Studentská vědecká konference 2020

Elektrodialýza je proces, při kterém dochází k úpravě kapaliny za pomocí polopropustných iontově selektivních membrán zasazených do elektrického pole. V našem případě zkoumáme 0,1 M roztok NaCl, který věrně reprezentuje vzorek běžné brakické vody. K experimentům jsme si vyrobili vlastní elektrodialyzační celu z polymerního materiálu. Jelikož je sestava vybavena odběrovými místy po celé délce kanálku, dostáváme přesná data vázaná k místu odběru. Zkoumanými veličinami jsou koncentrace a změna pH spojená se štěpením vody. Především koncentrační profil je zcela stěžejní při vyhodnocování efektivity a míry odsolení. Zároveň tím, že je polymer průhledný, máme možnost dalšího výzkumu jevů, které při elektrodialýze nastávají, pomocí mikroskopu. Doufáme, že naše výsledky přinesou důležité poznatky, které se podaří přenést na vývoj elektrodialyzérů ve velkém měřítku.

Pervaporace je proces, při kterém se kapalná směs dělí průchodem neporézní membránou do vakua nebo nosného plynu. Funguje na principu různé rozpustnosti a rychlosti migrace složek směsi membránou.  Při pervaporaci se směs zahřívá k bodu varu a poté se přivádí k membráně, odkud složky směsi difundují skrz membránu a na druhé straně se odpařují za sníženého tlaku do plynu nebo do vakua. Technologie pervaporace je velmi výhodná díky své relativně nízké energetické náročnosti a provozním nákladům a zároveň vysoké účinnosti separace látek, které se těžko dosahuje běžnými separačními metodami jako jsou například extrakce nebo destilace. Pervaporace na rozdíl od uvedených metod umožňuje například i separaci azeotropických směsí. Díky pokrokům ve vývoji nových materiálů, tedy i membrán s vyšší selektivitou pro dělení složek význam PV roste. V budoucnu bude mít například velký význam při výrobě etanolu fermentací biomasy jako alternativního paliva z obnovitelných zdrojů. Experimentální výzkum probíhá na laboratorním modulu pro membránovou separaci a účelem práce je zjišťování transportních charakteristik při různých průtocích kapaliny a plynu. Zároveň je cílem práce optimalizace modulu pro správnou funkčnost.

Spalováním fosilních paliv v automobilových motorech vznikají výfukové plyny, které obsahují plynné emise a pevné částice. Ke konverzi škodlivých výfukových plynů se používají katalyzátory. Pro zachycení vzniklých pevných částic je nutné použít filtr. Moderní filtry pevných částic se díky katalytické vrstvě nanesené do filtru využívají také jako katalyzátory. Jedná se o keramický monolitický filtr tvořený soustavou kanálků, které jsou střídavě zaslepeny z jedné strany. To nutí plyn projít přes porézní stěnu pokrytou katalytickou vrstvou do sousedního kanálku, což vede ke konverzi emisí. Katalytická vrstva umožnuje konverzi zdraví škodlivých výfukových plynů. Je proto důležité, aby nanesená vrstva ve filtru byla rovnoměrně rozprostřená, kompaktní a také, aby se katalyzátor dostával do pórů ve stěně filtru. Důležité je zajistit co nejmenší tlakové ztráty celého sytému. Tyto ztráty lze ovlivnit přítomností prasklin nebo rozložením vrstvy ve filtru. Cílem prováděného výzkumu je zjistit, jaké parametry suspenze, či procesu nanášení suspenze do filtru, mají vliv na tvorbu prasklin. Během experimentů byly měněny vlastnosti jako pH suspenze, velikost částic v suspenzi a vlastnosti nanášení suspenze, tzn. namáčení vzorku před samotným nanášením nebo změna tlaku při podtlakovém nanášení.  

Soft materials promise a way for miniaturization present-day hard robots. Thermoresponsive poly(N-isopropylacrylamide) hydrogel microrobots loaded with gold nanospheres have been investigated in our group for their ability to act similarly to soft-bodied organisms. Current robots can crawl and be actuated when irradiated periodically with aimed laser beam thanks to a friction hysteresis of the gel between shrinking and expanding cycles. The biggest limitation of current microrobot design is that only one robot can be actuated at the time due to aiming the laser beam. In this research, I focus on improving the hydrogel sensitivity and developing novel robot designs to enable their parallel operation. Cross-linking agent used in original composition - poly(ethylene glycol)diacrylate - was replaced with N,N’-methylenebisacrylamide resulting in steeper volumetric response to the laser irradiation. In addition, gold nanospheres were substituted for gold nanorods which have higher optical absorbance, thus the microrobot’s light harvest efficiency has been increased. I show that both the new composition and robot design allow actuation of an entire single robot with unfocused light (Figure 1) and hold promises for parallel actuation of multiple robots.

Redoxní průtočné baterie jsou považovány za jednu z nejslibnějších realizací rychle se rozvíjející oblasti stacionárních uložišť energie. Použití roztoku vanadu jako elektrolytu má unikátní výhodu, může být použit jako anolyt a katolyt zároveň, což přispívá k efektivnějšímu potlačení přestupu iontů přes membránu, a tedy zlepšení životnosti baterie. Elektrody tvořené z porézních uhlíkatých plstí tvoří stěžejní komponentu baterie. Díky svému velkému specifickému povrchu poskytují dostatek aktivních míst pro dostatečně rychlou elektrochemickou redoxní reakci. Cílem této práce je teoretický výzkum morfologických a transportních vlastností uhlíkaté plsti v závislosti na různém stupni jejího stlačení. Prostorově 3D porézní textura plsti byla rekonstruována ze snímků mikro-tomografie a použita jako vstup pro výpočet statistických deskriptorů její morfologie (textury). Mezi studované morfologické deskriptory, pro jejichž vyhodnocení byly vyvinuty specifické algoritmy, patří např. porozita, měrný povrch, styčná plocha či prostorová orientace uhlíkatých vláken. Počítačově rekonstruovaná plsť může být dále využita v matematických modelech umožňujících odhad jejích transportních charakteristik (např. efektivní elektrické vodivosti či tlakové ztráty generované proudícím elektrolytem).  

V současné době stále aktuálnější problém rostoucí antibiotické rezistence mikroorganismů vyžaduje hledání nových přístupů v boji proti bakteriím. Jednou z možností je prevence. Bakterie se mohou přichytit na nejrůznější povrchy, dotekem pak dochází k přenosu a infekci. Pokud dokážeme zabránit přežití a následnému množení bakterií na povrchu, výrazně omezíme přenos bakteriálních onemocnění. Existují nanostruktury, nacházející se například na křídlech vážek a cikád (viz obrázek), které dokáží protrhnout bakteriální stěnu, případně zabránit přisednutí bakteriální buňky. Neboť jde o čistě mechanický efekt, vytvoření rezistence by vyžadovalo zesílení bakteriální stěny. Tento proces trvá výrazně delší dobu než vytvoření antibiotické rezistence. Cílem této práce je zhodnotit míru antibakteriálního efektu nanostruktur na křídlech různých druhů vážek žijících v České republice a následně vytvořit repliku vybrané nanostruktury do polymerní matrice. Křídla i repliky jsou charakterizovány pomocí skenovací elektronové mikroskopie a následně je testován jejich antibakteriální účinek.

Mesoporous silica has been lately investigated as a pharmaceutical excipient for drug formulation due to its exceptional ability to maintain an amorphous state of poorly soluble API in its mesopores. However, industrially fabricated silica particles are of low quality compared to laboratory prepared ones. On the contrary, laboratory syntheses are difficult to scale up to the industrial level. High-quality mesoporous silica has been fabricated only in the batch to this day, while a potential transfer to continuous mode would result in more efficient and less expensive production of this excellent material. A promising solution to this problem seems to be the usage of a plug flow reactor, particularly due to its stable flow rate, easy determination of retention time, and the possibility to scale up via parallelization. This work aims to design a plug flow reactor for mesoporous silica fabrication and then follow up the reactor with another unit operation, such as colloid milling to defined size or size separation to produce particles of strictly determined parameters. A static light scattering, scanning and transmission electron microscopy also as nitrogen sorption method are employed to examine the size, morphology and structure of the produced particles. 

V dnešní době se v autech stále více používají katalytické filtry k čištění výfukových plynů. Katalytické filtry jsou kombinací klasického filtru pevných částic a katalytického konvertoru. Kromě záchytu částic tedy umožňují také katalýzu redoxních reakcí škodlivých plynů, zejména CO a NOx, na netoxické produkty. Rychlost těchto reakcí je závislá mimo jiné na teplotě. Během jízdy je filtr vlivem proměnlivého zatížení motoru vystaven náhlým změnám průtoku a teploty výfukových plynů. Také teplota a rychlost okolního vzduchu mohou mít vliv na teplotu uvnitř filtru.  V této práci se ke studiu zmiňovaných vlivů využívá model katalytického filtru. Po provedení jednotlivých simulací s různými vstupními parametry jsou jejich výsledky mezi sebou porovnány a diskutovány. Cílem je získat lepší představu o vlivu vnějších faktorů na funkci katalytického filtru