|
Molecular chemical physics and sensorics
Doktorský program,
Fakulta chemicko-inženýrská
The aim of the doctoral study programme Molecular Chemical Physics and Sensors is to prepare highly qualified specialists in the interdisciplinary fields of molecular chemical physics and sensorics. The main areas of study of this programme are related to knowledge of quantum physics and quantum chemistry, optics, electronics, vacuum physics, spectroscopy, modelling of molecules and molecular processes, and theoretical and experimental methods of studying nanostructures. As part of this study, PhD students will be prepared for independent research work in laboratories as well as for managerial positions at various levels, both in the public institutions and in the private sector. The aim of the doctoral study programme is to deepen and broaden students' knowledge so that they can combine experimental work with computational models and analyze large multivariate datasets with the aim of qualified evaluation of information and formulation of appropriate conclusions. UplatněníGraduates of the doctoral study programme Molecular Chemical Physics and Sensorics will have both deep theoretical knowledge and extensive experimental experience in chemical-physical disciplines (quantum theory, optics, optoelectronics, spectroscopy, computational chemistry and modelling of molecular and supramolecular systems, etc.). Graduates will be prepared for highly creative work in interdisciplinary teams dealing with molecular chemical physics, sensorics, spectroscopy, computational chemistry and nanostructure research, they will be able to communicate with experts in the field of measurement and control technology, physical and analytical chemistry, computer data evaluation or material research. Graduates will have extensive experience in communicating specialised knowledge in the form of written / electronic texts, especially in English, as well as oral and poster presentations. Detaily programu
Vypsané disertační práce pro rok 2025/26Ab initio modelování přenosu nosičů náboje v polymorfních organických polovodičích
AnotaceVelká strukturální a chemická variabilita organických polovodičů vyvolává potřebu výpočetního screeningu klíčových parametrů elektronové struktury a souvisejících vlastností objemové fáze, jako je šířka zakázaného pásu nebo mobilita nosiče náboje. Posledně jmenovaná vlastnost zůstává u většiny existujících organických polovodivých materiálů spíše nízká ve srovnání s tradičními anorganickými krystalickými platformami optoelektronických zařízení. Pochopení vztahů mezi krystalovou strukturou, nekovalentními interakcemi molekul v ní, elektronickými vlastnostmi, vodivostí a odezvou všech těchto vlastností na změny teploty a tlaku značně urychlí materiálový výzkum v oblasti organických polovodičů. Tato práce bude využívat zavedené metody elektronové struktury s periodickými okrajovými podmínkami a také ab initio fragmentační metody k mapování koheze organických polovodičů s pohyblivostí nosiče náboje v krystalických i amorfních strukturách těchto materiálů. Ab initio výpočty a Marcusova teorie budou použity jako výchozí bod pro detailní zkoumání vlivu lokálních strukturních variací v důsledku chemické substituce, tepelného pohybu nebo polymorfismu na vodivost cílových materiálů. Ab initio zpřesnění metod pro hledání kokrystalů farmaceuticky aktivních látek
AnotaceModerní formulace léčiv často spoléhají na kokrystalické formy, jejichž krystalová mřížka je vytvořena z více chemických látek, typicky určité aktivní farmaceutické složky a další biokompatibilní sloučeniny, která se v tomto kontextu nazývá koformer. Tyto kokrystalické lékové formy často mohou vykazovat vyšší rozpustnost, stabilitu nebo jiné prospěšné vlastnosti ve srovnání s krystaly čistých aktivních farmaceutických složek. Protože molekulární materiály mají tendenci krystalizovat v jednosložkových krystalech spíše než v kokrystalech, nalezení vhodného koformeru pro danou aktivní farmaceutickou složku může být velmi zdlouhavý a pracný proces. Aby se obešly nákladné experimenty typu pokus-omyl, in silico metody mohou pomoci předem vybrat seznam možných koformerů nabízejících vysokou pravděpodobnost vytvoření kokrystalu. V současnosti dostupné metody se zaměřují na screening elektrostatického potenciálu kolem hodnocených molekul a empirické párování jeho maxim a minim pro jednotlivé molekuly, což umožňuje screening koformerů se slušnou přesností pro molekuly s převážně vodíkovými vazbami. Tato práce se zaměří na začlenění ab initio výpočtů molekulárních interakcí, které přinesou další zlepšení také pro screening kokrystalů větších molekul s převažujícími disperzními složkami jejich interakcí. Nově budou zvažovány také dopady stechiometrických variací a prostorového balení molekul v mřížce kokrystalu, což značně rozšíří rozsah použitelnosti současných postupů screeningu kokrystalů. Kvantová chemie na dostupných, šumem ovlivněných, kvantových počítačích
AnotaceKvantové počítače představují jeden z největších technologických příslibů současné doby, protože nabízí bezprecedentní výpočetní výkon v podobě exponenciálního zrychlení konkrétních typů problémů. Hledání základního (a nízko ležících) elektronických stavů molekul, což je ústřední úloha kvantové chemie, patří mezi zmíněné problémy. Ve skutečnosti mají kvantové počítače potenciál zcela změnit chemický výzkum. Cílem doktorské práce bude vývoj nových hybridních kvantově-klasických algoritmů založených na variačním eigensolveru (VQE), které umožní řešení realistických chemických problémů na současných kvantových počítačích, které ještě nedovolují implementaci robustní kvantové opravy chyb. Kvantový sensing pomocí optických bionanosenzorů
AnotaceKvantové nanosenzory přináší oproti klasický senzorům výhodu velké citlivosti a vysokého rozlišení. Jedním typem takového kvantového nanosenzoru jsou fotoluminiscenční nanočástice, jejichž detekce spočívá v sledování změn luminiscence v odpovědi na vnější podněty. Cílem práce bude čtení optických nanosenzorů s využitím pulzní optické EPR detekce a sledováním spektrálních změn. Student bude navrhovat a implementovat pokročilé pulzní sekvence do stávajícího kvantového konfokálního mikroskopu, provádět a vyhodnocovat měření. Dále bude optimalizovat senzitivitu nanosenzorů pomocí chemických modifikací povrchu. Výstupem práce bude časově-rozlišená lokální kvantová detekce v biologicky relevantním prostředí. Ochranné štíty autonomních systémů před elektromagnetickými interferencemi
AnotacePrudký nástup autonomních systémů typu robotických pomocníků, dronů či samořiditelných vozidel sebou nevyhnutelně přinesl nárůst využití zařízení pro určování polohy, jako jsou například mikrovlnné senzory, či pokročilá lidarová, radarová či rádiová technika. Díky tomu také narůstá pravděpodobnost existence nežádoucích interferencí tohoto elektromagnetického vlnění s integrovanými obvody autonomního zařízení, což může ve svém důsledku vést ke zvýšené pravděpodobnosti výskytu nebezpečných jevů, včetně havárií a ztrát na lidských životech. Cílem této práce je proto vyvinout nové materiály pro útlum elektromagnetických interferencí a aplikovat je jako ochranné štíty v provozní oblasti elektromagnetického spektra stávajících systémů pro určování polohy. Práce bude zaměřena na vyhledání, syntézu a charakterizaci vhodných elektrických a magnetických materiálů a jejich nanostrukturovaných analogů a následný design, výroba a testování nových lehkých a flexibilních ochranných štítů. Součástí práce také bude modelování a vyhodnocování stínící účinnosti ochranných štítů v simulovaných i reálných podmínkách provozu autonomních systémů. Příprava a charakterizace kvantově-optických bionanosenzorů
AnotaceFotoluminiscenční nanodiamanty jsou novým typem kvantových biosenzorů využívajících změnu luminiscenčních vlastností v odpovědi na vnější podněty. Oproti klasický senzorům přinášejí výhodu velké citlivosti a vysokého rozlišení, ale jsou často nespecifické. Cílem práce bude chemická funkcionalizace těchto senzorů za účelem specifické a citlivé detekce v biologicky relevantním prostředí. K tomu student využije kovalentní modifikace povrchu nanosenzorů v koloidním stavu a provede jejich následnou charakterizaci. Funkčnost takto zkonstruovaného nanosenzoru ověří pomocí kvantového konfokálního mikroskopu s využitím pokročilých pulzních sekvencí. Výstupem práce bude časově-rozlišená lokální kvantová detekce specifických molekul. Senzorová pole taktilních senzorů teploty a tlaku
AnotaceTaktilní senzory teploty či tlaku jsou zařízení použitá v robotice při vyhodnocování interakce robota s jinými objekty. Jedná se například o manipulaci s objektem, měření prokluzu uchopeného objektu, zjišťování souřadnic polohy objektu či měření velikosti síly působící na objekt. Krajním případem jsou složité taktilní systémy, jejichž účelem je simulace a nahrazování lidského hmatu. Senzory, které se pro uvedené účely používají, musí být dostatečně miniaturní, citlivé na malé změny tlaku, musí mít příznivé dynamické vlastnosti a časovou i operační stálost parametrů. Vzhledem k očekávané vysoké hustotě taktilních senzorů zapojených i v jednoduchých aplikacích, musí existovat možnost jejich provozu ve formě senzorových polí a zpracování dat pomocí pokročilých matematicko-statistických algoritmů. V neposlední řadě musí být náklady na jejich výrobu přiměřené, aby bylo možné je snadno nahrazovat v případě opotřebení. Cílem této práce je proto vyvinout nové typy taktilních senzorů teploty a tlaku na bázi moderních nanomateriálů, které bude možné používat v experimentech s měřením časově a prostorově rozložené síly působící na matici senzorů. Součástí práce bude příprava, charakterizace a zpracování termoeletrických a piezorezistivních materiálů na bázi organických nanostrukturovaných polovodičů a uhlíkových nanostruktur. Testování těchto látek bude mimo jiné zahrnovat strukturní, chemickou a mechanickou analýzu a měření elektrických vlastností ve stejnosměrném i střídavém elektrickém poli. Vybrané materiály pak budou zpracovány do formy citlivých senzorů. Součástí této práce bude také návrh senzorových polí a dále jejich testování a zpracování signálu pomocí pokročilých algoritmů. Spinristor a memristor: Molekulární přepínače s přidanými funkcemi.
AnotaceVzhledem k tomu, že miniaturizace elektronických součástek dosahuje svých limitů, se jednomolekulární součástky jeví jako perspektivní alternativa. Náš návrh se zaměřuje na vyplnění mezery v molekulární elektronice prostřednictvím vývoje přepínatelných spinových filtrů. Naší první fází bude teoretický průzkum, jehož cílem je identifikovat experimentálně dostupné molekuly vhodné pro spinristory, přičemž se soustředíme na zavedení spinového filtru prostřednictvím atomů kovů s otevřenou elektronovou slupkou, chirality, nebo jejich kombinace. Mezi naše počáteční cíle patří metaloporfyriny, heliceny, krátké peptidy a endohedrální fullereny. Kombinací spinového filtrování, spinového crossoveru a přepínání stavů řízeného polem budeme schopni ovlivnit přenosové vlastnosti těchto molekul. Vytvoříme knihovnu in silico charakterizovaných systémů a na základě elektronické struktury získáme klíčové poznatky o jejich funkci. Nejlepší sloučeniny následně syntetizujeme a experimentálně charakterizujeme. V konečném důsledku předpokládáme, že naše práce povede k aplikacím v oblasti ukládání dat a neuromorfického počítání. Studium prvotních interakcí bílkovin s RNA metodami výpočetní biochemie a strojového učení
AnotaceŽivot na Zemi vznikl před přibližně 4 miliardami let z tzv. prebiotické polévky biomolekul. Abiogeneze klíčových součástí buňky, např. ribozomu, probíhala jako biofyzikální optimalizace reakčních sítí. Stavební bloky biomolekul spolu interagovaly a vytvářely krátké oligomery. Interakce oligomerů zřejmě vedla k biomolekulárním komplexům s katalytickou aktivitou a tvorbě prvotních biopolymerů. Práce se zaměří na rané interakce peptidů a RNA za prebiotických podmínek. Bude zkoumat vliv prostředí (např. iontů nebo pH) na schopnost oligemorů asociovat a tvořit složitější komplexy. Práce bude využívat aparát statistické mechaniky, počítačových simulací a principů strojového učení. Vývoj moderních štítů elektromagnetického záření jako pasivní ochrany informací před odposloucháváním
AnotaceRozšiřování moderní elektroniky, integrovaných obvodů, mikroprocesorů a obecně komunikační a výpočetní techniky s sebou přináší i vysoké riziko vyzrazení kritických informací o infrastruktuře, ve kterých jsou tyto prvky využívány. V krajním případě může dojít i k úniku či převzetí administrátorských oprávnění, což může být zneužito k digitálnímu vandalismu, vyzrazení důležitých informací či útokům na infrastrukturu samotnou. Jednou z velice efektivních a obtížně odhalitelných metod těchto útoků je i vzdálené odposlouchávání informací, jež jsou emanovány z elektronických zařízení ve formě elektrického či magnetického pole. S rozvojem levné rádiové techniky a v důsledků snadno dostupných knihoven a algoritmů pro zpracování signálu již nemusí být podobný útok pouze doménou bohatých, státy sponzorovaných, organizací, ale postupně může být osvojován běžnou hackerskou komunitou a zneužíván ke kriminálním účelům. Cílem této práce je tedy prozkoumat možnosti a vyvinout a otestovat lehké a flexibilní ochranné štíty na bázi moderních nanomateriálů, které budou sloužit jako účinná pasivní ochrana elektronických zařízení před vzdáleným odposloucháváním informací. Za tímto účelem budou připraveny nové kompozitní materiály na bázi elektricky vodivých nanočástic s magnetickými vlastnostmi. Budou studovány možnosti jejich kompatibilizace s nosičem, chemická struktura a morfologie, mechanické, elektrické a magnetické vlastnosti a metody a možnosti jejich zpracování do požadovaného tvaru a formy vhodné k využití v miniaturní elektronice. Součástí experimentů bude i testování pasivních štítů v simulovaných i reálných podmínkách a vyhodnocování jejich schopnosti tlumit elektromagnetické vlnění vyzařované elektronickými zařízeními. Vývoj nových výpočetních metod pro polaritonickou chemii
AnotaceRychle se rozvi?jeji?ci? obor polaritonicke? chemie pr?edstavuje zcela novy? pr?i?stup k chemii. Sve?tlo v ne?m neni? jen vedlejs?i? faktor chemicky?ch reakci? nebo obecny? zdroj energie, ale ma? daleko vy?znamne?js?i? roli. Di?ky silne? interakci molekul s rezonanc?ni?mi mo?dy kavit vznikaji? hybridni? stavy sve?tla a hmoty zna?me? jako polaritony, ktere? pr?i?mo ovlivn?uji? vlastnosti molekul a nabi?zeji? alternativni? cesty k pr?i?me?mu r?i?zeni? a manipulaci chemicky?ch procesu?. V chemicky?ch reakci?ch mu?z?e polaritonicka? chemie napr?i?klad nahradit funkci klasicky?ch katalyza?toru?. Tato práce si klade za ci?l vy?voj novy?ch vy?poc?etni?ch pr?i?stupu? pro popis silne? korelovany?ch molekul v prostr?edi? rezonanc?ni?ch kavit, založených na metodě renormalizac?ni? grupy matice hustoty (DMRG). |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Aktualizováno: 25.8.2022 15:42, Autor: Jan Kříž