Výzkumné zaměření

Vědecko-výzkumná činnost SLChPL je rozdělena do tří oblastí – nekrystalické materiály, krystalické materiály-termoelektrika a interkaláty. Převážná část výzkumu je založena na spolupráci s katedrami a ústavy FChT UPce i jinými pracovišti.

Pokud se týká chalkogenidů, bylo pokračováno ve studiu tvorby mikroútvarů (mikročočky, mikrokrátery) na povrchu objemových skel systému Ge-Sb-S působením různých CW laserů (λ = 532 a 785 nm). Byl zkoumán vliv základních parametrů (doba expozice, chemické složení, penetrační hloubka záření, termické vlastnosti) na tvorbu zmiňovaných útvarů. Při použití záření s λ = 532 nm dochází převážně k tvorbě mikročoček v důsledku lokální termální expanze. Nejvyšší mikročočky byly tvořeny na skle stechiometrického složení (GeS₂)₆₆(Sb₂S₃)₃₄. V případě působení záření s λ = 785 nm dochází převážně k tvorbě mikrokráterů, doprovázené tzv. výbušnou explozi výrazně lokálně přehřátého materiálu. Tvorba mikrokráterů byla výrazná především v materiálech bohatých na Sb₂S₃. Jako další systém pro výzkum fotoindukovaných mikroútvarů na povrchu objemových chalkogenidových skel byl použit systém Ge-As-S. Zde je výzkum na počátku.

V rámci studia oxidových skel byla prováděna charakterizace skel PbO-ZnO-P₂O₅-CoO a působením laseru s λ = 532 nm byly vytvářeny mikročočky. Formální složení skel bylo (100-x)(55PbO-10ZnO-35P₂O₅)-xCoO, kde x = 0-3,6 mol. %. Mikročočky se podařilo vytvořit ve dvou materiálech pro x = 2 a 3,6 mol. %. Důvodem je pravděpodobně optimální penetrační hloubka záření zajišťující dostatečné lokální přehřátí materiálu. Na počátku výzkumu je rovněž studium fotoindukovaných změn na povrchu fosfátových skel PbO-ZnO-P₂O₅-CuO, kde je v plánu zkoumat vliv různých koncentrací CuO na tvorbu výše zmíněných útvarů působením CW laseru o vlnové délce λ = 785 nm.

Pokračovalo i měření viskózního toku skel na termomechanickém analyzátoru (TMA). Indentor TMA je zhotoven z křemenného skla optické kvality pro kolmé přímé působení laserového záření na vzorek. V rámci měření světlem indukovaných změn viskózního toku byla prováděna další měření na fosfátových sklech systému PbO-ZnO-P₂O₅ (s přídavkem a bez přídavku CoO), kdy byl porovnán vliv absorpčního centra na vyvolané změny viskózního toku. Zároveň byly prováděny další měření za použití jiných vlnových délek (např. λ = 808 nm) či různých intenzit záření. Pro podpoření pozorovaných výsledků byla na TMA provedena i dilatometrická měření chalkogenidových i oxidových skel, a to jak s osvitem a bez osvitu. Práce vyústila v publikaci.

Ve spolupráci s CEITEC (Brno) byla prováděna ablace skel PbO-ZnO-P₂O₅-CoO působením pulzním nanosekundovým laserem s λ = 532 nm. Získané výsledky jsou vyhodnocovány.

Na Ústavu optických materiálů a technologií BAV, Sofia, Bulharsko, pokračovalo měření elipsometrie pod proměnným úhlem dvou na sebe napařených chalkogenidových tenkých filmů s cílem vytvořit (vlivem temperace a/nebo expozice) mezivrstvu. Mezivrstva byla charakterizována. Spolupráce vyústila ve společnou publikaci.

Bylo pokračováno ve spolupráci s Ústavem aplikované fyziky a matematiky na termálním modelu pro skla Ge-Sb-S. Model umožňuje popsat lokální ohřev materiálu v místě osvitu a rovněž distribuci tepla do okolí. Spolupráce vyústila ve společnou publikaci.

S Ústavem aplikované fyziky a matematiky pokračovala i další spolupráce. Pozornost byla věnována detailnímu studiu vlivu dopování arsenem do monokrystalického SnSe (SnAs_xSe_1-x, Sn_1-xAs_xSe). Pomocí transportních měření, ale především pomocí pozitronové anihilační spektroskopii provedené na MFF UK byla prokázána existence různých typů bodových poruch (vakance, substituční poruchy), jejich vzájemná interakce a tvorba klastrů v závislosti na množství dopantu a typu dopování. Při velmi nízkých koncentracích arsenu (x~0,001) dochází k tzv. „healing“ procesu, kdy se snižuje koncentrace přirozených defektů v krystalu (především V_Sn a inkluzí SnSe₂), roste pohyblivost volných nositelů a zároveň klesá jejich koncentrace až pod 10¹⁶ cm^-3. Vysoká koncentrace V_Sn nebo jejich klastrů (u Sn_1-xAs_xSe) umožňuje použití v nízkoteplotních (<500 K) aplikacích.

Ve spolupráci s firmou SYNPO a.s. byla zkoumána příprava a vlastnosti vrstevnatých hydroxido solí zinečnatých, jak s aniontem kyseliny 2-fenyl-5-benzimidazolsulfonové, tak s aniontem kyseliny 4,4-oxybis(benzoové). V případě hydroxido solí s aniontem kyseliny 4,4-oxybis(benzoové) byly připraveny tři vrstevnaté sloučeniny, které se liší vzdáleností vrstev a obsahem aniontů ve vrstvě. V závislosti na množství aniontů ve vrstvě se mění i maximum UV absorpce daného materiálu. Na základě výsledků studia interkalátů podvojného hydroxidu ZnAl s kyselinou 2-fenyl-5-benzimidazolsulfonovou byl přijat užitný vzor s názvem „Fotoprotektivní aditivum zejména do nátěrových hmot a zalévacích pryskyřic“.

Ve spolupráci s CEMNATem a Univerzitou Hradec Králové byla pomocí různých termoanalytických metod studována teplotní stabilita biodegradabilních stentů v závislosti na době hydrolytické degradace. Bylo zjištěno, že při smáčení stentu v pufru, jenž simuluje vnitřní prostředí v lidském organismu (při teplotě 37 °C) dochází k pozvolnému nárůstu podílu krystalické fáze (degradace), což vede ke změnám mechanických vlastností daného materiálu. Bylo prokázáno, že degradace je pozvolná, a že stenty při případné aplikaci budou mít po dobu garantovanou výrobcem v lidském těle dostatečnou pevnost. 

S Ústavem chemie a technologie makromolekulárních látek pokračoval výzkum povrchových vlastností nátěrových povlaků na bázi akrylátových latexů. Pozornost byla zaměřena na prohloubení znalostí problematiky týkající se citlivosti latexových filmů vůči působení vody. Byly studovány různé strategie s cílem zvýšit voděodolnost latexových nátěrových filmů: (1) použití progresivního polymerizovatelného emulgátoru při syntéze latexů emulzní polymerací; (2) zavedení kovalentního zesítění do latexového filmu (intra-částicové vs. inter-částicové); (3) kopolymerace fluorovaného monomeru. Při tenziometrických měřeních byl důraz kladen zejména na stanovení kontaktních úhlů pro vodu. Získané výsledky doplnily dosavadní znalosti a rozšířily oblast poznání dané problematiky zejména z pohledu voděodolnosti latexového filmu v souvislosti s chemickou strukturou a hydrofobicitou. Spolupráce vyústila ve společnou publikaci.

Spolupráce s Ústavem struktury a mechaniky hornin AV ČR, v. v. i., v oblasti studia fotoaktivity geopolymerů modifikovaných nanoformou TiO₂ byla rozšířena na modifikaci povrchů komerční nanoformou TiO₂ a modifikovanou redukovanou formou TiO₂. V případě redukované formy TiO₂ došlo k výraznému zvýšení aktivity ve viditelné oblasti slunečního spektra. Spolupráce vyústila ve společnou publikaci.

Pokračovala i spolupráce s Kabinetem výuky obecné fyziky MFF UK. Byla studována další řada různě připravených kovových slitin (po odlití, válcování za studena a za tepla). Pomocí DSC, AFM a SEM bylo studováno složení a struktura připravených slitin (s vysokým obsahem Si a různými koncentracemi Zn, Cu, Mn, Sc a Zr) s cílem sledovat tvorbu precipitátů o různém složení. Spolupráce vyústila ve společnou publikaci.

Ve spolupráci s EIS Laboratory, Skjoldenaesvej 17, 4174 Jystrup, Dánsko, s centrem FunGlass, Trenčianská univerzita Alexandra Dubčeka v Trenčíne, Slovensko a KOAnCh UPce je pokračováno ve studiu elektrického transportu a dielektrické relaxace v chalkogenidových a oxidových sklech pomocí elektrické impedanční spektroskopie.

Pokud se týká nekrystalických materiálů, pokračovalo se ve studiu fotoindukovaných změn v multivrstevnatém systému GeSe-AsS, a to studiem vlivu teploty ((-80°C) – (+200°C)) na rychlost a rozsah reakce v pevné fázi. Při využití fokusovaných CW laserů (λ = 405; 532 a 785 nm) byly tvořeny do skel s vysokým indexem lomu (systém Ge-Sb-S a PbO-Bi₂O₃-Ga₂O₃) mikro čočky, linie a krátery. Byl zkoumán vliv penetrační hloubky použitého záření, termických vlastností a energie vazeb na tvorbu a parametry vzniklých útvarů. Studium chalkogenidů je v počátcích. Hlavním závěrem výzkumu na oxidových sklech je zjištění, že přídavkem Bi₂O₃ dochází k výraznému snížení prahové intenzity záření pro vznik mikročoček, čímž se podařilo násobně zvýšit jejich výšku.

Experimentální výsledky byly následně vyhodnocovány na Ústavu aplikované fyziky a matematiky s výsledkem vytvoření teplotního modelu pro popis chování bodovým laserem ozářených částí povrchů oxidových skel (mikročočky, krátery).

Na Ústavu optických materiálů a technologií BAV, Sofia, Bulharsko, pokračuje měření elipsometrie pod proměnným úhlem a je studována reakce v pevné fázi dvou na sebe napařených chalkogenidových tenkých filmů As₄₀S₆₀ a Ge₃₀Se₇₀. Bylo měněno pořadí jejich napaření a jejich vzájemná tloušťka. Temperací a/nebo expozicí vznikla nová kvaternární Ge-As-Se-S mezivrstva, která byla charakterizována.

Pomocí upraveného termomechanického analyzátoru (TMA) (indentor zhotovený z křemenného skla optické kvality) byly studovány změny viskózního toku některých chalkogenidových a oxidových skel. Byly porovnávány změny viskózního toku bez osvitu a viskózního toku způsobeného fotony. Jako zdroje záření zavedeného do TMA byly použity lasery (λ = 532 a 655 nm). Změny viskózního toku byly měřeny při různých teplotách (pod teplotou skelného přechodu) daného materiálu. Jako modelová skla byly použity: chalkogenidové sklo As₂S₃ a fosfátové sklo ze systému PbO-ZnO-P₂O₅ dotované CoO. Bylo zjištěno, že vliv záření na viskózní tok klesá s rostoucí teplotou.  Rovněž bylo zjištěno, že dochází ke zvýšení rychlosti penetrace vlivem fotonů. V cyklu měření: bez osvitu - s osvitem - bez osvitu, byla po vypnutí laseru zjištěna stejná směrnice (rychlost) jako v prvním kroku. Předpokládáme, že získané informace by mohly přispět i k objasnění a pochopení mechanismu vzniku mikročoček.

V případě termoelektrik se další spolupráce s Ústavem aplikované fyziky a matematiky a Ústavem makromolekulární chemie AV ČR v.v.v.i. týká studia tzv. metal−organic frameworks, které jsou studovány pro využití v lithiových bateriích. Pomocí multinukleární NMR spektroskopie v pevné fázi byl zkoumán mechanismus iontové vodivosti na atomární úrovni a objasňováná interakce tzv. order-disorder procesů, interakce základní struktury s ionty a změny struktury vlivem zabudování Li⁺CoD− s přenosem iontů Li+. Ionty Li ⁺ se vyskytují ve dvou stavech (volný a vázaný), které vykazují rozsáhlé pohyby. Oba typy iontů Li ⁺ tvoří vzájemně komunikující řetězce, které jsou dostatečně velké, aby umožňovaly efektivní přenos náboje na velké vzdálenosti a tím makroskopickou vodivost.

Příprava interkalátů nově probíhá ve spolupráci se společností SYNPO a.s., kde byla studována příprava interkalátů podvojného hydroxidu ZnAl s kyselinou 2-fenyl-5-benzimidazolsulfonovou (PBISA), která je komerčně používaným UV absorbérem. V závislosti na metodě přípravy (reakce uhličitanové formy ZnAl s PBISA, reakce ZnO s roztokem dusičnanu hlinitého a PBISA, reakce exfoliované uhličitanové formy ZnAl s PBISA) byly připraveny tři interkaláty se vzdáleností vrstev cca 21,7 Å, které se nepatrně liší v poměru Zn/Al a množství interkalované kyseliny. V UV spektrech interkalátů je vidět intenzivní absorpční pás při cca 320 nm. Podvojný hydroxid modifikovaný interkalovaným UV absorbérem byl otestován v nátěrovém polyurethan-akrylátovém systému LV CC 220. Pomocí skenovací elektronové mikroskopie bylo prokázáno, že na rozdíl od samotné PBISA, která v tenkém filmu tvoří poměrně velké částice, je připravený interkalát téměř homogenně rozptýlen ve filmu.  U filmů modifikovaných interkalátem bylo pozorováno významné snížení optické propustnosti v oblasti 300-400 nm ve srovnání jak s filmem bez absorbéru tak i s filmem modifikovaným pouze PBISA.

Spolu s CEMNATem byly studovány pomocí různých termoanalytických metod termické vlastnosti kvantových teček a materiálů na bázi polymerních nanokompozitů. Na nově syntetizovaných materiálech byl sledován vliv způsobu přípravy na teplotní stabilitu, zejména na teplotu a rychlost degradace. Byl popsán vliv substituentů (alifatických, aromatických a heterocyklických fragmentů) v substituovaných thiomočovinách na kinetiku syntézy a na vlastnosti výsledných nanomateriálů. Bylo prokázáno, že při syntéze lze toxické a drahé prekurzory síry (například trioktyl- a tributylfosinsulfidy) velice dobře nahradit levnými substituovanými thiomočovinami s vysokou konverzí požadovaného produktu.

S Ústavem chemie a technologie makromolekulárních látek pokračoval výzkum povrchových vlastností akrylátových latexových nátěrových povlaků. Pozornost byla tentokráte zaměřena na zvýšení hydrofobity latexových filmů s využitím různých strategií: (1) použití klasického nepolymerizovatelného a progresivního polymerizovatelného emulgátoru při syntéze latexů emulzní polymerací; (2) zavedení kovalentního zesítění do latexového filmu (intra-částicové vs. inter-částicové);(3) využití anorganických nanočástic ZnO pro zavedení iontového zesítění latexového filmu. Při tenziometrických měřeních byl důraz kladen zejména na stanovení kontaktních úhlů pro vodu. Získané výsledky doplnily dosavadní znalosti a rozšířily oblast poznání dané problematiky zejména z pohledu ovlivnění hydrofobity latexového filmu a jeho citlivosti vůči působení vody.

Pokračovala spolupráce s Ústavem struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i., ve studiu fotoaktivity (UV lampa, 360 mn., 10 W/cm) geopolymerů modifikovaných třemi různými formami TiO₂ (CG100, CG300 a P25). Jedná se o TiO₂ lišící se velikostí částic P25 20 nm, CG100 18 nm, CG300 cca 6 nm, případně přítomností modifikací (u P25 je přítomno malé množství rutilu, u obou CG je pouze anatas). Při rozkladu Rhodaminu B bylo prokázáno, že rychlost jeho rozkladu je více ovlivněna typem TiO₂ použitého pro modifikaci geopolymeru, než jeho množstvím. Nejvyšší konverze bylo dosaženo při použití vzorku geopolymeru s TiO₂ ve formě P25.

Nově byla navázána spolupráce s Matematicko-fyzikální fakultou UK, s Kabinetem výuky obecné fyziky. Spolupráce se týká studia precipitačních dějů ve slitinách ocelí na bázi Mg a/nebo Al. Byla studována řada slitin odlišné přípravy (po odlití, válcování za studena a za tepla). Pomocí DSC, AFM a SEM bylo studováno složení a struktura připravených slitin. Bylo zjištěno, že v závislosti na podmínkách přípravy dochází na rozhraní fází ve slitinách k tvorbě precipitátů o různém složení a struktuře., např. k tvorbě defektů podobných vakancím s vysokým obsahem Si a různými koncentracemi Zn, Cu, Mn, Sc a Zr. Byly detekovány i vrstevnaté částice s různými morfologickými rysy, jako jsou čtvercové a polygonální tvary bohaté převážně na Sc, Zr.

Úspěšně se začala rozvíjet i nová spolupráce s EIS Laboratory, Skjoldenaesvej 17, 4174 Jystrup, Dánsko, kde společně s centrem FunGlass, Trenčianská univerzita Alexandra Dubčeka v Trenčíne, Slovensko a KOAnCh UPce byl studován elektrický transport a dielektrické relaxace v modelovém chalkogenidovém skle As₂S₃ pomocí Elektrické impedanční spektroskopie při různých teplotách (300 K - 433 K), za použití různých frekvencí (0.1 m Hz - 1 MHz). Pomocí nového přístupu k analýze experimentálních dat byl zjištěn rozdílný příspěvek (vliv) transportu elektrického náboje a příspěvek dielektrických relaxačních procesů na celkovou elektrickou odezvu.