|
Molekulární chemická fyzika a senzorika
Doktorský program,
Fakulta chemicko-inženýrská
Cílem studia doktorského studijního programu Molekulární chemická fyzika a senzorika je příprava vysoce kvalifikovaných odborníků v interdisciplinárních oblastech molekulární chemické fyziky a senzoriky zahrnujících jak teoretickou, tak i experimentální práci. Stěžejní oblasti studia tohoto programu souvisí se znalostí kvantové fyziky a kvantové chemie, optiky, elektroniky, vakuové fyziky, spektroskopie, modelování molekul a molekulárních procesů a teoretických i experimentálních metod studia nanostruktur. V rámci tohoto studia budou doktorandi připravováni jednak na samostatnou vědecko-výzkumnou práci v interdisciplinární oblasti molekulární chemické fyziky a senzoriky i v oborech příbuzných (měřicí technika, mikro- a nano-skopie a mikrospektroskopie, chemie a fyzika fázových rozhraní, nanotechnologie atp.), jednak budou připraveni na práci na pracovištích s laboratorním zaměřením, kde budou schopni vykonávat funkce vedoucích pracovníků na různých úrovních jak ve státní správě, tak v soukromém sektoru. Doktorský studijní program si klade za cíl prohloubit a rozšířit znalosti studentů tak, aby dovedli kombinovat experimentální práci s výpočetními modely a zvládli analýzu rozsáhlých multivariátních datových souborů s cílem kvalifikovaně vyhodnotit informace a formulovat odpovídající závěry. Dalším cílem je kompetentní využití aktuální přístrojové i výpočetní techniky v dané oblasti, porozumění principům technik a schopnost účelně rozvíjet experimentální i teoretické metody této interdisciplinární oblasti. UplatněníAbsolvent doktorského studijního programu Molekulární chemická fyzika a senzorika bude mít hluboké teoretické znalosti resp. široké experimentální zkušenosti z chemicko-fyzikálních disciplín (kvantová teorie, optika, optoelektronika, spektroskopie, výpočetní chemie a modelování molekulárních a nadmolekulárních dějů apod.). Absolvent bude připraven k tvůrčí práci v mezioborových týmech zabývajících se molekulární chemickou fyzikou, senzorikou, spektroskopií, výpočetní chemií a výzkumem nanostruktur, tj. bude schopen kvalifikovaně komunikovat s odborníky v oblasti měřicí a řídicí techniky, fyzikální a analytické chemie, počítačového vyhodnocování dat či materiálového výzkumu. Absolvent doktorského studia bude mít dostatečné jazykové znalosti, aby mohl pracovat se zahraniční literaturou (především v angličtině), aby mohl psát odborné články v anglickém i českém jazyce a byl schopen efektivně komunikovat se zahraničními odborníky. Absolvent bude mít z průběhu studia bohaté zkušenosti se sdělováním odborných poznatků formou psaných/elektronických textů především v anglickém jazyce, dále pak formou ústních a plakátových sdělení. Detaily programu
Vypsané disertační práce pro rok 2026/27Ab 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. Atomární a zhrubené simulace teplotně responzivních biopolymerů ve vodném prostředí
AnotaceTeplotně responzivní chování bio-inspirovaných biopolymerů, jako je poly-N-isopropylakrylamid, elastin-like polypeptidy nebo polypeptidy typu vnitřně neuspořádaných proteinů (PNIPAM, ELPs, IDPs), je klíčovou vlastností umožňující jejich využití v cílené distribuci léčiv, biosenzorice a molekulární separaci. Tyto systémy vykazují reverzibilní fázové přechody (LCST nebo UCST), které jsou silně ovlivněny teplotou, koncentrací rozpuštěných látek a povahou přítomných kosolutů. Porozumění těmto přechodům na molekulární úrovni vyžaduje kombinaci atomistického pohledu a modelování na mezoskopické úrovni. Cílem tohoto projektu je charakterizovat strukturální a termodynamické chování modelových teplotně responzivních biopolymerů ve vodném prostředí pomocí víceúrovňového simulačního přístupu. Atomistické simulace molekulové dynamiky (MD) poskytnou detailní informace o hydrataci solutů, jejich interakcích s kosoluty a o indukovaných strukturálních a konformačních změnách biopolymeru. Tyto výsledky budou využity pro parametrizaci a validaci hrubozrnných (CG) modelů (např. CALVADOS, vyvíjený na Univerzitě v Malmö ve spolupráci s prof. Teseim), které umožní efektivní studium chování systémů v závislosti na koncentraci, včetně agregace a fázových přechodů. Zvláštní pozornost bude věnována: interakcím mezi soluty a mezi solutem a kosoluty ovlivňujícím LCST/UCST přechody, jevům kolapsu řetězce a agregace, závislosti přechodového chování na sekvenci a chemickém složení, termodynamickým veličinám přechodu (např. entalpie, entropie) získaným pomocí metod rozšířeného vzorkování.
Projekt bude probíhat ve spolupráci s experimentálními týmy, a to za účelem křížové validace simulačních předpovědí pomocí kalorimetrie, osmometrie a měření fázových rovnováh (realizovaných interně), a dále spektroskopických a rozptylových metod (ve spolupráci se zahraničními laboratořemi, prof. Cremer). Tato synergie zajistí, že simulace nejen reprodukují, ale také objasní podkladové mechanismy experimentálně pozorovaných přechodů. Bakteriální rezistence v kontextu antimikrobiálního působení netermálního plazmatu
AnotaceTato disertační práce se zaměřuje na studium potenciálu vzniku a mechanismů rozvoje bakteriální rezistence na netermální plazma. V rámci experimentální části bude sledován vliv opakované expozice netermálnímu plazmatu na vybrané bakteriální kmeny s cílem zjistit, zda a jak dochází k adaptačním změnám, které mohou ovlivnit účinnost této technologie v dlouhodobém horizontu. Součástí práce je i hodnocení praktických dopadů těchto poznatků pro budoucí využití netermálního plazmatu v oblasti dekontaminace a antimikrobiálních aplikací. Biologické polymerové gelové elektrolyty pro plně pevné flexibilní superkondenzátory
AnotaceTato práce se zaměřuje na návrh a vývoj biologických polymerních gelových elektrolytů pro plně pevné flexibilní superkondenzátory s cílem kombinovat vysoký elektrochemický výkon s mechanickou flexibilitou a environmentální udržitelností. Výzkum zkoumá obnovitelné polymerní matrice jako pevné elektrolyty a zkoumá jejich iontovou vodivost, mechanickou poddajnost a chemickou stabilitu při opakovaném ohýbání, skládání a protahování. Budou vyhodnoceny hybridní architektury elektrod a elektrolytů s cílem optimalizovat mezifázovou adhezi, transport náboje a celkovou životnost zařízení. Budou zvažovány jak vodné, tak organické elektrolytické systémy, aby se rozšířilo provozní okno a přizpůsobivost zařízení. Víceúrovňová charakterizace – včetně strukturální, chemické a elektrochemické analýzy – bude doplněna mechanickými testy, aby bylo možné pochopit vztah mezi složením elektrolytu, mechanickým chováním a elektrochemickým výkonem. Cílem této práce je vytvořit obecný rámec pro racionální návrh flexibilních, udržitelných a vysoce výkonných superkondenzátorů v pevném stavu, který připraví půdu pro jejich použití v nositelných, přenosných a měkkých elektronických zařízeních nové generace. Hybridní architektury elektrod a elektrolytů pro flexibilní a odolné superkondenzátory
AnotaceRychlý růst nositelných, přenosných a měkkých elektronických zařízení vytvořil naléhavou potřebu systémů pro ukládání energie, které kombinují vysoký výkon s mechanickou flexibilitou a odolností. Tento projekt se zaměřuje na vývoj flexibilních superkondenzátorů schopných udržovat efektivní ukládání a dodávku energie při ohýbání, skládání a protahování. Prostřednictvím zkoumání řady hybridních architektur elektrod a elektrolytů, jak vodných, tak organických, si studie klade za cíl identifikovat obecné vztahy mezi návrhem materiálu, interakcemi na rozhraní a elektrochemickým výkonem. Práce klade důraz na univerzální, mechanicky odolná řešení pro ukládání energie, která se mohou přizpůsobit novým aplikacím v nositelných a přenosných technologiích a poskytují základ pro příští generaci flexibilních, vysoce výkonných superkondenzátorů. Chirální spektroskopie a dynamika v rentgenové oblasti
AnotaceFenomén chirality je klíčový pro pochopení základních procesů v živých systémech, mechanismů účinku léčiv i řady moderních technologií. V posledních desetiletích se vyvinula široká škála chirálně citlivých spektroskopických metod, avšak teprve nedávný rozvoj zdrojů a detekčních technologií umožňuje jejich systematické uplatnění také v rentgenové oblasti, a to zejména pro měření v roztoku a pro studium dynamických procesů. Cílem této dizertační práce bude teoretické i experimentální zkoumání mezí použitelnosti chirální rentgenové spektroskopie: její citlivosti, selektivity, časového rozlišení a interpretovatelnosti signálu u realistických systémů. Součástí projektu bude také širší studium chirality v dynamickém prostředí – například otázky, jak může chirální molekula „vtisknout“ chirální uspořádání či preferovanou orientaci do svého kapalného okolí, jak dlouho se taková informace zachovává a jak se projeví ve spektroskopických odezvách. K řešení budou využity metody kvantové chemie a časově závislé elektronové struktury, molekulové simulace (např. klasická i ab initio molekulová dynamika) a jejich propojení se simulacemi spektrálních signálů. Experimentální část bude zahrnovat vhodné chirálně citlivé rentgenové spektroskopické přístupy a srovnání s teoretickými predikcemi s cílem vybudovat spolehlivý interpretační rámec pro měření v roztoku a pro ultrarychlé procesy. Integrace strojového učení do spektroskopických simulací založených na dynamickém přístupu
AnotaceTato disertační práce se zaměřuje na rozvoj dynamických metod pro spektroskopické simulace prostřednictvím strojového učení. Tradiční statické přístupy často spoléhají na harmonické a jiné aproximace, čímž zanedbávají anarmonické a teplotní efekty nebo interferenční jevy. Naproti tomu dynamické metody využívají molekulární dynamiku a autokorelační funkce k výpočtu vibračních (IR, Raman) a elektronových (UV/Vis) spekter, čímž nabízí vyšší přesnost, avšak za cenu značných výpočetních nákladů. Tato práce integruje nejmodernějších architektury strojového učení, jako jsou ekvivariantní neuronové sítě a metody založené na jádrové transformaci, pro urychlení takových simulací při zachování nebo zlepšení přesnosti. Metodické inovace této práce zahrnují predikci sil, dipólových momentů, polarizovatelností a elektronově excitovaných stavů podél semiclassických trajektorií s použitím strojového učení. Tyto vylepšení by měla umožnit nasazení jinak neproveditelných nebo velmi nákladných spektroskopických metod, jako je například dephasing reprezentace. Navržené přístupy budou aplikovány na komplexní systémy, jako jsou rhodaminová barviva nebo uhlíkové materiály, což umožní vyjímečný vhled do anharmonických efektů a spektrálních vlastností při zlomku výpočetních nákladů. Modelování vysoce koncentrovaných elektrolytů
AnotaceElektrolyty s mimořádně vysokými koncentracemi (např. koncepty typu water-in-salt) jsou nedílnou součástí nových systémů pro uchování a konverzi energie, protože mohou zásadně ovlivnit stabilitu rozhraní, transport i elektrochemické okno. Přesto je naše porozumění těmto kapalinám na molekulární úrovni stále nedostatečné: v extrémně koncentrovaném režimu dominují silné korelace iont–iont a iont–rozpouštědlo, komplexní solvatace a lokální heterogenita, což ztěžuje interpretaci experimentů i racionální návrh složení. Navrhovaná dizertační práce si klade za cíl tuto mezeru vyplnit pomocí pokročilých výpočetních technik se zaměřením na modelování struktury, dynamiky a elektronových vlastností extrémně koncentrovaných elektrolytů. Klíčovým problémem je, že většina běžných klasických force fieldů byla parametrizována pro zředěné roztoky a v ultra-koncentrovaném režimu může selhávat v popisu termodynamiky i transportu. Projekt proto bude zahrnovat vývoj a re-parametrizaci specializovaných force fieldů (včetně možností polarizovatelných či many-body popisů) a jejich systematickou validaci vůči ab initio referencím a experimentálním datům. Významnou roli budou hrát kvantové nukleární efekty, a proto budou modely navrhovány tak, aby byly konzistentní se simulacemi PIMD, které tyto efekty zahrnují. Tam, kde to bude přínosné, bude zvažováno i zapojení strojového učení (např. ML potenciálů či ML korekcí) pro zvýšení přesnosti při zachování výpočetní efektivity. Výzkum propojí klasické i kvantové simulační metody s principy statistické mechaniky a moderní kvantové chemie a bude přirozeně směřovat k úzké spolupráci s experimentálními týmy, která pomůže ukotvit a ověřit teoretické závěry. Očekávaným výsledkem jsou prediktivní modely a návrhová pravidla pro elektrolyty nové generace relevantní pro energetické aplikace. Modifikované cyklodextriny jako potenciální inhibitory tvorby β-amyloidů
AnotaceStudium interakcí molekula-kov s mikrometrovým a nanometrovým rozlišením
AnotaceInterakce molekul s kovovými povrchy hrají klíčovou roli v katalýze, povrchové chemii, senzorice i v oblasti nanotechnologií. Cílem doktorského tématu je studium těchto interakcí s využitím pokročilých experimentálních metod umožňujících prostorové rozlišení v mikrometrovém a nanometrovém měřítku. Práce bude zaměřena na sledování způsobů adsorpce nízkomelekulárních látek na plasmonické kovy za různých experimentálních podmínek. K řešení budou využity moderní spektroskopické a mikroskopické techniky (SERS, SEIRA, AFM, STM, SEM) v kombinaci s elektrochemií (EC-SERS) a metody kombinující vysoké prostorové rozlišení s chemickou selektivitou (např. s-SNOM nebo TERS). Doktorand/ka získá hluboké znalosti v oblasti charakterizace povrchů a rozhraní a přispěje k porozumění mechanismům interakcí na rozhraní molekula–kov, které jsou zásadní pro návrh nových funkčních materiálů a zařízení. Termodynamická a spektroskopická charakterizace fázového chování teplotně responzivních biopolymerů
AnotaceTeplotně responzivní biopolymery, jako jsou například poly-N-isopropylakrylamid (PNIPAM), elastinu podobné polypeptidy (ELPs) nebo biopolymery podobné vnitřně neuspořádaným proteinům (IDPs), vykazují reverzibilní fázové přechody ve vodném prostředí. Tyto přechody – včetně dolní (LCST) a horní (UCST) kritické teploty mísení – jsou citlivé na teplotu, pH, iontovou sílu i přítomnost osmolitů a solí. Porozumění těmto jevům z hlediska termodynamiky a molekulárního chování je zásadní pro racionální návrh chytrých biomateriálů pro aplikace v oblasti cíleného transportu léčiv, separací a biosenzoriky. Tato disertační práce se zaměří na experimentální charakterizaci fázového chování a interakcí mezi rozpuštěnými látkami a aditivy v těchto systémech. Budou využity techniky kalorimetrie (DSC, ITC), membránová a parciální tlaková osmometrie a dialýza pro kvantifikaci entalpií, chemických potenciálů a rozdělení složek mezi koexistující vodné fáze. Strukturní změny budou sledovány pomocí spektroskopie (UV-Vis, FTIR, Raman) a metod rozptylu (DLS, SAXS). Cílem práce bude: Zmapovat LCST/UCST chování v různých podmínkách prostředí, Kvantifikovat specifické interakce se solemi a osmology, Analyzovat rozdělování složek a vylučovací efekty v systémech se dvěma vodnými fázemi (ATPS), Poskytnout referenční termodynamická data pro srovnání s molekulárními simulacemi (např. MD a CG modely). Projekt bude realizován ve spolupráci se skupinami zaměřenými na simulace (domácí laboratoř a Prof. Tesei, Malmo Uni.) a s experty na spektroskopii a rozptylové techniky (např. skupina prof. Cremera, PennState; prof. Lund, Lundská univerzita). Interpretace dat bude podpořena nástroji statistické termodynamiky, zejména Kirkwood–Buffovou teorií. Výpočetní chemie pro EUV litografii: neadiabatická dynamika, elektronem indukovaná chemie a molekulární design
AnotaceEUV litografie se velmi rychle vyvíjí a její další vývoj je podmíněn porozumění materiálů na molekulární úrovni. Řada klíčových mechanistických aspektů však zůstává nejasná – zejména to, jak absorpce vysoce energetického záření vede ke kaskádám sekundárních elektronů, excitovaným stavům a ionizaci a jak se tyto děje promítají do následných chemických reakcí. Cílem této dizertace je vyvinout a aplikovat výpočetní metody, které tyto procesy objasní a umožní je cíleně řídit. Projekt se zaměří na neadiabatickou dynamiku a elektronem indukovanou chemii v EUV-relevantních materiálech. Propojí kvantovou mechaniku (časově závislé a případně multireferenční elektronové metody), kvantovou/semiklasickou dynamiku (neadiabatická dynamika) a statistickou fyziku (reakční sítě, zhrubnění modelu, kinetické a Monte-Carlo přístupy). Výsledkem mají být mechanistické poznatky, prediktivní modely a návrhová pravidla pro molekulární design chemie pro EUV litografii. Využití aerogelů pro senzory plynů
AnotaceVýznamný rozvoj technologií přípravy nanomateriálů v posledních dvou dekádách umožnil přípravu celé řady senzoricky aktivních materiálů s unikátní strukturou a vlastnostmi. Poměrně jednoduchou technikou superkritického sušení je dnes z materiálů používaných pro chemické senzory možno připravovat aktivní vrstvy ve formě aerogelů. Z hlediska chemické senzoriky vykazují takto nanostrukturované materiály v mnoha směrech unikátní vlastnosti (vysoká citlivost a selektivita, velký aktivní povrch). Cílem práce bude návrh a realizace senzorů na bázi aerogelů tvořených anorganickými oxidy a jejich případnou chemickou (selektivní organické receptory, modifikátory povrchového napětí) a fyzikální modifikací (laserové žíhání, zabudování katalyticky aktivních nanočástic). Pro vyhodnocováni senzorické odezvy se bude využívat impedanční spektroskopie a UV-VIS-NIR spektrometrie. Zkoumání a molekul molekul pomocí vysokoenergetických fotonů
AnotaceVysokoenergetické fotony v oblasti XUV/EUV představují účinný nástroj pro zkoumání molekul a jejich transformací, zároveň však otevírají relativně novou cestu k iniciaci chemických reakcí. Projekt je motivován rozvojem moderních experimentů, zejména pump–probe měření typu EUV pump – EUV probe umožněných technologiemi HHG a novějšími experimenty X-ray pump – X-ray probe realizovanými na zdrojích X-FEL. Tyto děje jsou relevantní jak z hlediska fundamentálního výzkumu, tak z pohledu technologických aplikací či astrochemie. Pro jejich modelování je nezbytné vyvíjet nové výpočetní postupy, od výpočtu spektroskopických signálů až po efektivní adaptaci trajektoriových metod. Klíčovou roli budou hrát metody kvantové dynamiky a časově závislé teorie elektronové struktury. |
Nacházíte se: VŠCHT → Web PhD → Zájemci o doktorské studium → Doktorské studijní programy a vypsaná témata prací → Detail programu
Aktualizováno: 16.2.2026 17:31, Autor: Jakub Staś