Studentská vědecká konference 2019

Společností poptávané intenzivní zapojování obnovitelných zdrojů elektrické energie do přenosové soustavy je limitováno v důsledku jejich fluktuující produkce. Tuto situaci může změnit významnější využití úložišť elektrické energie, která by stabilizovala výrobu elektřiny z obnovitelných zdrojů. V současné době se k danému účelu nejvíce používají lithium-iontové baterie, nicméně v budoucnu budou hrát významnou roli vanadové redoxní průtočné baterie díky své vysoké životnosti, snadné recyklovatelnosti a nezávislé škálovatelnosti výkonu a kapacity baterie. V rámci vývoje této technologie je však třeba řešit i jedinečné inženýrské výzvy, jež se u klasických pevno-elektrodových akumulátorů nevyskytují. Mezi ně patří potlačení toku zkratových proudů v rámci svazku průtočné baterie, které snižují účinnost akumulace elektrické energie. Tato práce se zabývá realistickým popisem jevu zkratových proudů, kdy je uvažována nestejná rychlost elektrochemických reakcí probíhajících na elektrodách v jednotlivých článcích svazku průtočné baterie. Vytvořený model bude následně porovnán s nejčastěji používaným popisem zkratových proudů založeného na reprezentaci svazku průtočné baterie pomocí ekvivalentního elektrického obvodu.  

V současnosti více než 70% nově syntetizovaných léčiv spadá do skupiny obtížně rozpustných látek. Tato vlastnost způsobuje zásadní problémy jak pro biodostupnost tak pro dostatečně rychlý nástup účinku, které jsou nezbytnou součástí uvedení léčiva na trh. Lipidické formulace léčiv přinášejí mnoho výhod oproti běžně užívaným excipientům (přídavné látky), neboť to jsou pro organismus přirozené látky, které podléhají vlastnímu metabolismu. Tím umožňují zlepšit biodostupnost léčiv tím, že je tělo metabolizuje společně s nimi.  Problémem je in-vitro měření rychlosti uvolňování tohoto typu formulací kvůli často silné interakci mezi lipidem a léčivem zamezující detekci pomocí UV. Aktuálně se používá nepřímá metoda označovaná jako in-vitro lipolýza, která však nepřináší objektivní data. Naší snahou je vytvořit jednoduchou formulaci k měření kinetiky uvolňování léčiva a vývoji nové metody měření pro silně lipofilní léčiva. Interakce a homogenita vzniklé formulace léčiva s lipidem je testována pomocí XRD. Po stanovení interakce využíváme upravený přístroj pro měření kinetiky uvolňování modifikovanou metodou přidávání lipázy.  

Kultivace živých buněk je výrazně ovlivněna podmínkami buněčného okolí. Růst a proliferace buněk závisí na teplotě, tlaku, dostupných živinách, koncentraci kyslíku, oxidu uhličitého apod. Velkou roli hraje též substrát, na kterém buňka roste, a to jak po chemické, tak fyzikální stránce. Cílem předkládané práce je vytvoření hierarchického strukturovaného povrchu, a studium jeho interakce s buněčnou kulturou. Takový povrch může být vytvořen pomocí metody Lanqmuir-Blodgett nebo spin-coatingu s využitím polystyrenových (PS) částic. Těmito technikami je vytvořena monovrstva částic, ze které je otisky do polymerní vrstvy získána negativní a následně pozitivní replika. Pro jednotlivé velikosti PS částic jsou hledány ideální parametry metod pro vytvoření monovrstvy. Získané negativní i pozitivní repliky jsou pak charakterizovány s využitím rastrovacího elektronového mikroskopu, a poté bude sledováno chování buněk při kontaktu s nimi.  

The increasing number of vehicles and higher interest in ecology lead to tightening of laws on automotive exhaust gas after-treatment. The exhaust gas after-treatment currently comprises several clean-up devices. In this study, we concentrate on catalytic conversion of environment endangering gases and on trapping of the particulate matter. Historically, the catalytic conversion and the filtration of soot particles were performed in independent devices. However, recent trend is to combine the catalytic converter and soot filter into a single device, the catalytic filter. Compared to the standard two-device system, the catalytic filter is more compact and has lower heat-losses. Nevertheless, it is highly sensitive to the catalyst distribution in the monolithic filter matrice. As a part of an ongoing research aimed at multi-scale modeling of catalytic filters, we build on previously published results and prepare a geometrically-realistic 3D macro-scale model of the catalytic filter. On one hand, the newly developed model enables consistent data transfer from macro- to pore-scale models. On the other hand, the results of the new model are directly comparable to experimental data and to results of available surrogate models.

Nízká rozpustnost mnohých účinných látek je jedna z hlavních komplikací při aplikaci těchto látek v praxi. Cílem této práce je vytvořit postup pro přípravu mikročástic umožňujících kontrolované uvolňování léčiva pro perorální administraci.  Mikročástice budou tvořené polymerní matricí, která bude stabilizovat účinnou látkou v amorfní formě, ale také působit proti vysrážení léčiva. Polymerní matricí rozumíme směs polymerů skládající se z jednoho polymeru, který je rozpustný v kyselém prostředí, zatímco druhý polymer bude kostrou matrice a jeho rozpustnost nebude na pH závislá. Pro přípravu mikročástic bude použit emulgační proces umožňující tvorbu částic o různé velikosti a složení. Pro stabilizaci vytvořené emulze budou testovány dva postupy a to použití surfaktantu nebo aplikace pevných nanočástic stabilizujících emulze typu olej-voda. K formování suspenze dochází díky metodě solvent evaporation patřící do emulzifikačního procesu, kde se používá těkavá složka organické fáze, jako rozpouštědlo polymerů. Po vzniku emulze se za zvýšení teploty se snáze odpařuje organická fáze, přičemž dochází k formování mikročástic. Morfologie spolu s dalšími vlastnostmi mikročástic byly podrobně prozkoumané kombinací několika různých technik včetně OM, SEM, DLS, SLS a UV/VIS spektroskopie.  

Ve spalovacím motoru vznikají během provozu výfukové plyny obsahující také pevné částice (saze). Pomocí katalyzátoru se zdraví škodlivé plynné složky, především N0_x, CO a nespálené uhlovodíky, přeměňují na H₂0, CO₂ a N₂. Pevné částice se odstraňují pomocí filtru pevných částic. V moderních filtrech se dovnitř nanáší katalytická vrstva, která zajišťuje konverzi nežádoucích plynných produktů spalování přímo ve filtru. Filtry pevných částic jsou tvořeny úzkými kanálky, které jsou na jednom konci – střídavě na vstupu a výstupu – zaslepeny. Proud plynu je proto nucen projít skrz porézní stěnu do sousedního kanálku a pevné částice zůstávají zachyceny ve filtru a neunikají do ovzduší. Cílem práce je vylepšit postup nanášení katalytické vrstvy do filtru. Postupně byly měněny vlastnosti jak nanášené suspenze, tedy pH směsi a velikost částic, tak i podmínky nanášení, tzn. namáčení vzorků před nanášením do vody, tlak profukování a podmínky sušení. Byl zkoumán vliv parametrů přípravy na kompaktnost a tloušťku nanesené vrstvy a dále poměr částic, které se dostaly do pórů ve stěně filtru a které zůstaly na vnější straně kanálku. Získané poznatky umožňují přesněji řídit rozmístění a strukturu katalytické vrstvy ve filtru tak, aby bylo dosaženo co největší konverze a nejmenší tlakové ztráty.  

In this study, fundamentals of a CFD-based analysis of an ejector are presented. The ultimate goal of the research performed in cooperation with the Mass Transfer Research Group at UCT Prague is to facilitate the design phase of ejector devices for applications in chemical engineering. The final aim of the current project is to design and validate 3D transient multiphase simulation of the ejector. At the moment, we focus on evaluation of the CFD results sensitivity with respect to various simulation parameters, including the ejector geometry, flow velocity and turbulence modeling. To do so, a fully parametrized and automated CFD framework based on highly structured wedge meshes for axisymmetric RANS simulations is being implemented. We are aware of the loss of fidelity caused by the dimensionality reduction of the model and by computing only the Reynolds-averaged flow solution. However, the reduction in the computational complexity linked to the model and geometry simplification enables fast evaluation of CFD results and testing of multiple configuration in acceptable times. Furthermore, the accuracy of the simplified CFD models is evaluated using specifically tailored experimental data.

The latest trends show increase in the use of nanoparticles in pharmaceutical, biomedical and genomic industries because of their optical, electromagnetic or mechanical properties. Specifically, silica nanoparticles have found potential applications in medicine due to bioconjugation possibilities. The properties of nanoparticles depend on their size, morphology and structure (e.g. silica nanoparticle surface charge density or size distribution significantly affects utilization in the area of drug and genome delivery or cellular uptake). One of the most common methods for nanoparticle production is the batch process. However, it has some limitations; for example, precipitation reactions are often affected by undesired aggregation phenomena. Therefore, the continuous synthesis of silica nanoparticles in a microfluidic device is alternatively used as a method that reliably controls input variables such as the flow rates of reagents. This presented work is aimed to produce silica nanoparticles with a narrow particle size distribution using the microfluidic setup. Accordingly, part of the work is to set optimal parameters for the microfluidic chip and study the mixing phenomenon of the reactants in order to achieve reproducible nanoparticles with a uniform size distribution.  

Nejprve se stručně seznámíme s některými názornými a intuitivními modely používanými v rámci jednodimenzionální populační dynamiky.  Jedním z řady možných způsobů, pomocí kterých můžeme populační dynamiku modelovat, je logistická rovnice. Logistická rovnice, přesněji logistická funkce, nachází uplatnění nejen v biologii a v chemii, ale také např. v modelování neuronových sítí, v ekologii, v ekonomii, v matematické pravděpodobnosti, hraje důležitou roli i ve statistických modelech logistické regrese, atd. V práci uvádíme několik postupů řešení logistické diferenciální rovnice. Logistickou funkci si graficky znázorníme. Teorii budeme ilustrovat na vybraných příkladech a jejich řešení.  V závěru práce objasníme pojem “harvesting“ (žně) a ukážeme, že tento model hraje neopomenutelnou úlohu v logistické rovnici pro některé biologické systémy.  

Funkční roboti v mikroměřítku mohou mít v budoucnu velmi široké spektrum aplikací. Například v lékařství mohou být využíváni pro pohyb v krevním řečišti (transport léčiv, monitoring) nebo pro jemné mechanické úkony při operacích, v průmyslu pro manipulaci, konstrukci a výrobu dalších předmětů v mikroměřítku. Pro všechny aplikace je klíčová schopnost robotů se pohybovat. Pohyb v těchto měřítkách není jednoduchý z důvodu vysokých povrchových (sucho) a viskózních sil (mokro) (viz. Scallop theorem, který popisuje problémy spojené s pohybem při nízkých hodnotách Reynoldsova čísla v Newtonovských tekutinách).  V tomto projektu vyvíjíme roboty, kteří se ve vodných roztocích pohybují s využitím undulačního pohybu, který připomíná pohyb úhoře. Roboti jsou litograficky vyráběni z fotoresponzivního hydrogelu. Problémy spojené s pohybem řešíme pomocí jednoho stupně volnosti a dvou symetricky sdružených ramen, které vykonávají undulační pohyb a tím posouvají robota vpřed. První experimenty ukazují funkčnost tohoto designu, roboti se při pulzním osvitu opravdu směrově pohybují. Dále se v tomto projektu zaměříme na optimalizaci designu robota ve smyslu dosažení maximální citlivosti na osvit a zvětšení vzdálenosti uražené na jeden světelný pulz.