Studentská grantová soutěž - předchozí roky

Diagnostika, charakterizace a modelování vybraných materiálů a jejich fyzikálních vlastností II

SP2021/64

Životský Ondřej prof. Ing., Ph.D.

01. 01. 2021 - 31. 12. 2021

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 zaměřen na optické senzory využívající rezonance vidů, rezonance Blochových vln a Tammovy rezonance. Cíle projektu je možno rozdělit do tří vzájemně se doplňujících směrů, zaměřených na teoretické a experimentální studium optických senzorů využívajících rezonance vidů, rezonance Blochových vln a Tammovy rezonance: 1) Teoretická a experimentální analýza nových optických senzorů využívajících rezonance vidů v jednoduchých či mřížkových fotonických strukturách. 2) Teoretická a experimentální analýza nových optických senzorů využívajících rezonance povrchových Blochových vln. 3) Teoretická a experimentální analýza nových optických senzorů využívajících Tammovy rezonance. V rámci řešení projektu budeme studovat novou metodu měření změn indexu lomu kapalného analytu pomocí rezonance vidů v jednoduchých či mřížkových fotonických strukturách, resp. pomocí rezonancí povrchových Blochových vln (SBWR) a Tammových rezonancí (TR). V prvním případě půjde o analýzu velmi citlivého refraktometru využívající jednoduchou planární strukturu zahrnující vrstvu zlata a vrstvu dielektrika a detekující změny rezonanční vlnové délky se změnou indexu lomu kapalného analytu v Kretschmannově uspořádání. Analýza bude rozšířena o mřížku a budou určeny optimální parametry mřížky pro realizaci senzoru s co největší citlivostí. Funkčnost těchto senzorů bude experimentálně ověřena pro vhodné kapalné analyty (roztoky soli ve vodě). V rámci řešení projektu budeme dále studovat metodu měření změn indexu lomu jak plynného, tak kapalného analytu. Metoda bude založena na detekci posuvu minima odrazivosti, resp. maxima derivace fáze indukované jevem SBWR. Změnu fáze budeme určovat jak v prostorové, tak ve spektrální oblasti. Pro teoretickou analýzu využijeme znalost odezvové funkce fotonického krystalu reprezentovaného soustavou mnoha dielektrických vrstev, kdy poslední vrstva je porézní. Na základě modelu této odezvové funkce bude navržena nová velice citlivá metoda detekce plynných analytů, která bude využívat Kretschmannova uspořádání. Funkčnost této metody bude experimentálně ověřena pro vhodné analyty (vzduch různé relativní vlhkosti, atd.). Navíc rozšíříme analýzu fotonického krystalu s poslední porézní vrstvou o tenkou vrstvu zlata, což bude základem vybuzení TR. Provedeme teoretickou analýzu takto koncipovaného senzoru a ověříme experimentálně jeho funkčnost pro vhodné analyty (vzduch různé relativní vlhkosti, atd.). Druhý směr je věnován studiu magnetostrikce amorfních pásků na bázi Co a Fe, magnetickým vlastnostem sorbentů na bázi FeO/CeO2 a strukturní a magnetické charakterizaci inverzních Heuslerových slitin Mn2FeSi. Výzkum bude orientován do tří klíčových směrů: 1) Prvním směrem bude rozvoj techniky umožňující měření povrchového magnetostrikčního koeficientu v nasycení u amorfních materiálů na bázi Co a Fe připravených metodou rovinného lití. K měření bude využita magnetooptická Kerrova mikroskopie, která umožňuje současné pozorování magnetických domén a vykreslení magnetooptických hysterezních smyček na povrchu pásku v závislosti na aplikovaném tahovém napětí. Magnetostrikční koeficient v nasycení bude stanoven z nalezených hodnot anizotropního pole pomocí Becker-Kerstenovy metody a následně porovnán s objemovou hodnotou uvedenou v literatuře. K dispozici budou dvě série pásků (FeSiB a FeCoB), u nichž se systematicky mění poměr Si/B respektive Fe/Co. 2) Druhý směr je zaměřen na dvousložkové separovatelné sorbenty FeO/CeO2, které se využívají k odstraňování nebezpečných pesticidů z vody a půdy. Vzorky budou připraveny ve spolupráci s Univerzitou Jana Evangelisty Purkyně v Ústí nad Labem, kde bude také testována jejich degradační účinnost proti vybraným látkám v závislosti na teplotě kalcinace a množství CeO2. Magnetické vlastnosti budou stanoveny pomocí vibračního magnetometru Microsense EZ9. Zaměříme se zejména na parametry určené z pokojových hysterezních smyček a na magnetické interakce mezi částicemi stanovené pomocí Henkelových grafů a křivek FORC (first-order reversal curves). Dále budou sledovány transformace oxidů železa, magnetit – maghemit – hematit, v závislosti na kalcinační teplotě (oxidační atmosféra). 3) Poslední směr zahrnuje přípravu a strukturní a magnetickou charakterizaci inverzních Heuslerových slitin Mn2FeSi připravených různými technologiemi. Jednak budou vyrobeny ingoty (objemové materiály) tohoto materiálu pomocí obloukového a indukčního tavení a jednak pásky s tloušťkou cca 20-30 m metodou rovinného lití. Výzkum bude probíhat ve spolupráci s fakultou FMT VŠB-TUO, MFF UK v Praze a přírodovědeckou fakultou UP v Olomouci. Cílem je získání nových poznatků o chování těchto nových slitin na nízkých, pokojových a vysokých teplotách, na základě nichž by měly být predikovány jejich potenciální praktické aplikace. Třetí směr je zaměřen na řízení interakčních procesů abrazivního vodního paprsku (AWJ). Předmětem výzkumu jsou teoretické a experimentální práce zaměřené na přípravu řídících postupů při obrábění materiálů pomocí AWJ. Na základě monitorování interakčního procesu prostřednictvím silového působení a vibrací jsou zjišťovány optimální sledovatelné odezvy, pomocí kterých bude možno v online režimu určovat kvalitu práce AWJ. Tyto poznatky by měly být využitelné nejen při klasickém použití AWJ, tedy dělení materiálů, ale i při vrtání, soustružení, frézování, broušení a leštění. Teoretická část práce bude zaměřena na stanovení vztahů mezi parametry paprsku, materiálu a faktory obrábění. V experimentální práci budou nejen ověřovány připravené teoretické vztahy, ale také zkoušeny nové postupy při určování kvality paprsku i obráběcího procesu. Jedním z postupů bude aplikace magnetického abraziva pro měření rychlosti proudění abrazivních částic a abrazivního paprsku. Druhým je zkoušení magnetického materiálu pro řízení odklonu paprsku. Na základě laboratorních experimentálních výsledků a měření, která byla obsahem bakalářských a diplomových prací studentů zúčastněných na projektu, byl zahájen program směřující nejen k monitorování procesů interakce AWJ s materiálem, ale i jejich cíleného řízení. Jedním z cílů je vhodnými postupy při monitorování procesů určit nejlepší parametry, jejichž sledováním v online režimu je možno efektivně řídit obráběcí procesy AWJ. Studenti při řešení využijí zkušenosti získané během studijního pobytu v laboratoři Dipartimento di Meccanica na Politecnico di Milano. Druhým cílem je hledat nové způsoby zvýšení kvality AWJ. K dosažení tohoto cíle je třeba vyvinout nové způsoby monitorování některých procesů (např. sání abraziva), ale i potenciálního řízení toku kapaliny. Na základě zkušeností byly pro tyto účely vybrány magnetické materiály. Experimentální práci budou zajišťovat studenti doktorského studia studijního programu Aplikovaná fyzika, Ing. Adam Štefek a Ing. Martin Tyč a student navazujícího magisterského studia Bc. Jiří Kozelský. Připravené modely, funkční vzorky a postupy budou testovány na zařízení v laboratoři J165 s vlastními čerpadly a manipulační technikou. Pokud to umožní zdravotní omezení, budou dílčí postupy testovány i na jiných strojích (např. Kámen Ostroměř, PTV Hostivice, Politechnika Kielce, Politecnico di Milano, DRC Prešov, Watting Prešov), aby se vyloučila možnost, že jsou výsledky průkazné pouze na zařízeních určitého typu. Čtvrtým směrem výzkumu projektu je rozvoj aplikované jaderné fyziky. Teoretická část bude zaměřena na studium struktury přechodových atomových jader pomocí algebraického kolektivního modelu a mikroskopických modelů se započtením zbytkových interakcí s dr. Thiamovou (Politechnika Grenoble). Výzkum se bude věnovat zejména studiu fázových přechodů. Další oblastí výzkumu bude studium sférických jader v blízkosti dvakrát magických jader a porovnání výsledků mikroskopických a fenomenologických modelů. Experimentální část bude zaměřena na studium spekter kosmického záření měřených na stratosférických balónech a na testování detektorů kosmického záření na neutronovém generátoru ve spolupráci s oddělením dozimetrie Ústavu jaderné fyziky v Řeži (P. Berka) a na Monte Carlo modelování detektorů gama záření (O. Harkut) a měření účinných průřezů reakcí rychlých neutronů.

prof. Ing. Ondřej Životský, Ph.D.
Doc. Dr. RNDr. Petr Alexa
Bc. Jiří Kozelský
Ing. Ondřej Harkut
Ing. Roman Kaňok
Mojgan Abolghasem
Ing. Martin Tyč
Ing. Adam Štefek
Ing. Jakub Chylek
Ing. Patrik Berka
Ing. Jan Pytlík
Ing. Michal Gryga, Ph.D.
Bc. Jaroslav Bartuněk
Sara Mahiddine, M.Sc.

Hlavním cílem projektu je zapojení celkem jedenácti studentů oboru Aplikovaná fyzika 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 tři publikace v časopise s impakt faktorem (IF) zaměřené na analýzu a realizaci nového optického senzoru využívajícího jak rezonance vidů, tak SBWR a TR.
2. Prezentace výsledků zaměřených na analýzu a realizaci nových optických senzorů využívajících SPR a SBWR v rámci mezinárodní SPIE konferenci: Polsko-Slovensko-Česká optická konference, Polsko.
Magnetismus materiálů (doc. Ing. Ondřej Životský, Ph.D., Jan Pytlík):
1. Publikace v časopise s impakt faktorem zaměřená na stanovení magnetostrikce na površích amorfních pásků (Jan Pytlík).
2. Publikace v časopise s impakt faktorem zaměřená na FeO/CeO2 sorbenty (doc. Životský).
3. Publikace v časopise s impakt faktorem zaměřená na strukturní a magnetickou charakterizaci Heuslerových slitin Mn2FeSi (doc. Životský).
Řízení interakčních procesů abrazivního vodního paprsku (AWJ) (Ing. Adam Štefek, Ing. Martin Tyč, Bc. Jiří Kozelský):
1. 3 články v časopise s IF (Materials)
2. článek na konferenci, pokud možno s publikací v alespoň recenzovaném časopise zařazeném do databází Scopus a/nebo WoS
Aplikovaná jaderná fyzika (Mojgan Abolghasem, Bc. Patrik Berka, Ing. Ondřej Harkut):
1. dva články v časopisech s IF
2. dokončení doktorské disertační práce M. Abolghasem.
Výsledky projektu budou průběžně prezentovány na seminářích Katedry fyziky a na konferencích FEI.
Zdůvodnění finančních prostředků:
Stipendia (celkem 450.1 tis. Kč) - Stipendia studentů pracujících na projektu.
Materiálové náklady (celkem 210 tis. Kč) - Mechanické a optické prvky: držáky a substráty, materiál pro tisk posterů, etalony, chemikálie, kapalný dusík, plyny, stínící materiály, materiál pro 3D tisk, spotřební a laboratorní materiál, kancelářské potřeby, tonery.
Drobný hmotný a nehmotný majetek (celkem 200 tis. Kč) – Polarizátory, rotační a posuvné prvky, kontroléry motorizovaných posuvů, přečerpávací zařízení pro čerpání kapalného dusíku, 2-3 notebooky, upgrade softwarového vybavení.
Služby (celkem 310 tis. Kč) - Vložné konferencí, publikační poplatky do open access časopisů, služba osobní dozimetrie, servis vzduchotechniky, pronájem tlakových lahví, kalibrace vah, ostatní služby.
Cestovní náhrady (celkem 30 tis. Kč) - Cestovné konferencí, konzultační cesty na spolupracující pracoviště, cestovné tuzemské - vypouštění stratosférických balónů.
Doplňkové (režijní) náklady (celkem 149.9 tis. Kč)
Investice (celkem 149 tis. Kč) – Gravimetrická žíhací pec s teplotou ohřevu do 1200°C.
Celkem: 1 499 tis. Kč