2 na methanol, 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 nebo spektroskopické aplikace

Garant: 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.

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.


Studium tvorby nanočástic a jejich souborů organizovaných na povrchu či v objemu tuhé fáze

Garant: doc. 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 kom binovaných 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

Garant: doc. 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, tuhách 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.


Teoretické studium přenosu náboje v nanostrukturách

Garant: Ing. Pavel Jelínek, Ph.D.

Možnost aktivně kontrolovat přenos náboje na atomární úrovni v nanostrutktur otvírá 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:


Chemické a fyzikální vlastnosti molekulárních nanostruktur na površích studované pomocí rastrovacích mikroskopů

Garant: 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:


Magnetismus 2D systémů

Garant: doc. Mgr. Jiří Tuček, Ph.D.

Dlouhodobou výzvou vědecké komunity je vyvinout nekovové magnetické systémy založené na uhlíku. Nicméně doposud nebyl magnetismus samoudržitelný při vyšších teplotách (až při pokojové teplotě) experimentálně pozorován pro jakýkoliv materiál na bázi prvků pouze s s a p orbitaly včetně všech uhlíkových alotropů. Mezi uhlíkovými nanoalotropy byl grafén identifikován jako nejperspektivnější kandidát, který by mohl vykazovat zajímavé samoudržitelné magnetické vlastnosti v případě, že jsou generovány defekty. Defekty zahrnují odchylky od lokální topologie/topografie, vakance, dopace atomy neuhlíkové podstaty v mřížce grafénu, tzv. adatomy (tj. atomy adsorbované na povrch listu grafénu), smíšenou sp2/sp3 hybridizaci (tj. vhodný poměr sp2/sp3) a hrany typu cikcak (tj. defekty vyvolané prostorovým omezením). Vtisknutí magnetismu grafénu či jeho derivátům samoudržitelného při pokojové teplotě grafen je tudíž široce vnímáno jako klíčová výzva pro další rozvoj 2D materiálů na bázi uhlíku s obrovským potenciálem v spintronických zařízeních, medicíně, environmentálních technologiích atd. Hlavní cíl tohoto PhD rámcového tématu bude tudíž spočívat v nalezení, jak experimentálně tak teoreticky, optimální kombinace poruch různé povahy a vhodné sp3 funkcionalizaci k vytváření magnetických center, podnícení jejich komunikace a zároveň zachování role vodivostních elektronů. Vtistění magnetického uspořádání bude rovněž teoreticky a experimentálně studováno pro systémy analogické 2D grafenu, například, MoS2, WS2, apod.