- Něco pro hračičky (info: Doc. Mgr. Josef Mysliveček, Ph.D.)
Musí to pevně držet, topit až na 1000 oC, být elektricky i tepelně izolované a nesmí z toho nic koukat. Co to je? Držák vzorku pro experimenty ve fyzice a chemii povrchů. V rámci projektu budeme existující držák vzorku adaptovat na montáž vzorků SrTiO3 a zkusíme si prohlédnout jejich povrch rastrovacím tunelovým mikroskopem. Držák má rozměr 20 x 20 x 5 mm3 a asi 50 součástek. Odměnou za trpělivost je zajímavý výzkum, viz např. M. Setvín et al., Science 359, 572-575 (2018). - Podívej se na povrch skutečně zblízka (info: RNDr. Peter Matvija, Ph.D.)
Předběžní zájemci: František PchálekJe 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.
- Povrch pod tlakem (info: RNDr. Peter Matvija, Ph.D.)
Krystalické povrchy kovů patří mezi jedny z nejvíce prozkoumaných systémů povrchové fyziky. Tyto povrchy se častokrát využívají jako katalyzátory v průmyslově důležitých chemických reakcích (například v heterogenní katalýze), nebo slouží jako podklad pro růst dalších nanostruktur. Aby byla dosažena vyšší rychlost katalyzovaných reakcí, používá se v průmyslu vysoká teplota a vysoký tlak reaktantů. Naopak, modelové studie se provádí za zjednodušených podmínek, tj. za ultra-vysokého vakua a za pokojové nebo za snížené teploty.
V nedávném období se ukázalo, že i jednoduché a relativně inertní kovové povrchy, které byly dlouho používány například ve studiích modelových katalyzátorů, mění svou strukturu pod vlivem zvýšeného tlaku plynů [1, 2, 3] a pod vlivem zvýšené teploty (za operando podmínek). Například katalyticky aktivní povrch platiny (111) hrubne a výrazně rekonstruuje [1, 3]. Tyto změny mají zásadní vliv na chemické reakce probíhající na povrchu.
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 se pokusíme určit chemickou a atomární strukturu povrchu Pt(111) za podmínek vysokého vakua. Následně využijeme metodu NAP-STM pro pozorování změn připraveného povrchu pod vlivem zvýšeného tlaku plynu CO.
- [1] Tao F. et al., Science 327, 850-853 (2010)
- [2] Eren B. et al., Science 351, 475−478 (2016)
- [3] Tao F., Crozier P. A., Chem. Rev. 116, 3487−3539 (2016)
- Není zlato jako zlato (info: RNDr. Peter Matvija, Ph.D.)
Předběžní zájemci: Zdeněk DoležalZlato je obyčejně považováno za inertní kov, který nereaguje ani v těch nejagresivnějších chemických prostředích. I přes tuto inertnost je možné zlaté nanočástice použít jako efektivní katalyzátory různých chemických reakcí (například oxidace CO). Chemickou aktivitu nanočástic je možné přímo svázat s velikostí nanočástic a s počtem zlatých atomů na hranách nebo rozích těchto nanočástic.
Jedním ze způsobů, jakým lze připravit zlaté částice s definovaným rozměrem, je depozice zlata na jiný nereaktivní povrch obsahující rozptýlené reaktivní defekty, například povrch oxidu ceru obsahující kyslíkové vakance.
V tomto projektu společně připravíme atomárně hladký povrch oxidu ceru, obsahující různý počet defektů. Na tento povrch budeme deponovat zlato, které se po povrchu rozptýlí a vytvoří klastry. Velikost klastrů, a tudíž i jejich reaktivita, by měla záviset na počtu defektů na povrchu.
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 se pokusíme charakterizovat povrchy oxidu ceru s různým počtem kyslíkových vakancí a s různým množstvím deponovaného zlata.
- Python pro chemickou kinetiku (info: RNDr. Štěpán Roučka, Ph.D.)
Chemická kinetika je vědní obor, který se zabývá časovým vývojem chemicky interagujících systémů, ať už jde od plazma v mezihvězdném prostoru, ionty v iontové pasti, nebo třeba technologické plazma v reaktoru. Jedním ze základních úkolů chemické kinetiky je, na základě známých chemických rovnic sestavit soustavu diferenciálních rovnic popisujících časový vývoj koncentrací jednotlivých složek systému a následné řešení této soustavy.
Cílem projektu je provést rešerši dostupných softwarových knihoven v jazyce Python pro řešení problémů chemické kinetiky a následně otestovat jejich vhodnost pro použití v naší laboratoři pro on-line vyhodnocování experimentálních dat z iontové pasti. V závislosti na zájmu a schopnostech řešitele bude vybrané řešení případně integrováno do měřicího systému iontové pasti v jazyce LabView.
- Julia vs Python pro Monte Carlo a Particle-In-Cell výpočty (info: RNDr. Štěpán Roučka, Ph.D.)
Předběžní zájemci: Lukáš Létal
V rámci výzkumu nízkoteplotního plazmatu využíváme metodu Monte Carlo v kombinaci s metodou Particle-In-Cell 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 optimalizace a benchmarky pro různé parametry simulací. - Vysypávání energetických částic bleskovými výboji (info: Doc. RNDr. František Němec, Ph.D.)
Předběžní zájemci: Rebeka ViznerováMagnetické pole Země umožňuje zachycení energetických nabitých částic v okolí Země ("Van Allenovy radiační pásy"). Při vhodné interakci s vlnami však toto zachycení přestává fungovat a částice končí v zemské atmosféře ("vysypávají se"). Jedním z možných zdrojů příslušných vln jsou bleskové emise (běžné pozemské bouřky a blesky), část jejichž energie uniká ve formě elektromagnetického záření do kosmického prostoru. Předmětem projektu je studium jejich vlivu na energetické částice, s využitím kombinace družicových dat a pozemní sítě pro detekci blesků.
- Srovnání (empirických) modelů ionosféry Marsu (info: Doc. RNDr. František Němec, Ph.D.)
Předběžní zájemci: Vojtěch DienstbierSoučasné 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.
- Záření elektrické sítě pozorované družicí (info: Doc. RNDr. František Němec, Ph.D.)
Elektrické rozvodné sítě na povrchu Země vyzařují elektromagnetické vlny na harmonických frekvencích základní frekvence (50 nebo 60 Hz). Tyto vlny se mohou šířit skrz ionosféru do kosmického prostoru a následně být detekovány vlnovými přístroji na družicích, eventuálně ovlivňovat globální intenzitu plazmových vln a potažmo i toky energetických částic zachycených v radiačních pásech. Předmětem projektu je využít dostupná vlnová měření vybrané družice s nízkou drahou letu (cca 700 km) pro systematickou identifikaci a statistiku výskytu a vlastností těchto vln.
- Koncentrace plazmatu v okolí Země (info: Doc. RNDr. František Němec, Ph.D.)
Předběžní zájemci: Kamila ŠpringlováKosmické 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.
- Laserová absorpční spektroskopie ve směsi plynů (info: Doc. RNDr. Radek Plašil, Ph.D.)
Absorpční spektroskopie s využitím polovodičových laserů umožňuje snadno zjišťovat absolutní množství jednotlivých typů molekul ve směsích plynů. V naší laboratoři studujeme reakce iontů a molekul probíhající v mezihvězdném prostoru. Pro naše experimenty potřebujeme zjistit zastoupení molekuly HCN ve speciální kalibrační směsi, kterou budeme používat. Během řešení letního projektu sestavíme jednoduchou optickou aparaturu a pro řízení laseru použijeme systém LabVIEW.
- Sestavení laserového systému pro zjištění rozložení iontů v nízkoteplotní pasti (info: Doc. RNDr. Radek Plašil, Ph.D.)
Pro studium reakcí iontů a molekul v podmínkách podobných mezihvězdným oblakům plynu využíváme iontovou past. Při experimentech s aniony můžeme laserovým svazkem vyvolat odtržení elektronu a určit rozložení iontů v naší pasti. Sestavíme optický systém, který umožní zaostřeným laserovým svazkem skenovat prostor iontové pasti ve dvou rozměrech se sub-milimetrovou přesností. Budeme řídit dvě zrcadla na motorizovaných mikro-posuvech pomocí systému LabVIEW.
- Oxidace a redukce KTaO3 (info: Doc. Mgr. Martin Setvín, Ph.D., Dominik Wrana, Ph.D.)
Oxidy kovů při zahřátí v redukujících nebo oxidujících podmínkách ztrácí nebo doplňují část kyslíku z krystalické mřížky. Chybějící nebo přebývající kyslík funguje jako dopant typu n nebo p. To vede k výrazné změně fyzikálních a chemických vlastností materiálu: Barvy, elektrické vodivosti a řady dalších vlastností. Cílem tohoto projektu je zkoumat tento efekt v monokrystalech KTaO3 a jeho variacích.
Monokrystaly TiO2 (material podobný KTaO3) po zahřátí v různých podmínkách [1]. [1] M. Setvin, M. Wagner, M. Schmid, G. S. Parkinson, and U. Diebold, Chem. Soc. Rev. 46, 1772 (2017)
- Která černá je černější? (info: Doc. RNDr. Jiří Pavlů, Ph.D., RNDr. Libor Nouzák, Ph.D.)
Předběžní zájemci: Matěj Havelka
Přístroje na družicích jsou vystaveny intenzivnímu UV záření. S produkcí fotoelektronů si na exponovaných částech většinou poradí, ale co s fotoelektrony, které vzniknou díky odrazům UV v přístrojích? Abychom tento jev redukovali, je třeba upravit exponované povrchy, aby málo odrážely, tj. byly černé, ale především pro UV světlo. V projektu půjde o experimentální porovnání odrazivosti různých povrchových úprav. - Chceš merať mikroskopom atomárnych síl s hrotom tenkým len niekol’ko nanometrov? (info: RNDr. Peter Kúš, Ph.D.)
Mikroskopia atomárnych síl (AFM) je modernou, všestrannou metódou, určenou na skúmanie povrchových vlastností pevných látok. Topografia vzorky sa získava pomocu veľmi ostrého hrotu ktorý rastruje po jej povrchu a zaznamenáva/reguluje svoju výšku v závislosti na vzájomnom silovom pôsobení atómov vzorky a hrotu. Získané rozlíšenie je v ideálnom prípade v rozsahu jednotiek nm. Na našom pracovisku často pracujeme s tenkými vrstvami, pripravenými pomocou magnetrónového naprašovania. Klúčové je pre nás vedieť určiť rýchlosť depozície vrstiev. Cieľom práce bude preto zoznámiť sa so základnými funkciami AFM a preskúmať možnosti realizácie kontroly hrúbky deponovaných vrstiev metódou maskovania (viď. obrázky nižšie).
- Uřízni kus nanosendviče (info: Mgr. Jaroslava Nováková, Ph.D.)
Uřízni plátek sendvičové struktury používané ve vodíkových palivových článcích pomocí iontového svazku duálního mikroskopu SEM/FIB a zobraz jednotlivé vrstvičky, ať věcem přijdeme na kloub.
- Mikroplasty v elektronovém skenovacím mikroskopu (info: Mgr. Ivan Khalakhan, Ph.D.)
Předběžní zájemci: Martina Valášková
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.
- Nejmenší molekula s obrovskými možnostmi: vodík v palivovém článku (info: Mgr. Yurii Yakovlev, Ph.D.)
Předběžní zájemci: Martin Vaněk
Lidstvo dnes vyžaduje zdroj čisté a udržitelné energie. Vodík se jeví jako budoucí nosič energie díky své vynikající hustotě energie a vlastnostem šetrným k životnímu prostředí. Cílem tohoto letního projektu je ukázat, jak lze chemickou energii vodíku přeměnit na elektřinu pomocí palivového článku. Během projektu bude získáno porozumění elektrochemickým procesům poskytujícím elektrickou energii. Účastník projektu se naučí, jak lze sestavit palivový článek, připraví a otestuje palivový článek. Zvláštní pozornost bude věnována přípravě vrstvy katalyzátoru. - Když má povrch málo kyslíku (info: RNDr. Peter Matvija, Ph.D.)
Předběžní zájemci: Štefan EvinOxid ceru je dobře známý a široce používaný materiál díky své schopnosti snadno ukládat a následně uvolňovat kyslík [1]. Tato vlastnost ho předurčuje k využití v různých katalytických aplikacích (oxidace CO, water-gas-shift, reforming uhlovodíků …), kde slouží jako aktivní substrát pro katalyticky aktivní kovy jako jsou platina, rhodium, nikl a zlato [2, 3].
Jelikož většina metod povrchové fyziky vyžaduje elektrickou vodivost vzorků a objemový oxid ceru je izolant (band gap přibližně 6 eV), v modelových studiích se místo monokrystalického oxidu ceru používají tenké epitaxní vrstvy oxidu ceru na kovech s vhodnými vlastnostmi (například Cu nebo Ru [1, 4]). Na takto připravený povrch se deponují katalyticky aktivní kovy, jejichž katalytická aktivita je podpořena přítomností oxidu ceru.
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 se pokusíme charakterizovat vliv stechiometrie monokrystalického povrchu oxidu ceru na růst platinových klastrů.
- [1] A. Trovarelli (Ed.), Catalysis by Ceria and Related Materials, Imperial College Press, London (2002)
- [2] S. Park, J.M. Vohs, R.J. Gorte, Nature, 404 (2000), p. 265
- [3] Q. Fu, H. Saltsburg, M. Flytzani-Stephanopoulos, Science, 301 (2003), p. 935
- [4] J.-L. Lu, H.-J. Gao, S. Shaikhutdinov, H.-J. Freund, Surface Science, Volume 600, Issue 22, 2006
- Polohy rázové vlny a magnetopauzy: jak přesné jsou dostupné magnetohydrodynamické modely? (info: Doc. RNDr. František Němec, Ph.D.)
Přesečení dvou klíčových hranic vznikajících při interakci slunečního větru se Zemí (rázová vlna, magnetopauza) lze kromě družicových dat identifikovat i ve výstupech globálních magnetohydrodynamických modelů. Náplní projektu je srovnat polohy reálně pozorovaných přesečení s polohami modelovými a vyhodnotit, do jaké míry se tyto shodují. - Mapování mechanických vlastností materiálů hrotem AFM (info: Mgr. Ivan Khalakhan, Ph.D.)
Mikroskopie atomárních sil (AFM), založená na vyhodnocení síly působící mezi sondou a povrchem, je ideálním nástrojem pro lokální měření mechanických vlastností materiálu včetně pružnosti a přilnavosti a zároveň umožňuje zobrazování topografie povrchu.
- Reklamní relaxace (info: Doc. Mgr. Josef Mysliveček, Ph.D.)
Dobré zboží se chválí samo. Ale co když je všechno zboží dobré, a navíc je ho tak mnoho, jako je článků ve vědeckých časopisech? Jedním ze způsobů, jak zajistit práci zvýšenou pozornost, je vytvoření tzv. “cover image“, který bude v případě úspěchu v redakci otištěn na titulní straně časopisu. Přijďte si tvorbu cover image vyzkoušet! Podaří se Vám přetavit strohá data v poutavý obrazový příběh?
Obrázek: příklad cover image ke studii z naší laboratoře - Jednoduchá simulace plazmatu metodou Particle-in-Cell (info: RNDr. Štěpán Roučka, Ph.D.)
Předběžní zájemci: Karel Kraus
Cílem projektu bude implementace 1D modelu plazmatu, který bude využíván jednak pro výukové účely a jednak pro potřeby přibližných výpočtů v Laboratoři elementárních procesů v plazmatu. Důraz bude kladen na snadnou čitelnost zdrojového kódu, rozšiřitelnost a jednoduché rozhraní pro uživatele. Pro implementaci bude využito vysokoúrovňových jazyků Python či Julia a výsledný kód bude otestován při řešení vybraných problémů z fyziky plazmatu. - Srážka kosmické sondy s velmi rychlým prachovým zrnem (info: RNDr. Jakub Vaverka, Ph.D.)
Kosmický prostor je plný malých prachových zrn, která se mohou velkou rychlostí srazit nejen s planetkami, ale i s vědeckými sondami. Při těchto srážkách obvykle vzniká oblak plazmatu, který může následně ovlivnit vědecké přístroje na palubě této sondy. Cílem projektu je studium těchto událostí převážně pomocí dat z přístrojů na měření elektrického pole. - Prozkoumej skladbu složených očí několika druhů hmyzu (info: Prof. Mgr. Iva Matolínová, Dr.)
Předběžní zájemci: Jaroslav Herman
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.
- Nanočástice v Monte Carlo (info: Doc. Mgr. Josef Mysliveček, Ph.D.)
Baví Vás to s počítačem? Skriptovat, vizualizovat, hledat souvislosti? Zkuste si práci s kinetickým Monte Carlo modelem růstu kovových nanočástic. V principu jde o jednoduchou hříčku, která se Vám ale může odměnit odkrytím nečekaných souvislostí rozhodujících o efektivitě a životnosti průmyslových technologií, například katalyzátorů pro konverze energie.
Obrázek: Kinetická Monte Carlo simulace nukleace kovových částic na povrchu s lineárními defekty. - Osvěžme lanthanoid v kapkách vodních par (info: RNDr. Břetislav Šmíd, Ph.D.)
Předběžní zájemci: Orsolya Morvai
Jak se bude chovat oxid jednoho z lanthanoidů, ceru, který patří k nejvíce zastoupeným prvkům skupiny kovů vzácných zemin a jehož zajímavou vlastností je, že může existovat ve dvou oxidačních stavech (Ce3+ a Ce4+), ve vodním prostředí? Cílem projektu je porozumět, jakým způsobem molekuly vody ovlivňují oxidační stav Ce3+ a Ce4+ na vrstvách oxidu ceru připravených v ultra vysokém vakuu a studovaných metodou rentgenové fotoelektronové spektroskopie v operando podmínkách. - Vliv uhlíkové kontaminace na povrch katalyzátoru (info: RNDr. Peter Matvija, Ph.D.)
Předběžní zájemci: Martin OrmošOxid ceru je dobře známý a široce používaný materiál díky své schopnosti snadno ukládat a následně uvolňovat kyslík [1]. Tato vlastnost ho předurčuje k využití v různých katalytických aplikacích (oxidace CO, water-gas-shift, reformace uhlovodíků …), kde slouží jako aktivní substrát pro katalyticky aktivní kovy jako jsou platina, rhodium a nikl [2, 3]. Průmyslové katalytické reakce častokrát probíhají za vysokého tlaku reaktantů, za vysoké teploty a v prostředí, které není stoprocentně čisté. Tyto faktory vedou k degradaci a snížení katalytické aktivity povrchu katalyzátoru. Jedním z nejvýznamnějších kontaminantů jsou různé formy uhlíkatých sloučenin.
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 se pokusíme charakterizovat vliv uhlíkové kontaminace na topografii a chemický stav povrchu oxidu ceru s malým množstvím katalyticky aktivního kovu (platina).
- [1] A. Trovarelli (Ed.), Catalysis by Ceria and Related Materials, Imperial College Press, London (2002)
- [2] S. Park, J.M. Vohs, R.J. Gorte, Nature, 404 (2000), p. 265
- [3] Q. Fu, H. Saltsburg, M. Flytzani-Stephanopoulos, Science, 301 (2003), p. 935