Studentská vědecká konference 2017

Výfukové plyny obsahují mikroskopické částice sazí, na jejichž povrchu mohou být navázány další škodlivé látky. Množství sazí je proto regulováno emisními normami. Filtry pevných částic jsou dnes nepostradatelnou součástí všech automobilů s dieselovými motory a nově jsou řazeny také za některé benzinové motory. Toto zařízení však představuje překážku ve výfukovém potrubí, která způsobuje tlakovou ztrátu a snižuje účinnost motoru. V případě moderních katalytických filtrů pevných částic, které mají uvnitř porézní struktury nanesen katalyzátor, je nutné nalézt kompromis mezi nízkou tlakovou ztrátou, vysokou filtrační účinností a katalytickou aktivitou. Celková tlaková ztráta se skládá z několika příspěvků, konkrétně z kontrakce/expanze plynu na vstupu/výstupu z filtru, jeho proudění kanálkem a průchodu skrz porézní stěnu. V této práci je diskutován význam jednotlivých příspěvků. Jejich velikost je stanovena porovnáním tlakových ztrát naměřených pro filtry o různé délce a výsledků matematického modelu filtru pevných částic. Zkoumán byl také vliv přítomnosti katalyzátoru v pórech filtru na efektivní permeabilitu stěny.  

Iontově-výměnné membrány (IVM) se používají napříč celým spektrem elektromembránových procesů. Typickými příklady jsou elektrodialýza či elektrodeionizace. Během těchto procesů může v závislosti na složitosti odsolovaného vzorku docházet k usazování anorganických a organických částic na IVM. Kromě toho, že toto znečištění zvyšuje odpor membrán, může též za určitých podmínek dojít ke vzniku neočekávaných jevů, které můžou výrazně snížit účinnost elektromembránových procesů. Jedním z takových jevů může být štěpení vody. Tato práce je věnována zanášení IVM molekulami nukleových kyselin (DNA). Především na aniontové heterogenní výměnné membráně je toto zanášení podpořeno elektrostatickými přitažlivými silami, které vedou k intenzivní adsorbci molekul DNA na membránu. Tenká vrstvička naadsorbované DNA společně s aniontovou IVM obsahující kladné funkční skupiny tvoří bipolární spojení, na kterém po aplikaci vnějšího elektrického pole běžně dochází ke štěpení vody. V této práci se zaměřuji na interakce mezi IVM a molekulami DNA. Tyto interakce jsou studovány pomocí měření chronoampérometrických a napěťoproudových křivek na mikročipech pro různé koncentrace DNA v 10 mM roztocích KCl. Zároveň pomocí trasovacích částic je sledována intenzita vírů vznikajících na diluátové straně IVM.

Mikrofluidní systémy s integrovaným polem kovových elektrod nalézají mnoho zajímavých aplikací jak v oblasti základního (např. měření prostorového rozložení elektrického potenciálu) tak aplikovaného výzkumu (elektrochemické a elektrokinetické biosenzory). Tato práce popisuje souhrnný postup pro výrobu epoxidových mikrofluidiních čipů se zlatým polem mikroelektrod, který kombinuje techniky fotolitografie, galvanického pokovování a odlévání.  Fotolitografie se provádí do speciálního fotorezistu SU-8, který umožňuje dosahovat velmi vysokých poměrů výška ku šířce struktur. V rámci této práce jsme provedli studii týkající se nanášení vrstev fotorezistů SU-8 pro dosažení různých výšek vrstvy a následně optimalizovali proudové hustoty během elektrodepozice zlata do strukturovaného fotorezistu naneseného na elektricky vodivém substrátu. Díky vlastnostem fotorezistu a kombinací těchto dvou technologií lze dosáhnout vyšších elektrod než u známé technologie obětovaného substrátu. Dále byl vyvinut postup pro celkovou kompletaci čipů a jejich uvedení do provozu. Čipy vyrobené pomocí SU-8 fotorezistu jsme porovnali s čipy vyrobenými pomocí tradiční technologie obětovaného substrátu a vyhodnotili výhody a nevýhody z hlediska jejich výroby.

Porous materials have great usage in many engineering applications. There are several ways how to create porous materials with suitable properties. One of the ways is to use nanoparticles followed by their assembly into 3D structure. In the present study we are using aggregation of nanoparticles to create bulk material. To optimize properties of porous material in this work we investigate the aggregation process, where nanoparticles of various shapes will be used as building blocks. Experimental investigate is done for both diluted but also concentrated suspension of particles under stagnant conditions. It was found that presence of fibers significantly influence the aggregation phenomena. Gained knowledge will be used in the future to optimize porous material mechanical properties.

Emise produkované spalovacími motory automobilů přispívají ke znečištění životního prostředí. Za účelem snížení těchto emisí jsou do výfukového systému zařazeny automobilové katalyzátory, které pomocí chemických reakcí přeměňují nespálené zbytky uhlovodíků, oxidy dusíku a oxid uhelnatý na dusík, oxid uhličitý a vodu. Cílem této práce je posoudit vliv vratné deaktivace platinových aktivních center na povrchu dieselového oxidačního katalyzátoru typu Pt/Al₂O₃. Byla provedena série izotermních experimentů při teplotách 150 °C a 200 °C s pulzy oxidu uhličitého a propenu. Při těchto experimentech byla sledována nejen deaktivace katalytických center (vznik PtO_X) v chudých podmínkách, ale i zpětná aktivace částic platiny způsobená pulzy CO a C₃H₆. Dále byla provedena série experimentů v podobě teplotních ramp se vstupní teplotou rostoucí od 80°C do 400°C a následně klesající zpět od 400°C do 80°C. U těchto experimentů byla sledována hystereze, neboli rozdíl mezi teplotou zapálení a zhasnutí oxidace NO. Tato hystereze je způsobena citlivostí reakce na stav katalytických center (Pt versus PtO_x), který se v průběhu experimentů měnil.

Mikrozařízení se zabudovanou iontově-výměnnou membránou nabízí celou řadu aplikací zaměřených např. na čerpání tekutin, úpravu pH roztoků, či separaci, zakoncentrování a detekci určitých (bio-)molekul. Tato práce pojednává o poslední ze zmíněných aplikací. Cílem je vyvinout sensor detekující přítomnost DNA/RNA molekul o dané sekvenci nukleotidů a stanovit jejich koncentraci. Tento sensor bude v budoucnu součástí zařízení detekující nukleové kyseliny ve vzorku krve, které jsou potencionálními biomarkery různých typů rakovin. Princip zařízení je založen na skutečnosti, že jednovláknová, záporně nabitá DNA/RNA významně ovlivňuje tok iontů aniontově-výměnnou membránou. Na povrchu takovéto membrány je nejdříve kovalentně navázána jednovláknová DNA sonda, která zajišťuje specificitu vůči hledané komplementární molekule DNA/RNA. Při úspěšné hybridizaci dochází ke zvýšení koncentrace záporného náboje neseného nukleovými kyselinami na membráně, jež obsahuje kladný fixovaný náboj. Vzniká systém podobný bipolární membráně, která zapříčiňuje přechod z elektrokonvektivně řízeného transportu iontů na transport řízený štěpením vody. Tento příspěvek bude zaměřen na vysvětlení principu fungování senzoru a prezentaci vybraných výsledků týkajících se specifické detekce nukleových kyselin.

Produkce elektřiny z časově proměnlivých obnovitelných zdrojů strmě roste. Tento trend však vyžaduje budování nových stacionárních uložišť energie, které mohou pomoci stabilizovat tuto energii a zefektivnit její využití. Vanadová redoxní průtočná baterie se jeví jako ideální stacionární úložiště vzhledem ke snadno modifikovatelné kapacitě (kWh), vysoké účinnosti a velmi dobré životnosti. Klíčovou komponentou baterie je inertní elektroda, v tomto případě uhlíková plst, na níž dochází ke konverzi energie prostřednictvím elektrochemických reakcí. Použití uhlíkové plsti je motivováno její výbornou chemickou stabilitou, vysokou elektrickou vodivostí a nízkou cenou. Účinnost baterie velkou měrou závisí na odporu a elektrokatalytických vlastnostech plsti, současně je však třeba uvažovat energii potřebnou k čerpání elektrolytů skrz bateriový svazek. Cílem této práce je tedy nalézt optimum mezi tlakovou ztrátou, která se zvyšuje s kompresí plsti a elektrickým odporem, který se naopak se zvyšující se kompresí snižuje. K tomuto účelu byly navrženy dvě aparatury. Jedna, která umožňuje sledovat elektrický odpor plsti v závislosti na stlačení a druhá, která umožňuje sledovat tlakovou ztrátu v experimentální cele v závislosti na stlačení plsti, průtoku elektrolytu a vnitřní geometrii cely.

I přesto, že se místa pro trvalá uložiště jaderného odpadu vybírají s největší pečlivostí, stále existuje riziko kontaminace okolní půdy nebo podzemní či průsakové vody. V současné době se pro analýzu průsakových vod využívají klasické analytické metody, které jsou sice přesné, ale samotná analýza trvá příliš dlouho. Cílem vědců je vyvinout senzor, který by byl integrován na místě uložiště a poskytoval by data v reálném čase pro včasný zásah proti případné kontaminaci. Tato práce se věnuje vývoji průtočného elektrochemického senzoru, který by umožňoval kontinuální sledování změn v impedanci průsakových vod v místě jaderného uložiště, např. v prasklinách skal. V současné době testujeme tento přístup na modelovém systému skládajícího se z jednoduchého fluidního kanálku a tyčové měřicí elektrody. Zatímco kanálek má za úkol imitovat reálnou štěrbinu, tyčová elektroda je prvním prototypem měřidla, jenž by se později do reálných uložišť montoval. Tento systém se testuje pomocí měření elektrochemické impedanční spektroskopie na kanálcích naplněných různě koncentrovanými roztoky KCl za různých podmínek měření  v různých režimech. V příspěvku budou prodiskutovány experimenty s vodnými roztoky KCl o přesně daných vodivostech (koncentracích) jak v ustáleném stavu, tak v průtočném systému.