Studentská grantová soutěž - předchozí roky

Diagnostika, charakterizace a modelování vybraných materiálů a jejich fyzikální vlastností

SP2020/45

Životský Ondřej prof. Ing., Ph.D.

01. 01. 2020 - 31. 12. 2020

Předmět výzkumu projektu odpovídá jednotlivým odborným zaměřením Katedry fyziky (Optická diagnostika, Magnetické vlastnosti materiálů, Progresivní technologie porušování materiálů a Aplikovaná jaderná fyzika) a je rozdělen do čtyř oblastí: První směr je založen na vývoji optických senzorů využívajících rezonance povrchových plazmonových a Blochových vln. Cíle projektu je možno rozdělit do dvou vzájemně se doplňujících směrů, zaměřených na teoretické a experimentální studium optických senzorů využívajících rezonance povrchových plazmonových a Blochových vln: 1) Teoretická a experimentální analýza nových optických senzorů využívajících rezonance povrchových plazmonových vln. 2) Teoretická a experimentální analýza nových optických senzorů využívajících rezonance povrchových Blochových vln. V rámci řešení projektu budeme studovat novou metodu měření malých změn indexu lomu analytu pomocí určení fázového posuvu indukovaného jak povrchovou plazmonovou rezonancí (SPR), tak rezonancí povrchových Blochových vln (SBWR). Půjde tedy o analýzu nového velmi citlivého refraktometru pracujícího na principu interference v prostorové oblasti a detekujícího malé fázové změny SPR a SBWR jevů v Kretschmannově uspořádání. Pro realizaci experimentu je nezbytná teoretická analýza této interference, jejímž základem je určení fázového posuvu ze dvou zaznamenaných interferogramů, jak pro referenci (vzduch), tak pro měřený analyt. Funkčnost této metody bude experimentálně ověřena pro vhodné analyty (páry etanolu, atd.). Další část bude věnována využití SPR pro určení disperze kapalného analytu (např. vody, popř. roztoku vody a a etanolu). Dále bude studována nová metoda měření malých změn indexu lomu analytu pomocí posuvu minima odrazivosti indukovaného jevem SBWR. Pro teoretickou analýzu využijeme znalost odezvové funkce fotonického krystalu reprezentovaného strukturou mnoha dielektrických vrstev. Na základě modelu této odezvové funkce bude navržena nová metoda, která bude využívat Kretschmannova uspořádání a pozice minima v odrazivosti. Funkčnost této metody bude experimentálně ověřena pro vhodné analyty (páry etanolu, atd.). Počítá se rovněž s rozšířením této metody na vidy vedené multivrstvou. Druhý směr je věnován rozvoji magnetických technik AFM/MFM mikroskopie a spektrální magnetooptiky. Výzkum bude orientován na rozvoj experimentálních technik mikroskopie atomárních a magnetických sil (AFM/MFM) a spektrální magnetooptiky. AFM/MFM mikroskopie je metoda sloužící k pozorování magnetických domén na površích magnetických materiálů. Interpretace dat získaných touto technikou však není jednoduchá, zejména pokud je měření prováděno v přítomnosti externího magnetického pole. V rámci studie bude sledován vliv několika druhů magnetických hrotů na MFM kontrast u granátových vrstev (YSmLuCa)_3(FeGe)_5O_12 připravených na podložkách Gd_3Ga_5O_12. Vhodnost použití hrotu bude následně testována v přítomnosti magnetického pole aplikovaného v rovině vrstvy a kolmo na povrch vrstvy. Výsledky by měly přispět k lepšímu pochopení interakce mezi použitým hrotem a magnetickým povrchem zkoumaného vzorku. Magnetooptické experimentální sestavy umožňují analyzovat povrchové magnetické vlastnosti magnetických materiálů, v případě kovů jako Fe, Co nebo Ni je získána informace z hloubky cca desítek nanometrů, pokud sestava pracuje na viditelných vlnových délkách. V případě analýzy tenkých vrstev se proto do výsledné odezvy nemíchá příspěvek substrátu, jak je tomu v případě klasických magnetometrů jako VSM nebo SQUID. V současné době jsou na Katedře fyziky k dispozici dvě magnetooptické sestavy sloužící k měření magnetizačních křivek a pozorování magnetických domén na površích magnetických materiálů. Projekt by měl přispět k dokončení třetí aparatury, a sice spektrální sestavy pracující v rozsahu vlnových délek 200 nm – 1550 nm. Sestava bude testována na slitinách FeAlTi vykazující silnou magnetooptickou odezvu zahrnující lineární i kvadratické magnetooptické jevy. Na základě experimentálních dat bude následně vytvořen model zkoumaného systému umožňující stanovit jeho parametry jako je index lomu nebo magnetooptická konstanta. Dalším směrem výzkumu bude analýza luminiscenčních vlastností nanočástic CeO2 využívaných jako sorbenty pro odstranění vybraných pesticidů z vody a půdy. Vzorky byly připraveny ve spolupráci s Univerzitou Jana Evangelisty Purkyně v Ústí nad Labem. Součástí výzkumu bude také analýza vlivu experimentálních podmínek na měření luminiscenčních spekter, měření optické absorpce, měření rozdělení velikosti částic optickou metodou a vyhodnocení a zpracování výsledků s ohledem na podmínky přípravy nanočástic. Třetí směr je zaměřen na monitorování interakčních procesů abrazivního vodního paprsku (AWJ). Předmětem výzkumu jsou teoretické a experimentální práce zaměřené na využití některých fyzikálních faktorů provázejících interakci abrazivního vodního paprsku s materiálem ke stanovení nejlepšího pracovního bodu. Monitorování interakčního procesu prostřednictvím těchto faktorů by mělo vést k vývoji postupů umožňujících přímé řízení procesů, a to nejen již běžného řezání, ale také vrtání, soustružení, frézování, broušení a leštění. V teoretické části bude zkoumán zejména způsob vyhodnocení zaznamenaných signálů, aby bylo možno zvolit nejefektivnější a nejpřesnější postup pro interakční proces mezi abrazivním vodním paprskem a materiály. Při experimentech budou získávány záznamy vybraných veličin (sil, akcelerace, zvuku) a tyto budou na základě teoretických poznatků dále zpracovávány a vyhodnocovány, aby bylo možno přiřadit poruchám v činnosti abrazivního vodního paprsku příslušné odezvy signálu. Jako experimentální materiál budou použity oceli, duraly, slitiny mědi, skla, horniny, kompozity a dalších těžko obrobitelné materiály. Z důvodu získání prokazatelných výsledků budou použita také různá abraziva. Pro stanovení účinnosti budou využity již dříve vyvinuté metody měření dvou významných charakteristik - deklinačního a inklinačního úhlu. Budou však měřeny také kmity způsobené na řezné hlavici při směšovacím procesu, silové projevy při obrábění a měření drsnosti a vlnitosti povrchu optickou metodou. Součástí řešení bude na základě fyzikálních rozborů pokračovat ve stanovení optimálních technologických postupů při zmíněných dosud neběžných aplikací AWJ – soustružení, frézování, broušení či leštění. Čtvrtým směrem výzkumu projektu je rozvoj aplikované jaderné fyziky. Teoretická část bude zaměřena na studium struktury středně těžkých a těžkých atomových jader pomocí algebraického kolektivního modelu, modelu kvazičástice-fonon a modelu částice-rotor ve spolupráci s dr. Thiamovou (Politechnika Grenoble). Výzkum se bude věnovat zejména studiu symetrií atomových jader, fázovým přechodům, problematice oktupólové deformace a rozpadu izomérních stavů. Další oblastí bude studium jaderných reakcí s přenosem nukleonů pomocí modelu kvazičástice-fonon a interpretace struktury pozorovaných stavů s nulovým spinem. Experimentální část bude zaměřena na radioaktivitu v životním prostředí (137Cs v houbách a půdním profilu, 7Be v dešťových srážkách a ovzduší) a na měření účinných průřezů reakcí rychlých neutronů s různými materiály oblasti kolem 14 MeV s využitím neutronového generátoru MP320.

prof. Ing. Ondřej Životský, Ph.D.
Doc. Dr. RNDr. Petr Alexa
Mgr. Jan Tichavský
Bc. Jiří Kozelský
Ing. Ondřej Harkut
Ing. Roman Kaňok
Mojgan Abolghasem
Ing. Dmitry Markov
Ing. Martin Tyč
Ing. Adam Štefek
Bc. Tereza Tkáčová
Ing. Jakub Chylek
Ing. Patrik Berka
Bc. Libor Machan
Ing. Michal Gryga, Ph.D.
Bc. Jaroslav Bartuněk

Hlavním cílem projektu je zapojení celkem devíti studentů oborů Aplikovaná fyzika a Nanotechnologie do výzkumné problematiky řešené na Katedře fyziky. Plánované výstupy jsou následující:

Optické senzory využívající rezonance povrchových plazmonových a Blochových vln (Ing. Michal Gryga, Ing. Roman Kaňok, Bc. Jakub Chylek, Bc. Jaroslav Bartuněk):

1. Minimálně dvě publikace v časopise s impakt faktorem zaměřené na analýzu a realizaci nového optického senzoru využívajícího jak SPR, tak SBWR.
2. Prezentace výsledků zaměřených na analýzu a realizaci nových optických senzorů využívajících SPR a SBWR v rámci mezinárodních SPIE konferencí: Photonis Europe 2020, Francie, resp. Polsko-Slovensko-Česká optická konference, Polsko.

Magnetismus materiálů (doc. Ing. Ondřej Životský, Ph.D., Ing. Dmitry Markov, Bc. Tereza Tkáčová, Bc. Libor Machan):

1. Publikace v časopise s impakt faktorem zaměřená na rozvoj mikroskopie magnetických sil v aplikovaném externím magnetickém poli. Prezentace výsledků v rámci mezinárodní konference JEMS 2020 v Lisabonu (Ing. Markov).
2. Publikace v časopise s impakt faktorem zaměřená na magnetooptické jevy v FeAlTi slitinách (doc. Životský).
3. Obhajoba diplomové práce Bc. Terezy Tkáčové, která je zaměřená na luminiscenci nanočástic CeO2.
4. Obhajoba diplomové práce Bc. Libora Machana zaměřená na konstrukci 3D skeneru magnetického pole.


Monitorování interakčních procesů abrazivního vodního paprsku (Bc. Adam Štefek, Bc. Martin Tyč):

1. článek v zahraničním recenzovaném časopise (např. European Journal of Industrial Engineering, International Journal of Abrasive Technology, International Journal of Machining and Machinability of Materials)
2. článek v časopise s IF (např. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Precision Engineering, Wear, International Journal of Machine Tools and Manufacture)
3. článek na konferenci, pokud možno s publikací v alespoň recenzovaném časopise zařazeném do databází Scopus a/nebo WoS

Aplikovaná jaderná fyzika (Mojgan Abolghasem, Ing. Jan Tichavský):

1. dva články v časopisech s IF
2. aktivní účast na mezinárodní konferenci (např. SESNET'20, listopad 2020, Francie)
3. dokončení doktorské disertační práce M. Abolghasem.


Zdůvodnění finančních prostředků:

Požadované finanční prostředky pokrývají zmíněné čtyři oblasti výzkumu:

Stipendia (celkem 290 049 Kč) - Stipendia studentů pracujících na projektu.

Materiálové náklady (celkem 145 tis. Kč) - Materiál pro mechanické a optické prvky, držáky, materiál pro tisk posterů, etalony, chemikálie, kapalný dusík, materiál a nástroje k výrobě experimentálních prvků a realizaci experimentů, hroty pro AFM/MFM mikroskopii, kancelářské potřeby, tonery.

Drobný hmotný a nehmotný majetek (celkem 239 tis. Kč) – Polarizátory, rotační a posuvné prvky, vlhkoměr, kontroléry motorizovaných posuvů, PC, detektor kyslíku, nákup softwaru a upgrade softwarového vybavení (Mathtype, Wrykrys), nákup knih.

Služby (celkem 247 tis. Kč) - Vložné na výše zmíněné konference, publikační poplatky, služba osobní dozimetrie, servis vzduchotechniky, školení studentů na AWJ zařízení umístěné na Strojní fakultě VŠB-TUO, ostatní služby.

Cestovní náhrady (celkem 96 tis. Kč) - Cestovné na výše zmíněné konference, konzultační cesty a na spolupracující pracoviště.

Doplňkové (režijní) náklady (celkem 113 tis. Kč)

Celkem: 1 130 049 Kč