KFPP vypisuje malé vědecké projekty pro studenty 1. a 2. ročníku fyziky. Řešení projektů, jejichž nabídka je níže, bude probíhat od června do září 2020, tedy hlavně v době prázdnin. Během té doby se můžete seznámit podrobněji se sice drobným, ale konkrétním a aktuálním problémem, který na katedře řešíme. Vaše pomoc při řešení bude velmi vítaná.
A co bude výsledek projektu? Krátká prezentace na společném setkání řešitelů a vedoucích, které se bude konat na konci září 2020 (ve čtvrtek, 24. září 2020). Za úspěšné řešení projektu získáte odměnu 7777,-Kč, a to formou mimořádného stipendia.
Jak jsou volena témata projektů? Tak, aby i začínající student mohl na projektu pracovat. Často jsou k řešení využívány běžně užívané programy nebo již známé metody a řešení projektu spočívá hlavně v jejich vtipném použití, inovaci postupu nebo zpracování většího objemu dat.
Kdo mi při řešení projektu poradí? U každého projektu je obvykle uveden jeden vedoucí a jeden student magisterského nebo postgraduálního studia, na které je možné se vždy obrátit s dotazem.
Co musím udělat, abych mohl s projektem začít? Není třeba žádných větších formalit, pouze zajít za pracovníkem (jehož e-mail je u tématu uveden) a vyslovit buď přání projekt řešit nebo se informovat podrobněji o tom, co by Vás čekalo a podle toho se rozhodnout.
Kolik času mi řešení zabere? Projekty jsou vypsány tak, aby zabraly 10–12 plných pracovních dnů. Pokud chcete však o prázdninách obětovat více času, získáte lepší výsledky a větší odměnu (po dohodě s vedoucím projektu).
Přináší řešení projektů nějakou výhodu? Kromě vyzkoušení si vlastní tvůrčí práce a drobné finanční odměny také možnost pokračování při řešení fakultních studentských projektů v dalším semestru, případně, pokud Vás tématika zaujme, i další pokračování při řešení bakalářské práce. Navíc si i zkusíte způsob, jak o svém projektu na úrovni informovat ostatní spolužáky nebo pracovníky, což se v dalších letech bude hodit i pro jiné prezentace.
Seznam letošních (léto 2020) projektů (seznam témat se může kdykoliv rozšířit, pokud se vám líbí nějaké téma, které má již zájemce, nebojte se zeptat příslušného vedoucího — určitě spolu něco vymyslíte):
Nanokatalyzátor naruby (info: RNDr. Viktor Johánek, Ph.D.) Jednou z méně tradičních strategií v oblasti nanostrukturních katalyzátorů je tzv. inverzní uspořádání, kdy jsou spojitá vrstva kovu resp. kovové nanočástice částečně překryty vhodným reducibilním oxidem. Takové materiály jsou mnohdy účinnější a odolnější než běžné systémy s dispergovaným kovem neseným na vrstvě oxidu. Cílem projektu bude studium interakce mezi oběma složkami v reakčních podmínkách s využitím povrchových spektroskopických a mikroskopických metod. Viz např. Ostroverkh A. Et al., Langmuir 32(25) (2016) 6297-6309; A. Tovt et al., Appl. Surf. Sci., 465 (2019) 557–563.
Detekuje družice Cassini opravdu dopady prachových zrn? (info: RNDr. Jakub Vaverka, Ph.D.) Ověření, že detekovaný signál odpovídá dopadu prachových zrn pomocí analýzy dat z dipolové a monopolové antény.
Co udělá kostní implantát pokrytý BaTiO3 v těle? Bude pacient běhat jako koroptev nebo bídně zemře na otravu baryem? (info: Doc. RNDr. Václav Nehasil, Dr., Mgr. Zdeněk Rafaj) Metodou rentgenové fotoelektronové spektroskopie budeme sledovat, jaké množství barya se uvolní ve fyziologickém roztoku (simulace tělesného prostředí) z tenké vrstvy BaTiO3. Práce souvisí s hledáním nových biokompatibilních materiálů a jejich charakteristikou metodami fyziky povrchů ve spolupráci s FzÚ a FÚ AV ČR.
Podívej se na povrch skutečně zblízka (info: RNDr. Peter Matvija, Ph.D.) Předběžní zájemci: Julie Střihavková
Je vyleštěný povrch skutečně tak hladký jak vypadá? Jsou atomy na povrchu uspořádané, nebo ne? Jak se atomy mezi sebou vážou? Odpovědi na tyto otázky poskytují metody povrchové fyziky.
V rámci projektu se student seznámí s metodami STM (skenovací tunelová mikroskopie), AFM (mikroskopie atomárních sil), XPS (rentgenová fotoelektronová spektroskopie) a LEED (difrakce nízkoenergetických elektronů). Těmito metodami prozkoumáme jeden vybraný povrch a pokusíme se rozluštit, jak vypadá, když se na něho podíváme skutečně zblízka.
Prach nad Marsem (info: RNDr. Jakub Vaverka, Ph.D.) Analýza dat z družice MAVEN, která obíhá Mars od roku 2014.
Odkud přichází vlny, které detekuje družice ve vrchní ionosféře? (info: Doc. RNDr. František Němec, Ph.D.) Měření všech tří složek magnetického pole současně umožňuje určit polarizaci a směr šíření detekovaných elektromagnetických vln. Cílem projektu je analyzovat odpovídající data získaná družicí ve vrchní ionosféře (výška cca 700 km) a určit, odkud pozorované vlny přicházejí.
Synthesis of mesoporous silicon oxide loaded cerium oxide nanoparticles (MSNs-CeNPs) for smart drug delivery system (info: Xiaohui Ju, Ph.D.) Předběžní zájemci: Martin Janata
Nanotechnology has already greatly impacted medicine. Most recently, it has been found that cerium oxide nanoparticles (CeNPs) possess antioxidant activity at physiological pH values, and it has the potential use in biomedical applications to protect against oxidative stress[1]. It is noteworthy that biological applications of CeNPs usually require durable CeNPs solutions stable against aggregation in biological solutions. This brings about the necessity of development of methods for their synthesis and characterization[2]. Mesoporous silica nanoparticles (MSNs) were developed and investigated as smart drug delivery systems by many research groups worldwide[3, 4]. MSNs present well-defined and tunable physicochemical properties, including particle size, pore size, pore volume, surface area, volume area, pore structure, and surface functionality[5]. In the present project, we plan to optimize the synthesis condition of MSNs-CeNPs by controlling MSNs pore size distributions. MSNs will be synthesized in-situ with CeNPs using one-pot chemical precipitation method. It has been reported that pore sizes of MSNs can be simply tuned by varying reaction parameters[6]. Synthesis conditions of reagent concentrations (e.g. ethanol/water ratio) will be optimized to achieve the best loading capacities of CeNPs into MSNs. UV-Vis spectroscopy will be used to quantify the approximate loadings of CeNPs.
References
[1] I. Celardo, J.Z. Pedersen, E. Traversa, L. Ghibelli, Pharmacological potential of cerium oxide nanoparticles, Nanoscale, 3 (2011) 1411-1420.
[2] T.L. Moore, L. Rodriguez-Lorenzo, V. Hirsch, S. Balog, D. Urban, C. Jud, B. Rothen-Rutishauser, M. Lattuada, A. Petri-Fink, Nanoparticle colloidal stability in cell culture media and impact on cellular interactions, Chemical Society Reviews, 44 (2015) 6287-6305.
[3] X. Pu, J. Li, P. Qiao, M. Li, H. Wang, L. Zong, Q. Yuan, S. Duan, Mesoporous Silica Nanoparticles as a Prospective and Promising Approach for Drug Delivery and Biomedical Applications, Curr Cancer Drug Targets, 19 (2019) 285-295.
[4] M. Vallet-Regi, M. Colilla, I. Izquierdo-Barba, M. Manzano, Mesoporous Silica Nanoparticles for Drug Delivery: Current Insights, Molecules, 23 (2017).
[5] F. Tang, L. Li, D. Chen, Mesoporous silica nanoparticles: synthesis, biocompatibility and drug delivery, Adv Mater, 24 (2012) 1504-1534.
[6] Y. He, J. Li, M. Long, S. Liang, H. Xu, Tuning pore size of mesoporous silica nanoparticles simply by varying reaction parameters, Journal of Non-Crystalline Solids, 457 (2017) 9-12.
K dispozici je program optimalizující strukturu 2D molekulárních sítí, stavebních prvků budoucí nano-elektroniky. Program je třeba upravit tak, aby byl schopen automatického hledání vhodných struktur. Ideální pro nadšeného pythonistu, který se nebojí zpracování velkého množství dat.
Ukázky simlovaných molekulárních sítí s různými typy nekovalentních vazeb
Ukázky simlovaných molekulárních sítí s různými typy nekovalentních vazeb
Získejte elektřinu z vodíku (info: Mgr. Yurii Yakovlev, Ph.D.) V rámci tohoto projektu bude studována výroba energie ve vodíkových palivových článcích. Bude sestaven testovací palivový článek a měřeny klíčové charakteristiky jako generovaný výkon, aktivita katalyzátoru a impedance článku.
Mikroplasty v elektronovém skenovacím mikroskopu (info: Doc. Mgr. Iva Matolínová, Dr.) V rámci tohoto projektu budou studovány mikročástice plastu získané z běžně užívaného materiálu v potravinovém průmyslu, a to pomocí metody skenovací elektronové mikroskopie. Cílem je zvládnutí práce s elektronovým mikroskopem.
Kvalita mikroskopu atomárních sil (AFM) závisí na velikosti použitého hrotu – čím menší, tím lepší. Připravíme hroty tak malé, že nebudou vidět pouhým okem. Najdeme způsob, jak s nimi zacházet, aniž bychom zničili jejich atomárně ostré špičky?
Ukázky povedených (vlevo [1]) a nepovedených (vpravo) hrotů
Julia vs Python pro Monte Carlo výpočty (info: RNDr. Štěpán Roučka, Ph.D.) V rámci výzkumu nízkoteplotního plazmatu využíváme metodu Monte Carlo pro výpočet energetických rozdělení částic v plazmatu. Simulace standardně implementujeme v programovacích jazycích C/C++ a Python. Relativně nedávno však byla představena první stabilní verze programovacího jazyka Julia, který je od počátku navržen jako vysokoúrovňový jazyk pro výpočetně náročné úlohy. Cílem projektu je zjistit, zda je jazyk Julia vhodný pro implementaci Monte Carlo simulací. Úkolem studenta bude seznámit se se základy Julie, portovat náš stávající pythonovský kód do tohoto jazyka a provést benchmarky pro různé parametry simulací.
Mohou být neplatinové nanočástice aktivní v palivových článcích? (info: Yevheniia Lobko, Ph.D.) V rámci tohoto projektu bude student testovat aktivitu kovových nanočástic pomocí metod cyklické voltametrie a rotující diskové (kroužkové) elektrody. Z naměřených dat se poté pokusí analyzovat parametry katalytické aktivity nanočástic.
Konstrukce a testování load-lock komory pro NAP-STM/AFM (info: RNDr. Peter Matvija, Ph.D.) Předběžní zájemci: Jiří Blaha
Většina metod povrchové fyziky pro svojí správnou činnost potřebuje definované a velmi čisté prostředí, například vakuum. Nízkého tlaku plynu v experimentální komoře se dosahuje pomocí několikastupňového čerpání a pomocí ohřevu komory (~120 °C). Vzorky, které se do čisté komory vkládají, musí být předtím vyčištěné v oddělené části aparatury zvané load-lock.
Náplní studentského projektu bude kompletace load-lock komory z dostupných vakuových dílů a následné testování vakuové těsnosti a funkčnosti komory.
Studium interakce molekul CO s povrchem platiny (info: RNDr. Břetislav Šmíd, Ph.D.) Předběžní zájemci: Orsolya Morvai V rámci projektu se student seznámí s metodou povrchově citlivé rentgenové fotoelektronové spetkroskopie (X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) pro studium chemického složení materiálů. Budeme studovat adsorpci molekul oxidu uhlenatého (CO) na dobře definovaném povrchu monokrystalu platiny s následnou programově řízenou teplotní desorpcí (TDS).
Pokus se připravit dobře definovanou tenkou vrstvu pomocí magnetrónového naprašování (info: RNDr. Peter Kúš, Ph.D.) Magnetrónové naprašovanie je jednu z najrozšírenejších a najuniverzálnejších metód depozície tenkých vrstiev. Jeho výhody spočívajú predovšetkým vo variabilite depozičných rýchlostí, výbornej adhézii vrstiev, možnosti operácie pri izbovej teplote, možnosti prípravy rôznych zmesných štruktúr, ako aj schopnosti deponovať jak vodivé, tak aj nevodivé materiály. Zmenou podmienok počas depozície, typicky tlaku, privedeného výkonu, či teploty substrátu, je možné docieliť rôznej morfológie vrstvy pri jej rovnakom chemickom zložení. Cieľom práce bude zoznámiť sa s fungovovaním depozičného zariadenia obsahujúceho tri balancované magnetróny a pripraviť sériu vrstiev pri diametrálne odlišných parametroch, pričom ich chemický stav a hrúbka bude zachovaná. Následne sa pomocou skenovacej elektrónovej mikroskopie bude pozorovať miera odlišnosti ich morfológie.
Optimalizace vyhledávacích tabulek pro spektometr energetických elektronů na družici TARANIS (info: Doc. RNDr. Lubomír Přech, Dr.)
Francouzská družice TARANIS, připravovaná ke startu v srpnu 2020, bude
měřit nadoblačné efekty spojené s bleskovou aktivitou během bouřek v
nízkých vrstvách zemské atmosféry. Jedním z jejích vědeckých přístrojů, na
kterém se podílela KFPP, je dvojice detektorů energetických elektronů,
jejichž úlohou je měřit energetické a směrové rozdělení spršek
relativistických elektronů vznikajících během elektických výbojů ve
stratosféře a nebo elektronů vysypávaných z radiačních pásů.
Cílem projektu je optimalizace stávajích vyhledávacích tabulek pro
určení směru příchodu registrované částice na základě kalibračních dat
pořízených na elektronovém urychlovači v laboratořích ONERA. Nové tabulky
budou nahrány do řídící jednotky spektrometru během přejímací fáze na
orbitě na podzim t.r.
Řešitel projektu se v případě zájmu posléze může účastnit analýzy
budoucích dat z družice TARANIS.
Kalibrace vypařovadel kovů a molekul pro STM experimenty (info: Doc. RNDr. Ivan Ošťádal, CSc.) Kalibrace spočívá v určení závislosti rychlosti vypařování na teplotě vypařovadla (pokud ji lze měřit), ale hlavně na příkonu ohřevu, kterým řídíme rychlost depozice. Dalším důležitým parametrem je doba ohřevu, po které se rychlost ustálí. Pro měření množství a rychlosti vypařeného materiálu se využívá metody kmitajícího křemenného krystalu, jehož rezonanční frekvence se snižuje úměrně s rostoucí hmotností naneseného materiálu.
(a) vypařovadlo pro Sn – wolframový kelímek uvnitř proudem žhavené wolframové spirály; (b) sestava dvou spirál pro vložení kelímků s vypařovaným materiálem (v levé pozici safírový kelímek pro universální použití)
Prázdniny v kasinu (info: Doc. Mgr. Josef Mysliveček, Ph.D.) Nanočástice drahých kovů na oxidových substrátech představují technologicky nenahraditelné katalyzátory. Ovšem jen pokud částice zůstávají opravdu malé, čemuž termodynamika nepřeje. V rámci projektu budeme zkoumat kinetický Monte Carlo (KMC) model růstu nanočástic a roli povrchových defektů v něm s cílem najít obranu proti přirozenému zvětšování se (hrubnutí) nanočástic. Limitní příklad: F. Dvořák et al., Nature Communications 7, 10801 (2016).
Ionosféra Marsu: jak dobře fungují současné modely? (info: Doc. RNDr. František Němec, Ph.D.) Současné družicové projekty (Mars Express, MAVEN) poskytují dlouhodobá měření ionosféry Marsu, na jejichž základě vznikla řada empirických modelů. Předmětem projektu je využít dostupná data ke srovnání těchto modelů a vyhodnocení, který z modelů funguje za jakých podmínek nejlépe.
Jak moc „prázdné“ je kosmické prostředí okolo Země? (info: Doc. RNDr. František Němec, Ph.D.) Kosmické prostředí okolo Země (tzv. vnitřní magnetosféra) obsahuje nabité částice (plazma), jejichž koncentrace závisí podstatným způsobem na poloze a aktuální konfiguraci celého systému. Náplní projektu je využít družicová data pro charakterizaci těchto koncentrací v závislosti na relevantních parametrech.
Je možné pozorovat příčný řez elektrolyzérem vody s protonově vodivou membránou pomocí skenovacího elektronového mikroskopu? (info: RNDr. Peter Kúš, Ph.D.)
Vodný elektrolyzér s protónovo vodivou membránou (PEMWE) je základným stavebným kameňom vodíkového hospodárstva. Umožňuje totiž premenu prebytočnej elektrickej energie z obnoviteľných zdrojov v čase vysokej produkcie a nízkeho odberu na jednoducho uskladniteľnú energiu chemickú. Deje sa tak prostredníctvom endergonickej elektrochemickej reakcie 2H2O + elektrická energia -> O2 + 2H2. Produktom sú plynný vodík a kyslík, ktoré môžu byť neskôr spätne použité v palivovom článku.
MEA (Membrane Electrode Assembly) je srdcom každého PEMWE. Jedná sa o samotnú membránu PEM, ktorá je z oboch strán spojená s nanoštrukturovanými katalyzátormi a poréznymi plyn-prepúšťajúcimi vrstvami GDL (Gas Diffusion Layer).
V rámci tohto projektu sa pokúsime pozorovať stavbu funkčnej MEA pomocou moderného skenovacieho elektrónového mikroskopu. Cieľom práce bude zoznámiť sa so základnými funkciami mikroskopu a preskúmať možnosti realizácie netriviálneho snímku MEA v priečnom reze.
Prozkoumej skladbu složených očí několika druhů hmyzu (info: Doc. Mgr. Iva Matolínová, Dr.) V rámci tohoto projektu budou studovány fasetové oči hmyzu pomocí metody skenovací elektronové mikroskopie. Cílem je zvládnutí práce s elektronovým mikroskopem tak, aby bylo možné prozkoumat počet omnatidií, z kterých se oči skládají, v závislosti na druhu hmyzu.
