Optické a magnetické vlastnosti MXenových kvantových teček
Výzva: 30. Veřejná grantová soutěž; OPEN-30-18
Hlavní řešitelka: Barbora Vénosová
Instituce: Ostravská univerzita
Oblast: materiálové vědy
MXeny vzbudily ve světě 2D materiálů velký zájem díky svým jedinečným vlastnostem. MXeny se skládají z atomů přechodných kovů (M = Ti, V, Sc, Mo nebo Nb), atomů uhlíku nebo dusíku (X) a terminálních povrchových skupin (T = -O, -OH, -F, -Cl a další) a mají obecný vzorec Mn+1XnTx. Vzhledem k rozmanitosti prvků M a X a rozdílům v povrchových a okrajových zakončeních lze připravit tisíce různých MXenových struktur s jedinečnými vlastnostmi. Z tohoto důvodu se MXeny staly rychle se rozšiřující rodinou 2D materiálů. MXeny s charakteristickou planární strukturou vykazují výjimečnou strukturní stabilitu a dobrou elektrickou vodivost. Jejich povrch je laditelný a mají řadu jedinečných chemických vlastností. Díky těmto vlastnostem jsou všestranné a nacházejí využití v širokém spektru aplikací. Od biosenzorů a baterií po adsorpci a katalýzu, od skladování energie po výzkum životního prostředí. Nedávné studie ukázaly, že zmenšení 2D materiálů na 0D strukturu (kvantová tečka, QD, o velikosti menší než 10 nanometrů) může zlepšit nebo dokonce vytvořit nové vlastnosti. Toho je dosaženo kombinací okrajových efektů, povrchu a kvantového omezení. Cílem našeho projektu je řídit ladění vlastností MXenových kvantových teček (MXQDs) pomocí modelování jejich velkosti a struktury. První výsledky ukazují, že elektronické a magnetické vlastnosti jsou silně závislé na velikosti kvantových teček. Na základě těchto výsledků chceme podrobně prozkoumat optické a magnetické vlastnosti různých typů MXQDs. Nejprve chceme prozkoumat vliv povrchových funkčních skupin na optické vlastnosti pomocí časově závislé teorie funkcionálu hustoty (TD-DFT). Následně systematicky studovat různé možnosti modelování MXQDs (různé kombinace atomů M, X s různými funkčními skupinami) pro vyladění elektronických, optických a magnetických vlastností. To by mohlo poskytnut možnosti pro přípravu nových struktur MXQDs s požadovanými vlastnostmi v mnoha aplikačních oblastech (např. fotonika, optoelektronika a/nebo fotokatalyzátory).
Tento výzkum je financován Evropskou unií v rámci projektu LERCO (číslo CZ.10.03.01/00/22_003/0000003) prostřednictvím Operačního programu Spravedlivá transformace.
Výzva: 30. Veřejná grantová soutěž; OPEN-30-57
Hlavní řešitel: Ctirad Červinka
Instituce: Vysoká škola chemicko-technologická v Praze
Oblast: materiálové vědy
Organické molekulární materiály se uplatňují v nejrůznějších technologických aplikacích od léčiv, přes hnojiva, výbušniny
až po polovodiče. Výroba konečných produktů v těchto oblastech často vyžaduje dostatečnou rozpustnost patřičných prekurzorů a následně dostupnost spolehlivého krystalizačního postupu pro získání cílové sloučeniny z roztoku. Pochopení procesů tavení a krystalizace takových materiálů je důležité pro navrhování nových účinných výrobních technik a pro lokalizaci limitů provozních podmínek, např. teplot a tlaků, při kterých si cílový materiál zachovává své požadované vlastnosti.
K tomuto pochopení může významně přispět výpočetní modelování krystalových struktur a jejich tání, vše s úplným rozlišením jednotlivých atomů. Tyto modely jdou ruku v ruce s našimi schopnostmi předpovídat rozpustnost materiálů, tepelnou stabilitu a další důležité vlastnosti. Protože stávající protokoly založené na klasických molekulárně dynamických simulacích nedosahují poptávané chemické přesnosti takových predikcí a navíc nabízejí pouze omezenou prediktivní schopnost. Vývoj přesných a široce přenosných kvantově-chemických modelů parametrů tání molekulárních materiálů tak významně přispěje k materiálovému výzkumu. Současný projekt využívá výpočetní kapacitu infrastruktury IT4Innovations k hledání optimálních způsobů začlenění moderních teoretických modelů k popisu vzájemných interakcí molekul v pevných nebo kapalných materiálech.
Naším cílem je vyvinout efektivní výpočetní metodologii, která bude zároveň dostatečně přesná pro počáteční screening vlastností materiálů. V budoucnu by takový screening měl být prováděn v počáteční fázi materiálového výzkumu pro velké množství kandidátních materiálů, což umožní předem vybrat nejslibnější kandidáty vykazující vlastnosti požadované pro konkrétní aplikaci (např. rozpustnost pro léčiva nebo tepelná stabilita u polovodičů). Teprve potom by mohlo následovat podrobné experimentální zpřesňování a ověřování zúžené pouze na nejslibnější kandidáty, které by zefektivnilo materiálový výzkum odpadnutím mnohé experimentální práce, která může být velmi nákladná a pracná.
Výzkum je financován Grantovou agenturou České republiky (projekt GAČR 23-05476M).
Objasnění struktury povrchů fotokatalyzátorů Cu2O pomocí strojového učení
Výzva: 29. Veřejná grantová soutěž; OPEN-29-33
Hlavní řešitel: Christopher Heard
Instituce: Univerzita Karlova
Oblast: Materiálové vědy
Oxid měďnatý (Cu2O) má slibné využití ve foto(elektro)katalýze, ekologických palivech a při výrobě solární energie. Jeho účinnost však závisí na struktuře jeho povrchu, která se může měnit za různých podmínek, jako je teplota, tlak a přítomnost různých přirozeně se vyskytujících molekul adsorbátů. K objasnění morfologie povrchu Cu2O na atomární úrovni, a tím i k hlubšímu pochopení jeho reaktivních vlastností, jsou zapotřebí pokročilé simulační techniky, které jsou schopny adekvátně obsáhnout složitost a velikost systému.
Tento projekt se zaměřuje na vývoj a využití potenciálů strojového učení (MLP) pro rychlé a přesné modelování struktury a dynamického chování Cu2O. Bude při něm maximálně využit výpočetní výkon superpočítačů k vytvoření dostatečně velkého a spolehlivého souboru dat o povrchové struktuře a povrchové dynamice v závislosti na teplotě. MLP budou trénovány pomocí kvantově-chemických výpočtů a ověřovány jak pomocí přesných výpočtů tak pomocí nejmodernějších experimentálních dat a použity k pochopení atomistické povahy tohoto slibného katalyzátoru.
Využití výpočetně náročných metod založených
na teorii funkcionálu hustoty při výzkumu solí
a kokrystalů
Výzva: 29. Veřejná grantová soutěž; OPEN-29-25
Hlavní řešitelka: Simona Chalupná
Instituce: Vysoká škola chemicko-technologická v Praze
Oblast: Materiálové vědy
V současnosti existuje široká nabídka různých pevných forem farmaceutických látek. Jednou z těchto forem jsou farmaceutické soli, které se běžně používají pro formulaci účinné farmaceutické látky neboli API (active pharmaceutical ingredient). Přibližně polovina léků, které dnes nalezneme na trhu, je ve formě solí. Další pevnou formou, která se stále více používá při formulaci léčiv, je kokrystal. Rozdíl mezi těmito dvěma formami je dán pozicí pouze jediného atomu – vodíku. Přesná poloha tohoto vodíku, a tedy to o jaký typ pevné formy se jedná je klíčové, jelikož ji farmaceutické společnosti musí dle požadavků zdravotnických autorit uvádět v patentové a registrační dokumentaci. Kvůli tomu, že je rozdíl mezi solí a kokrystalem tak malý, je zajímavé provádět výzkum nových postupů identifikace polohy vodíku.
Projekt se zabývá možností rozlišení soli a kokrystalu pomocí výpočtu založeného na teorii funkcionálu elektronové hustoty (DFT). DFT popisuje elektrony jako lepidlo nalité mezi atomová jádra.
A funkcionál je matematická funkce, která popisuje chování takového lepidla. Funkčnost a správnost tohoto výpočetního řešení je nutné otestovat na velkém počtu látek (řádově stovky struktur) a následně se zabývat těmi strukturami, kde výpočet nesouhlasí s výsledky experimentu. Díky přiděleným výpočetním zdrojům IT4Innovations můžeme tento úkol provádět těmi nejdokonalejšími metodami, i když jsou extrémně výpočetně náročné.
Výzkum vnitřně neuspořádaných domén v proteinu p53
Výzva: 29. Veřejná grantová soutěž; OPEN-29-55
Hlavní řešitelka: Amina Gaffour
Instituce: Farmaceutická fakulta Univerzity Karlovy v Hradci Králové
Oblast: Materiálové vědy
Protinádorový protein p53 je důležitým regulátorem zástavy buněčného cyklu a apoptózy. Molekulární mechanismy, které jsou základem funkce proteinu p53, bohužel nejsou zcela objasněny, zejména v oblasti vnitřně neuspořádaných oblastí (IDR), u nichž bylo zjištěno, že hrají zásadní roli při jeho sbalování, stabilitě a především funkci. Během této studie bude použita molekulární dynamika ke zkoumání IDR v p53 se zaměřením na fosforylační místa, koncentraci iontů, proces tetramerizace na sekundární struktuře a funkci tohoto protinádorového proteinu. Předběžná zjištění jsou slibná a ukazují na dobře patrný vliv koncentrace iontů na malé trajektorie a na změnu chování fosforylovaných zbytků. Díky výsledkům projektu získají vědci nové poznatky o vnitřním fungování proteinu, které mohou poskytnout klíčové informace pro vývoj nových terapeutických strategií léčby.
Zkoumání vztahu stability-aktivity grafenu dopovaného přechodnými kovy pro vybrané katalytické reakce
Výzva: 28. Veřejná grantová soutěž; OPEN-28-56
Hlavní řešitel: Rostislav Langer
Instituce: IT4Innovations
Oblast: Materiálové vědy
„Single atom catalysis“ je typ heterogenní katalýzy, při níž jsou atomy kovů rozptýleny jako jednotlivé atomy na povrchu nosného materiálu. V posledních letech si toto odvětví získalo značnou pozornost díky svým potenciálním výhodám oproti tradičním katalyzátorům, například díky zvýšené katalytické aktivitě, lepší stabilitě nebo obecně nižším nákladům. Cílem tohoto výzkumného projektu je zkoumat stabilitu a účinnost jednoatomových katalyzátorů ukotvených na 2D materiálech a pochopit vztah mezi stabilitou aktivního místa a účinností katalytických reakcí. Pro výpočty je použita teorie funkcionálu hustoty (DFT), a to jak s využitím konečných modelů, tak nekonečných modelů s periodickými okrajovými podmínkami. Výsledky tohoto výzkumu budou mít významný dopad na vývoj účinnějších a nákladově efektivnějších katalyzátorů pro různé průmyslové aplikace.
Organické molekuly s opačným energetickým rozdílem mezi singletním a tripletním stavem
Výzva: 28. Veřejná grantová soutěž; OPEN-28-50
Hlavní řešitel: Libor Veis
Instituce: Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského Akademie věd ČR
Oblast: Materiálové vědy
Organické elektroluminiscenční diody (OLEDs) tvoří základ moderních digitálních obrazovek. Aby bylo dosaženo jejich co největší účinnosti, jsou tvořeny molekulami s malým energetickým rozdílem mezi nezářivým tripletním a zářivým singletním excitovaným stavem. Nejnovější návrh OLED materiálů (5. generace) představují molekuly, kde je tento energetický rozdíl záporný, tzn. excitovaný singletní stav má energii nižší, nežli tripletní stav (INVEST molekuly). V takovém případě může dosahovat účinnost 100 %.
Cílem projektu je otestovat přesnost vyvinutých výpočetních metod adiabatického spojení na známých INVEST molekulách a nalézt optimální výpočetní protokol pro hledání nových kandidátů 5. generace OLED materiálů. Výzkum je financován Grantovou agenturou České republiky (projekt GAČR 22-04302L).
Přesnost a preciznost pro rozsáhlé systémy X
Výzva: 27. Veřejná grantová soutěž; OPEN-27-22
Hlavní řešitel: Jiří Klimeš
Instituce: Univerzita Karlova
Oblast: Materiálové vědy
Mnoho molekul může krystalizovat v odlišných krystalových strukturách, zvaných polymorfy. Příkladem jsou struktury β a γ glycinu na obrázku. V případě molekul léčiv je důležité tyto struktury znát, aby se zamezilo tvorbě krystalů s jinou než očekávanou aktivitou. Ke zjištění struktury možných polymorfů a jejich energií jsou velmi užitečné výpočetní metody založené na kvantové mechanice.
V projektu se budeme zabývat testováním dvou aspektů výpočtu energií krystalů. Prvním je testování metody, která umožňuje snížit chybu způsobenou zanedbáním elektronů, které se pohybují blízko jádra atomu. Druhým je testování vlivu numerických parametrů na přesnost výpočtu energií polymorfů. Získaná data nám umožní dosáhnout vyšší spolehlivosti předpovědí a snížení výpočetního času nutného pro získání výsledků.
Dlouhodobým pracovním cílem naší skupiny je vyvinout metody pro spolehlivé předpovědi kohezních vlastností molekulárních pevných látek. Naše výzkumné aktivity jsou podpořeny ERC v rámci grantu APES (Accuracy and Precision for molecular solids, Horizont 2020 č. 729721).
Vzájemné působení magnetismu a supravodivosti ve sloučeninách na bázi U-Te v extrémních podmínkách
Výzva: 27. Veřejná grantová soutěž; OPEN-27-37
Hlavní řešitelka: Urszula D. Wdowik
Instituce: IT4Innovations
Oblast: Materiálové vědy
Vzájemné působení fluktuací magnetického pole a supravodivosti je jedním z hlavních problémů nekonvenčních supravodičů, jako jsou pniktidy/chalkogenidy na bázi železa, kupráty s vysokým obsahem TC a nově objevené sloučeniny těžkých fermionů na bázi uranu, u nichž se projevuje mechanismus Cooperova párování spinových tripletů. Sloučeniny na bázi U-Te, které vykazují jak silné elektronové korelace, tak magnetismus, jsou považovány za slibné kandidáty pro dosažení chirální tripletové topologické supravodivosti, a jsou tedy zajímavými materiály pro kvantové počítače. Působením vnějšího tlaku a magnetického pole se jejich jedinečné vlastnosti nejspíš dramaticky změní.
Tento výzkum se věnuje zkoumání a pochopení nekonvenčního supravodivého chování pod vnějším tlakem některých vybraných binárních sloučenin z fázového prostoru U-Te. Výsledky tohoto projektu mohou přinést důležité základní poznatky i pro další materiály s nekonvenčními typy supravodivého párování a topologickou supravodivostí, které mohou najít uplatnění v budoucích kvantových technologiích.
Tento výzkum bude součástí probíhajících experimentálních studií v rámci projektu GAČR č. 22-22322S s názvem Nekonvenční supravodiče v extrémních podmínkách (spoluřešitel Dr. Dominik Legut, Laboratoř modelování pro nanotechnologie, IT4Innovations).
Katalyzátory pro oxidativní dehydrogenaci alkanů
na bázi bóru
Výzva: 26. Veřejná grantová soutěž; OPEN-26-42
Hlavní řešitel: Ota Bludský
Instituce: Ústav organické chemie a biochemie Akademie věd ČR
Oblast: Materiálové vědy
Lehké olefiny (alkeny) jsou důležitými stavebními kameny chemického průmyslu, jelikož jsou výchozími látkami pro výrobu polymerů, palivových aditiv a dalších důležitých látek. Jejich celosvětová spotřeba stabilně roste. V roce 2019 dosáhla spotřeba etylenu a propylenu 160 a 115 mil. tun a v příštím desetiletí se očekává jejich meziroční nárůst o 3,5 – 4 %. Hlavním cílem tohoto projektu je pochopit povahu aktivních míst v katalyzátorech na bázi bóru pro selektivní oxidativní dehydrogenaci (ODH) lehkých alkanů (ethan, propan) na odpovídající olefiny. Kombinace experimentálních a teoretických přístupů je naprosto zásadní pro hlubší analýzu pozorovaných měření. Infrastruktura IT4I hraje důležitou roli právě u teoretických výpočtů, kde konvenční počítače kapacitou nedostačují (ab initio molekulová dynamika).
Strojové učení pro předpověď pravděpodobnosti vzniku vakancí v dusíkem dopovaném grafenu – sběr dat pro trénování algoritmu
Výzva: 26. Veřejná grantová soutěž; OPEN-26-38
Hlavní řešitelka: Dagmar Zaoralová
Instituce: IT4Innovations
Oblast: Materiálové vědy
Dusíkem dopované grafeny (angl. N-doped graphenes, NG) jsou velice zajímavé materiály uplatnitelné v mnoha směrech výzkumu. Z předchozích studii plyne, že vlastnosti NG závisí na množství zabudovaných dusíků a na počtu defektů v krystalové mříži. Jemným laděním atomární struktury NG bychom tudíž mohli získat materiály s vlastnostmi žádanými pro konkrétní aplikace. Nicméně je téměř nemožné „ručně“ navrhnout všechny možné podoby atomární struktury NG. Naštěstí techniky strojového učení nabízí způsoby, jak tento problém řešit. Pro trénink dostatečně přesného algoritmu, jenž by byl schopen předpovídat strukturu a vlastnosti NG, je nezbytné nasbírat dostatečné množství informací o NG s různou atomární strukturou, což plánujeme provést pomocí výpočtů metodami teorie funkcionálu hustoty. Věříme, že získaný algoritmus pomůže při výběru pravděpodobných struktur NG zajímavých pro další aplikace.
Tepelná energie v supravodivých nanohybridech
Výzva: 25. Veřejná grantová soutěž; OPEN-25-41
Hlavní řešitel: Vladislav Pokorný
Instituce: Fyzikální ústav Akademie věd České republiky
Oblast: Materiálové vědy
Nanoskopická zařízení sestávající z kvantových teček napojených na supravodivé elektrody jsou dlouho objektem studia pro své aplikace v oblasti kvantového počítání. Neustálý pokrok v experimentálních metodách vede ke vzniku stále složitějších struktur a ruku v ruce s tím jde i vývoj teoretických výpočetních metod na popis jejich chování.
Tématem projektu je právě teoretické studium zařízení založených na dvojici kvantových teček napojených na supravodivé a kovové elektrody. Jejich význam spočívá v schopnosti generovat tzv. entanglované páry elektronů, které mají význam pro vývoj kvantových počítačů. Jednou z možností, jak takové páry generovat, je termoelektrický jev, při kterém vzniká proud jako odezva na rozdíl mezi teplotami elektrod. Cílem projektu je simulovat toto chování pomocí metody kvantového Monte Carla, která je schopná spolehlivě popsat důležité efekty elektronových korelací.
Fyzikální vlastnosti MXenů – 2D materiálů pro budoucí technologické aplikace
Výzva: 24. Veřejná grantová soutěž; OPEN-24-46, multiyear
Hlavní řešitel: František Karlický
Instituce: Ostravská univerzita v Ostravě
Oblast: Materiálové vědy
MXeny, tj. karbidy nebo nitridy přechodných kovů, jsou relativně nedávno objevené dvojdimenzionální (2D) materiály. Tyto materiály jsou vhodnými kandidáty pro četné technologické aplikace (elektronika, fotovoltaika) kvůli jejich odolnosti a široké škále fyzikálních vlastností (např. magnetické vlastnosti, proměnný zakázaný pás, od kovů k polovodičům), což je dáno variabilitou složení a možností povrchové funkcionalizace MXenů. Vodivé i polovodivé MXeny lze kombinovat do heterostruktur, což dále rozšiřuje možnosti této slibné třídy materiálů. Tým Františka Karlického, který se dlouhodobě věnuje počítačovému modelování vlastností 2D materiálů, získá fundamentální fyzikální poznatky o chování a vlastnostech MXenů využitelné v experimentu i technologické praxi. Přesné predikce zejména elektronických a optických vlastností MXenů jsou výzvou jak pro metody, tak i kvůli výpočetní náročnosti.
Vlastnosti nanočástic určených pro lékařské aplikace
Výzva: 23. Veřejná grantová soutěž; OPEN-23-10, multiyear
Hlavní řešitel: Martin Friák
Instituce: Ústav fyziky materiálů Akademie věd ČR
Oblast: Materiálové vědy
Obrázek: Snímek z trasmisního elektronového mikroskopu ukazující pravidelně uspořádané atomy v krystalické struktuře nanočástice Fe-O (1 nm je miliardtina metru).
Zmenšováním objemu pevné látky pod určitou hranici látka mění své vlastnosti. Říkáme tomu rozměrový jev a kouskům látky, velkým asi jako desetina tloušťky pavoučího vlákna, nanočástice.
Nanočástice jsou hojně využívány v medicíně. Díky malým rozměrům mohou dopravovat lék přímo do postižené tkáně, působit proti bakteriím a virům, pomoci při vyšetření a léčbě nádorů. Zvláštní postavení mají magnetické nanočástice, které lze mimo tělo ovládat vnějším magnetickým polem a využívat i pro ohřev nádoru na teploty vedoucí až k jeho destrukci. Vlastnosti nanočástic úzce souvisí s jejich strukturou a znalost tohoto vztahu pomáhá při jejich přípravě. V rámci projektu podporovaného GAČR studujeme vztah struktury a magnetických vlastností. Experimentální poznatky kombinujeme s výpočty prováděnými v IT4Innovations (Dr. M. Friák), které nám pomáhají tyto vztahy pochopit.
Fotoexcitované elektrony v komplexních strukturách uhlíkových teček
Výzva: 22. Veřejná grantová soutěž; OPEN-22-11 multiyear
Hlavní řešitel: Michal Otyepka
Instituce: Univerzita Palackého v Olomouci
Oblast: Materiálové vědy
Uhlíkové tečky byly objeveny teprve nedávno, a přesto dnes představují jeden z nejintenzivněji studovaných nanomateriálů. Jejich výborné fotoluminiscenční vlastnosti je totiž předurčují pro řadu aplikací, které sahají od LED světelných zdrojů, přes biologické zobrazování a medicínskou diagnostiku až k chemické katalýze. Je to i díky tomu, že je lze snadno a levně připravit, jsou stabilní a netoxické. Nicméně uhlíkové tečky velmi neochotně odhalují svá tajemství, což ztěžuje jejich racionální návrh a cílenou optimalizaci jejich vlastností. Počítačové simulace patří mezi užitečné nástroje moderního chemika, neboť dovolují zodpovědět otázky, které jsou pro experimenty velmi komplikované. Simulace už několik let využívá pro pochopení chování uhlíkových teček i skupina vedená Michalem Otyepkou. Díky výpočetnímu času, který získali na počítačích IT4Innovations, se budou moci věnovat mechanismu, jakým uhlíková tečka pohlcuje světelné záření, jak se pohlcená energie dále šíří strukturou tečky, a jak a proč dojde k jejímu vyzáření. Vědci předpokládají, že pokud porozumí tomuto mechanismu, umožní jim to cílený návrh uhlíkových teček a rozšíření jejich aplikací.
Magnetostrikce pomocí rozsáhlých výpočtů
Výzva: 22. Veřejná grantová soutěž; OPEN-22-10
Hlavní řešitel: Pablo Nieves
Instituce: IT4Innovations, VŠB-TUO
Oblast: Materiálové vědy
Magnetostrikce je fyzikální jev, při kterém proces magnetizace vyvolává změnu tvaru nebo rozměru magnetického materiálu. Magnetostrikční materiály se ve velké míře používají v mnoha technologických aplikacích, jako jsou senzory (snímače točivého momentu, snímače pohybu a polohy, snímače síly a napětí) a aktuátory (sonarové převodníky, lineární motory, rotační motory a hybridní magnetostrikční/piezoelektrická zařízení), kde je vyžadována vysoká magnetostrikce. Nedávno byl vyvinut program MAELAS [(verze 1.0) P. Nieves et al., Computer Physics Communications 264 (2021) 107964, (verze 2.0) P. Nieves et al., Computer Physics Communications (2021) 108197] pro automatizovaný výpočet magnetostrikčních koeficientů. V současné době je program MAELAS využíván v superpočítačích IT4Innovations k hledání nových magnetických materiálů s vysokou magnetostrikcí.
Teplotní vlastnosti cerium titanides
Výzva: 22. Veřejná grantová soutěž; OPEN-22-18
Hlavní řešitel: Andrzej Kadzielawa
Instituce: IT4Innovations, VŠB-TUO
Oblast: Materiálové vědy, 3 457 000 jádrohodin
Náš průmysl je stále založen na páře. V uhelných, plynových a jaderných elektrárnách vyrábí elektřinu voda, k jejímu ohřevu se používá palivo. To však přnáší značné problémy: (i) emise uhlíku; (ii) bezpečnost. Jaderná energie sice nevypouští téměř žádné emise CO2, ale po haváriích v Černobylu a Fukušimě se stala předmětem odporu. Přestože se konstrukce reaktorů založených na štěpení (štěpení atomových jader na dvě nebo více částic, při němž se uvolňuje přebytečná energie) výrazně zlepšila, existuje i jiná cesta. Čistý způsob: Termonukleární fúzní reaktory. Myšlenka je jednoduchá: reprodukovat stejný proces, jakým hvězda vyrábí energii. Fúze dvou atomů vodíku (H) na helium (He), viz [1].
Jinými slovy, parní stroj ohříváme malým umělým sluncem. Některá taková zařízení již fungují (jedno v Praze [2]), přesto je stále třeba vyřešit mnoho technických problémů. Jedním z nich je odčerpávání sálavého tepla plazmatu (teplota ~200 000 000 ℃, uzavřeného v silném magnetickém poli) do vody, tj. do stěny. Zatímco ekologická katastrofa nehrozí, samotné zařízení může být při nehodě poškozeno. Materiál pro stěnu reaktoru tedy musí odolávat tzv. scénářům selhání. Triviálně řečeno, musíme vzít v úvahu bombardování našeho materiálu ionty, atomy a molekulami vodíku (a jeho izotopů). Selský rozum nám říká, že stěna by měla být tvrdá, a z pohledu klasické fyziky by měly být atomy, z nichž je postavena, těžké. Z těchto aspektů je tedy možno vycházet: Wolfram (W) - těžký, ale stabilní a levný prvek s vysokou tvrdostí. Bohužel, zatímco ve vakuu je jeho výkon vynikající, na vzduchu wolfram výbušně oxiduje. Proto potahování stěn tímto prvkem nepřipadá v úvahu, protože film by mohl narušit tepelnou vodivost a být snadno poškozen plazmou.
Dalším logickým krokem je vytvoření slitiny wolframu s malým přídavkem prvku, který (i) má oxid, který nepropouští molekuly kyslíku (čímž vzniká provizorní, samoregenerační povlak); (ii) oxiduje minimálně stejně rychle jako wolfram. Tento problém se dá příhodně vyřešit přidáním ~10 % chrómu (Cr). Tím však příběh nekončí, neboť se objevuje nový problém – slitiny W-Cr se pomalu, ale vytrvale navzájem mísí do směsi dvou na W a Cr bohatých zrn. Naše práce spočívá v nalezení třetího stabilizačního prvku (X) slitiny W-Cr-X, který zpomaluje (nebo v ideálním případě zastavuje) mísení.
Prvním krokem výpočetního modelování je reprodukce problému. Přístup, který jsme zvolili, spočívá v popisu slitiny jako kvantově-mechanického systému elektronů a iontů a následném využití výsledku k sestavení statistického modelu. Nejprve vytvoříme naše stavební kameny pomocí metody funkcionálu hustoty (DFT [3,4]) výpočtem elektronického chování na mřížce atomů wolframu a chromu. Výsledné rozložení náboje (obr. 1) nám umožňuje pochopit změnu elektrické a tepelné vodivosti v závislosti na složení a vlivu tvaru mřížky na vibrace iontů v mřížce. Nejprve pomocí superpočítačů IT4Innovations vygenerujeme speciální kvazi náhodné struktury [6] (obr. 2): rozložení atomů v konečné buňce, které co nejlépe reprodukuje náhodnost slitiny. Poté následuje série výpočtů: pomocí programu Vienna Ab initio Simulation Package (VASP [7]) získáme elektronické a dynamické chování každého modelu buňky minimalizací jeho energie (E). Když máme k dispozici reprezentativní soubor stavů (součást statistického souboru – množiny všech možných realizací), můžeme do výpočtu zahrnout teplotu (T). Řekli bychom, že o nic nejde, ale ve skutečnosti je teplota vše, jen ne zdánlivá. Ve fyzice se jedná o jediný parametr, který popisuje kinetiku prvků v modelu (např. průměrnou kinetickou energii částic plynu). I když je to pro pochopení poněkud nepohodlné, je užitečné považovat teplotu za intenzitní veličinu (nezávisí na počtu částic) spojenou s extenzivní entropií (S) - mírou neuspořádanosti systému. Co je to entropie a jak ji popsat, vypočítat a pochopit, je téma na samostatný článek (nebo knihu); předpokládejme nyní, že ji můžeme vypočítat pro každý ze stavů vypočtených pomocí VASP. Zde minimalizací tzv. volné energie (F = E - S×T) nalezneme optimální stav každého složení prvků při každé teplotě.
Dokončením postupu popsaného v předchozím odstavci pro různá X ve slitině W-Cr-X získáme informace o stabilitě a vlastnostech těchto slitin a o tom, zda má smysl je syntetizovat v laboratoři. V tomto duchu jsme nedávno publikovali slibné výsledky týkající se systémů wolfram – chrom – hafnium (Hf) [8].
Tento projekt je součástí standardního grantu GAČR č. 20-18392S Modifikace teplotní stability slitin na bázi W-Cr pro aplikace ve fúzních reaktorech.
[1] wikipedia.org, Fusion power, https://en.wikipedia.org/wiki/Fusion_power, accessed 1 November 2021.
[2] COMPASS, Institute of Plasma Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, http://www.ipp.cas.cz/vedecka_struktura_ufp/tokamak/COMPASS
[3] P. Hohenberg, W. Kohn, Phys. Rev., 136 (3B), pp. B864-B871 (1964).
[4] W. Kohn, L.J. Sham, Phys. Rev., 140 (4A), pp. A1133-A1138 (1965).
[5] K. Momma and F. Izumi, J. Appl. Crystallogr. 44, 1272-1276 (2011).
[6] A. Zunger, et al., Phys. Rev. Lett., 65 (3), pp. 353-356 (1990).
[7] G. Kresse, J. Furthmüller, Phys. Rev. B 54 (16), pp. 11169-11186 (1996).
[8] J. Veverka, et al., Mat. Lett. 304, 130728 (2021).
HLEDÁNÍ SENSITIZÉRŮ SINGLETOVÉHO ŠTĚPENÍ
Výzva: 21. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Diego López-Carballeira, Ph.D.
Instituce: Fakulta elektrotechnická, ČVUT
Oblast: Materiálové vědy
Singletové štěpení je proces, který umožňuje molekulám generovat dva tripletové excitované stavy absorpcí jediného fotonu. Tato vlastnost přináší velké výhody pro výrobu solární energie a vědecká komunita se usilovně snaží získat nové sensitizéry (tj. materiály, které jsou schopny absorbovat světlo a procházet popisovaným procesem), které by mohly zvýšit účinnost budoucích fotovoltaických zařízení.
Bohužel všechny tyto snahy byly marné a těch několik málo molekul, u nichž bylo prokázáno účinné štěpení singletů, postrádá fotostabilitu potřebnou pro použití v reálném zařízení. S cílem najít nové adepty použitelné jako sensitizéry singletového štěpení používá naše skupina vysokoúrovňové kvantové výpočty pro screening rozsáhlých databází. Díky 6,9 milionu jádrohodin, které poskytuje IT4Innovations, je možné vyhledávat mezi množstvím známých molekul uložených v databázích, modelovat jejich elektronickou strukturu a vybírat ty, u nichž se zjistí, že vhodné pro singletové štěpení.
Výpočty mají poskytnout seznam snadno dostupných sloučenin kompatibilních s procesem singletového štěpení a zúžit tak počet kandidátů, kteří budou následně testováni nákladnými teoretickými a experimentálními přístupy.
STUDIUM MATERIÁLŮ PERPEKTIVNÍCH PRO VYUŽITÍ V HNOJIVECH S ŘÍZENÝM UVOLŇOVÁNÍM POMOCÍ MOLEKULÁRNÍ DYNAMIKY
Výzva: 20. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: doc. Ing. Václav Čuba, Ph.D
Instituce: České vysoké učení technické v Praze
Oblast: Materiálové vědy
Zavedení tzv. „NPK (dusík, fosfor, draslík)“ a dalších vícesložkových hnojiv usnadnilo zemědělcům péči o rostliny a půdu. Tato hnojiva zvýšila výtěžnost, nicméně způsobila také nové, především ekologické, problémy. K vyřešení ekologické zátěže, spojené hlavně s přebytkem dusíku v půdě a podzemních vodách, byla vyvinuta hnojiva s řízeně pomalým uvolňováním živin, kde rychlost uvolňování živin odpovídá rychlosti jejich příjmu rostlinou. Tento projekt hledá a studuje materiály, které jsou vhodné jako nosiče hnojiv, schopné řízeně uvolňovat živiny do prostředí. Takovým vhodným materiálem se zdají být zeolity, jejichž vlastnosti dovolují připravit hnojivo obsahující všechny potřebné živiny a zároveň umožňující jejich pomalé uvolňování. Vazby molekul živin se strukturami zeolitu jsou studované metodami molekulárního modelování. Z výsledků modelování lze předpokládat, jak bude probíhat uvolňování živin a jaký bude rozdíl v silách vazeb mezi jednotlivými živinami a strukturou zeolitu. Cílem projektu je studovat možnosti přípravy pomalu působících hnojiv.
SUBSTITUOVANÉ MOLEKULY HYALURONANU VE VODNÝCH A SMĚSNÝCH ROZPOUŠTĚDLECH
Výzva: 20. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: RNDr. Marek Ingr, Ph.D.
Instituce: Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně
Oblast: Materiálové vědy
Kyselina hyaluronová (též hyaluronan, HA) je základní stavební složkou mezibuněčné hmoty kůže a pojivových tkání. Její kladný vliv na regeneraci tkání a hojení ran ji předurčuje k četným aplikacím ve farmacii a kosmetice. Jako biokompatibilní materiál je vhodná i ke konstrukci nosičů léčiv či tkáňových náhrad. Třebaže jde o látku silně hydrofilní, řada jejích aplikací vyžaduje použití nevodného prostředí. V návaznosti na předchozí studie volných makromolekul HA ve vodných roztocích a směsích vody a s ní mísitelné organické látky se nyní zabývá Dr. Marek Ingr a jeho řešitelský tým strukturou molekul HA substituovaných jedním nebo více alifatickými řetězci v týchž rozpouštědlech. Rovnovážné chování molekul je simulováno metodou molekulové dynamiky, z nichž je vyhodnocována konformace molekul a vzájemná poloha a interakce jejích částí, separace směsného rozpouštědla kolem jednotlivých částí molekuly, interakce částí molekul s molekulami v roztoku, zejména prekurzory následných substitučních reakcí. Výsledky těchto studií přispějí k optimalizaci reakcí vedoucích k tvorbě modifikovaných molekul HA a k návrhu materiálů na nich založených, jež mohou najít uplatnění ve zdravotnictví, kosmetice a řadě dalších oborů.
OBJEV NOVÝCH ÚČINNÝCH KATALYZÁTORŮ PRO ZACHYCOVÁNÍ CO2
Výzva: 20. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Dr. Valeria Butera
Instituce: CEITEC, Vysoké učení technické v Brně
Oblast: Materiálové vědy
Oxid uhličitý (CO2 ) je považován za hlavního viníka globálního oteplování. Více než polovina emisí CO2 pochází z velkých průmyslových bodových zdrojů, zbytek pak má původ zejména v malých mobilních zdrojích. Snížení emisí pod kritickou úroveň vyžaduje nejen politické odhodlání, ale také nové vědecké přístupy k zachycování CO2 a umožnění jeho přeměny z odpadního produktu na produkty s přidanou hodnotou. Klíčovými opatřeními k dosažení tohoto cíle budou realizovatelné efektivní procesy zaměřené na oddělování a využití CO2 ze vzduchu ve velkém měřítku. Hlavním tématem tohoto projektu je vývoj inovativních technologií zaměřených na zpomalení nebo zamezení antropogenních emisí uhlíku. Výzvou pro ni je zejména návrh nových účinných, selektivních a „zelených“ homogenních a heterogenních katalyzátorů pro zachycování a přeměnu CO2 . Její výzkum se nejprve zaměří na materiály, které jsou vhodné pro oddělování a konverzi CO2 přímo z okolního vzduchu (direct air capture – DAC), výsledky tohoto výzkumu pak následně připraví půdu pro vývoj vhodných technologií pro získávání CO2 z velkých průmyslových zdrojů.
Návrh nového inteligentního materiálu s magnetickou tvarovou pamětí
Výzva: 19. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Ing. Martin Zelený, Ph.D.
Instituce: Matematicko-fyzikální fakulta, Univerzita Karlova
Oblast: Materiálové vědy
Slitiny s magnetickou tvarovou pamětí mají díky mimořádným vlastnostem své multiferoické martenzitické struktury široký aplikační potenciál pro výrobu aktuátorů, senzorů, generátorů energie a magnetických chladicích systémů. Makroskopickou deformaci těchto materiálů v externím magnetickém poli způsobuje velmi vysoká pohyblivost hranic dvojčatění v kombinaci s vysokou magnetickou anisotropií. Provozní teploty dosud připravených materiálů jsou však příliš nízké pro využití v průmyslu, což je způsobeno jejich nízkými transformačními teplotami při přechodu mezi vysokoteplotními fázemi austenitem a martenzitem. V rámci projektu OP VVV MATFUN, na který Martin Zelený získal v první periodě více než 4,1 milionů jádrohodin, se zaměří na hledání nových materiálů s vysokým aplikačním potenciálem, jež kombinují stabilitu martenzitické fáze při vysoké teplotě s její vysokou magnetickou anizotropií a nízkým napětím potřebným pro pohyb hranic dvojčatění, což jsou důležité předpoklady pro vývoj slitin s magnetickou tvarovou pamětí. Takovéto slitiny následně umožní miniaturizaci a vývoj nových zařízení v robotice, automobilovém, leteckém a biomedicínském průmyslu. Kromě hledání nových kandidátů pro experimentální přípravu bude Martin Zelený hlouběji zkoumat i základní aspekty multiferoického chování slitin s magnetickou tvarovou pamětí, jako je například fyzikální původ martenzitické transformace nebo pohyblivosti hranic dvojčatění.
Termodynamika aktiniového kovu
Výzva: 19. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Bc. et Bc. Lukáš Kývala
Instituce: IT4Innovations, VŠB-TUO
Oblast: Materiálové vědy
Poločas rozpadu nejstabilnějšího izotopu aktinia je pouhých 21,77 let. Díky tomu je jeho koncentrace v přírodě značně nízká. Nebýt jedním z produktů rozpadu thoria a uranu, již dávno by z naší Země vymizel. Z důvodu jeho vysoké radioaktivity a vzácnosti bylo provedeno jen několik experimentů s jeho kovovou formou, a tím pádem patří mezi nejméně prozkoumané prvky. I tak základní parametr jako je mřížková konstanta byla po mnoho let předmětem diskuze a její neobvykle nízká hodnota nebyla nikdy zcela objasněna. Lukáš Kývala využije svůj výpočetní čas (272 tisíc jádrohodin) k tomu, aby analyzoval fyzikální vlastnosti aktinia, jeho stabilitu při různých teplotách a sílu relativistických efektů, jelikož v současné době se z aktinia díky jeho vysoké radioaktivitě (zhruba 150krát vyšší než u radia) stal preferovaný prvek v radioterapii. Výzkum aktinia může nejen pomoci k porozumění fyziky aktinoidů, ale získané znalosti mohou být užitečné taktéž v jeho aplikacích, jako je zdroj neutronů nebo geochemický indikátor pro hluboký oběh mořské vody. Navíc, jeho schopnost dodávat stabilní množství tepla je vhodná pro výrobu elektřiny v kosmu, kde sluneční energie není k dispozici (tj. pro mise na odvrácené straně Měsíce).
MEZE PŘESNOSTI METODY KVANTOVÉ MONTE CARLO V LIMITĚ SLABÉ INTERAKCE
Výzva: 18. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Ing. Matúš Dubecký, Ph.D.
Instituce: Ostravská univerzita
Oblast: Materiálové vědy
Více než 4 miliony jádrohodin získal Matúš Dubecký na výzkum zaměřený na stanovení mezí přesnosti metody Fixed-node diffusion Monte Carlo (FNDMC) pro nekovalentní interakce. Nekovalentní interakce hrají klíčovou roli v mnoha oblastech výzkumu, např. v materiálové vědě nebo vývoji léčiv. Tým Matúše Dubeckého se zaměří na provedení srovnávací studie, navazující na předešlý výzkum a použití metody FNDMC u 2D materiálů, jejichž vlastnosti jsou ovlivněné nekovalentními interakcemi molekul, nebo 1D vodičů na jejich površích. Cílem tohoto projektu je za pomoci superpočítače zjistit míru spolehlivosti metody FNDMC, která je v současné době hojně využívána jako kvantová referenční metoda pro velké nekovalentní systémy. Kromě hlubšího fyzikálního náhledu do metodologie FNDMC a návrhu možných vylepšení, povedou výsledky k lepší kontrole přesnosti a racionálnějšímu použití této metody nejen pro velké systémy.
PRECIZNOST A PŘESNOST VAZEBNÝCH ENERGIÍ ROZLEHLÝCH SYSTÉMŮ IV
Výzva: 18. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Mgr. Jiří Klimeš, Ph.D.
Instituce: Univerzita Karlova
Oblast: Materiálové vědy
Více než 2,8 milionů jádrohodin výpočetního času IT4Innovations získal tým Jiřího Klimeše na projekt, ve kterém se zaměří na preciznost a přesnost výpočtu vazebných energií krystalů, obzvláště těch, které jsou vázané nekovalentními vazbami. Takovéto materiály jsou důležité jak v přírodě, tak v průmyslu, příkladem jsou metanové klatráty na dně moří, krystaly léčiv, nebo vrstevnaté systémy jako je grafit. Mezi jejich zajímavé vlastnosti patří polymorfismus – schopnost mít i za stejných podmínek různou krystalickou strukturu. Jedním z cílů tohoto projektu je využití superpočítače k vývoji metody, která by umožnila spolehlivý popis stability různých polymorfů nebo různých krystalických fází materiálů. Jedná se o projekt základního výzkumu, jehož cílem je pochopení limitů přesnosti metod používaných v současnosti a vývoj metod s vyšší přesností, které se uplatní pro simulace materiálů v budoucnu. Výzkumný tým Jiřího Klimeše chce také integrovat vyvinuté skripty pro přípravu a analýzu výpočtů do „balíčků“ používaných pro automatizované pracovní postupy. Toto by mělo zajistit, aby metody určené pro přesné výpočty vazebných energií byly jednoduše použitelné jinými výzkumnými skupinami, a také zvýšit reprodukovatelnost takovýchto výsledků.
OD ANTIFÁZOVÝCH HRANIC K NOVÝM MAGNETŮM BEZ VZÁCNÝCH ZEM
Výzva: 17. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: prof. RNDr. Mojmír Šob, DrSc.
Instituce: CEITEC
Oblast: Materiálové vědy
Od antifázových hranic k novým magnetům bez vzácných zemin Výzkumný tým prof. Mojmíra Šoba z CEITEC získal téměř 8 miliónů jádrohodin na projekt zabývající se analýzou vlivu antifázových (AF) hranic na magnetické vlastnosti intermetalických sloučenin a na jejich termodynamickou i mechanickou stabilitu. Tyto informace jsou potřebné pro úspěšný vývoj nových magnetických materiálů. Projekt se zaměří na slitiny na bázi Fe-Al, ve kterých podle nedávných experimentů zlepšují AF hranice některé magnetické charakteristiky až o desítky procent. Získaný výpočetní čas využije výzkumný tým ke studiu vlastností konvenčních magnetů (bez prvků vzácných zemin) na bázi Fe-Al a k pochopení příslušných fyzikálních mechanismů, jejichž znalost je nutná pro vylepšení vlastností těchto magnetických materiálů.
POTENCIÁL NEURONOVÉ SÍTĚ PRO VÝVOJ ZEOLITŮ „IN SILICO“
Výzva: 17. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: RNDr. Lukáš Grajciar, Ph.D.
Instituce: Univerzita Karlova v Praze
Oblast: Materiálové vědy
Lukáš Grajciar získal přes 2 milióny jádrohodin na projekt, který se bude zabývat designem nových katalyzátorů „in silico“, jako jsou například zeolity. Zeolity mají velký potenciál pro vývoj nových „zelených“ technologií, neboť se jedná o nejdůležitější průmyslové katalyzátory, které se používají zejména při zpracování ropy a v petrochemii. Lukáš Grajciar s kolegy Andreasem Erlebachem, Christopherem J. Heardem a Petrem Nachtigallem využijí svůj výpočetní čas pro simulace využívající silová pole na bázi hlubokých neuronových sítí pro screening rozsáhlých databází kandidátních struktur a jejich modelování v provozních podmínkách s bezprecedentní přesností. Výsledky projektu poskytnou hlubší vhled do struktury a stability existujících a hypotetických zeolitů, které dosud nebyly syntetizovány a ke zlepšení katalytických vlastností zeolitů všeobecně.
MOLEKULÁRNÍ A MESOSKOPICKÉ SIMULACE VODNÝCH ROZTOKŮ V NEHOMOGENNÍM PROSTŘEDÍ
Výzva: 16. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Ing. Barbora Planková, Ph.D.
Instituce: Akademie věd ČR
Oblast: Materiálové vědy
Na molekulární a mesoskopické simulace vodných roztoků v nehomogenním prostředí získala Barbora Planková z Ústavu chemických procesů Akademie věd ČR více než 1 milion jádrohodin. Vodné roztoky jsou všudypřítomné. Najdeme je v přírodě, průmyslových procesech i v každodenním životě. Pro ochranu zdraví či životního prostředí je proto pochopení jejich chování v nehomogenních prostředích klíčové. Planková spolu s kolegy Karlem Šindelkou a Martinem Lísalem využijí superpočítač pro tři výzkumné oblasti. První je rozhraní grafen a vodný elektrolyt. Grafenu se přezdívá zázračný materiál 21. století. Například pro odsolování vody či její čištění by se mohly využívat právě grafenové membrány. Nejdříve je však důležité porozumět základním procesům na molekulární úrovni, které bude autorka projektu studovat pomocí superpočítače. Druhou oblastí jsou iontové povrchově aktivní látky, které se používají například v avivážích. Část přidělených výpočetních prostředků bude využita pro studium chování těchto aktivních látek a jejich interakcí s měkkými povrchy – klíčovými aspekty jejich funkčnosti. Poslední oblastí je rozpustnost malých molekul v interpolyelektrolytových komplexech, která ovlivňuje účinnost léčiv či odstraňování znečišťujících látek.
VYSOCE VÝKONNÝ SCREENING ORGANOKOVOVÝCH STRUKTUR PRO SEPARACI OXIDU UHLIČITÉHO ZE SMĚSI SPALOVACÍCH PLYNŮ ZA VLHKÉHO STAVU
Výzva: 16. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Pezhman Zarabadi-Poor, Ph.D.
Instituce: CEITEC, Masarykova univerzita
Oblast: Materiálové vědy
Více než 3 miliony jádrohodin získal Dr. Pezhman Zarabdi-Poor z CEITEC za účelem identifikace nejvhodnějších organokovových struktur k oddělení oxidu uhličitého ze směsi spalin pomocí rozsáhlého systematického screeningu. Hlavním antropogenním zdrojem emisí oxidu uhličitého je spalování fosilních paliv. S ekonomickým růstem a vývojem průmyslu se jeho koncentrace v ovzduší stále zvyšuje, což vede ke globálnímu oteplování Země. Jednou z nejúčinnějších metod, jak odvrátit tento nechtěný fenomén a zachovat průmyslový rozvoj, je zachycování a ukládání oxidu uhličitého (Carbon Capture Sequestration, CCS). Jako efektivní řešení se v této souvislosti jeví zachycování oxidu uhličitého ze směsi plynů vznikajících při spalování (průměrně obsahují 15–16 % CO2). Superpočítač a výpočetní zdroje ve výši 3,3 miliony jádrohodin využije Zarabdi-Poor pro nalezení nejvhodnějších organokovových struktur, které poté budou syntetizovány a experimentálně ověřeny v laboratoři. Tento výzkum je součástí projektu COMPSTORE, jenž je financován programem Evropské unie Horizont 2020 v rámci Akce Marie Skłodowska-Curie a spolufinancován Jihomoravským krajem. Projekt je realizován v rámci výzkumné skupiny prof. Radka Marka a aktivně se na něm podílí student doktorského programu fyzikální chemie Esmaiel Farajpour Bonab.
POČÍTAČOVÉ NÁVRHY NOVÝCH LÉKŮ
Výzva: 14. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: prof. Ing. Pavel Hobza, DrSc., FRSC
Instituce: Akademie věd ČR
Oblast: Materiálové vědy
Hlavním řešitelem projektu zaměřeného na vývoj metody pro navrhovaní nových léků pomocí počítačů je Pavel Hobza z Akademie věd ČR. Jedná se o jeho devátý superpočítačový projekt, kterému byly přiděleny výpočetní zdroje IT4Innovations. Cílem prací jeho výzkumné skupiny je vytvořit spolehlivou výpočetní strategii pro identifikaci nových ligandů, které se vážou na terapeuticky relevantní proteiny, jako jsou např. HIV proteáza, cyklindependentní kinázy a aldo-keto reduktázy. V současné době se zaměřují na vývoj spolehlivých protokolů pro virtuální prohledávání knihoven sloučenin, které mohou obsahovat i několik milionů chemických látek. Pro virtuální hledání léčiv tentokrát získal tým profesora Hobzy více než 6 milionů jádrohodin.
ÚČINKY BIOMECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ LIPIDOVÝCH MEMBRÁN
Výzva: 14. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: prof. Mgr. Pavel Jungwirth, CSc., DSc.
Instituce: Akademie věd ČR
Oblast: Materiálové vědy
Na výzkum makroskopických vlastností lipidových membrán se zaměří prof. Pavel Jungwirth z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR. S pomocí superpočítače a využití molekulární dynamiky bude simulovat chování lipidových dvojvrstev. U plazmatických membrán je důležité nejen jejich chemické složení (například jaké typy lipidů je tvoří), ale také jejich tvar. Jungwirthův tým se pokusí zjistit, jak tvar dvojvrstvy ovlivňuje interakce v membráně. Nové poznatky o tvarech membrány přinesou další možnosti pro regulace enzymů a dalších proteinů v buňkách.
STROJOVÉ UČENÍ PRO POPIS ZEOLITŮ
Výzva: 14. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Mgr. Miroslav Rubeš, Ph.D.
Instituce: Akademie věd ČR
Oblast: Materiálové vědy
Výzkumnou oblastí, do které spadají projekty s nejvyššími alokacemi nejen u nás, jsou materiálové vědy. Do této oblasti patří i projekt Miroslava Rubeše z Ústavu organické chemie a biochemie Akademie věd ČR, který získal téměř 2 miliony jádrohodin. Zaměřuje se na zeolity, které se využívají jako detergenty, katalyzátory a adsorbenty. V roce 2017 činil trh se zeolity ve světě asi 30 miliard dolarů. Cílem Rubešova projektu je využít algoritmy strojového učení pro vytvoření modelu, který může pomoci hlubšímu porozumění jevů probíhajících v zeolitických materiálech.
SPRÁVNOST A PŘESNOST PRO MOLEKULÁRNÍ KRYSTALY II
Výzva: 13. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Mgr. Jiří Klimeš, Ph.D.
Instituce: Univerzita Karlova
Oblast: Materiálové vědy
Jiří Klimeš a jeho tým získal téměř 2 miliony jádrohodin na vývoj metod pro simulace materiálů. Jeho projekt Správnost a přesnost pro molekulární krystaly využívá poznatky kvantové chemie a přístupy používané pro popis pevných látek a získal na něj i prestižní Startovací grant Evropské výzkumné rady. V přírodě i průmyslu hrají molekulární pevné látky (molekulární krystaly) důležitou roli. Uveďme si například metan hydrát, tzv. hořící led, potenciálně velmi významný zdroj energie, polární čepice bohaté na oxid uhličitý na Marsu a léky v pilulkách. Některé molekulární krystaly mají zvláštní a přitom důležité vlastnosti. Příkladem je polymorfismus, schopnost existovat v různých strukturách při stejných podmínkách, který může být zásadní pro účinnost léků v těle. Cílem projektu Jiřího Klimeše je vyvinout metody, kterými bude možné spolehlivě vypočítat vazebné energie v materiálech jako jsou molekulární krystaly, což pomůže pochopit jejich vlastnosti. Superpočítač Salomon skupina využije pro získání vazebných energií 13 vybraných molekulárních krystalů.
OPTIMALIZACE MATERIÁLŮ PRO NOVÝ TYP LITHIOVÝCH BATERIÍ
Výzva: 12. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Ing. Dominik Legut, Ph.D.
Instituce: IT4Innovations
Oblast: Materiálové vědy
Náš kolega Dr. Dominik Legut se zabývá výzkumem lithium- -kovových baterií. Lithium-kovové baterie mají na rozdíl od lithium-iontových baterií vyšší energetickou hustotu a dokážou uchovat až 10x více energie. Anody z lithia nicméně čelí mnoha výzvám kvůli problémům s nízkou nabíjecí účinností, změnou objemu při nabíjení/vybíjení ale zejména s dendritickým růstem. V roce 2017 publikoval Dr. Legut společně s kolegy z USA, Číny a Singapuru článek na téma ochranné filmy pro lithium- -kovové baterie v magazínu Advanced Energy Materials s impakt faktorem 16. Speciální ochranné dvoudimenzionální filmy o tloušťce několika atomů totiž dokážou zabránit propojení elektrod (a následnému nebezpečnému zkratu), ke kterému může dojít kvůli dendritickému růstu na lithiových anodách. Nyní získal Dr. Legut 8 milionů jádrohodin na výzkum optimální struktury lithiových anod. S dalšími kolegy se bude snažit navrhnout optimální materiál pro lithiové anody pomocí prediktivních algoritmů, výpočtů chemické stability a mechanických vlastností.
VÝVOJ VÝPOČETNÍHO KÓDU PRO RELATIVISTICKOU SPEKTROSKOPII (RESPECT) KE STUDIU KOMPLEXNÍCH SLOUČENIN TĚŽKÝCH KOVŮ PRO LÉČBU RAKOVINY
Výzva: 12. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: Mgr. Jan Vícha, Ph.D.
Instituce: Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně
Oblast: Materiálové vědy
Jednou z léčebných metod rakoviny je chemoterapie. Nejužívanějším chemoterapeutikem jsou léky na bázi platiny. Klíčovým krokem pro jejich další vývoj je důkladnější pochopení struktury, vlastností, dynamiky a reakčních mechanismů těchto léků. Projekt Dr. Jana Víchy z Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně navazuje na výsledky jeho předešlých výzkumů a také na výsledky jeho projektu z naší 9. veřejné grantové soutěže. Cílem nového projektu, který tentokrát získal 1 134 000 jádrohodin, je zvýšit prediktivní schopnosti a přesnost výpočtů spektroskopických vlastností komplexních sloučenin platiny v programu ReSpect, který vyvíjí partnerská organizace projektu – Artic University of Norway. Nově upravený kód programu ReSpect bude nejprve testován pomocí výpočtů magnetické rezonance jednoduchých platinových chemoterapeutik, jako je cisplatina a oxaliplatina v roztoku. Výzkumné práce budou poté rozšířeny na simulace nových pokročilých nosičů platinových léčiv, což je také hlavním tématem projektu podpořeného Grantovou agenturou ČR „Pokročilé nosiče platinových léčiv“, jehož řešitelem je také Dr. Vícha. Alokované výpočetní zdroje budou využity na testování upraveného kódu a pro relativistické kvantově chemické výpočty v programu ReSpect pro predikci a analýzu parametrů magnetické rezonance u komplexních sloučenin těžkých kovů.
MOLEKULÁRNÍ SIMULACE MATERIÁLŮ NA BÁZI CÍNU PRO EXTRÉMNÍ ULTRAFIALOVOU LITOGRAFII
Výzva: 11. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: prof. RNDr. Petr Slavíček, Ph.D.
Instituce: Vysoká škola chemicko-technologická v Praze
Oblast: Materiálové vědy
Jak dokáže cílené vysokoenergetické záření změnit materiál? K jakým konkrétním změnám na molekulární úrovni dojde? Chemické změny materiálů pod vlivem fotonů o vysoké energii zkoumá tým pod vedením prof. Petra Slavíčka v Laboratoři teoretické fotodynamiky na Vysoké škole chemicko-technologické v Praze. Jejich projekt „Molekulární simulace materiálů na bázi cínu pro extrémní ultrafialovou litografii (EUV)“ získal 1 082 000 jádrohodin. Cílem projektu je popsat molekulární změny při ionizaci organocínatých sloučenin (tzv. Sn-O klecí) extrémním ultrafialovým zářením. Tyto sloučeniny mohou sloužit jako tzv. fotorezistní materiály pro EUV litografii. Jedná se o litografii nové generace pro nanometrové rozměry, využitelnou při efektivní výrobě nových počítačových čipů. Metoda je založena na změně fyzikálně-chemických vlastností fotorezistů (např. jejich rozpustnosti) po EUV ozáření. Ozářením specifických míst materiálu Jak dokáže cílené vysokoenergetické záření změnit materiál? může mít výsledná struktura rozlišení do 10 nm, což je hranice dnešních komerčních čipů. Značná výpočetní náročnost molekulových simulací ionizovaných Sn-O sloučenin je dána bohatou elektronovou strukturou cínu. Simulace jediné trajektorie trvající půl pikosekundy vyžaduje téměř týden počítačového času na běžných procesorech. Náš superpočítač Salomon, který má dohromady 76 896 jader (procesory Intel Haswell a akcelerátory Intel Xeon Phi), umožní výzkumníkům provést rozsáhlé simulace, které by jinak nebyly prakticky proveditelné.
POČÍTAČOVÉ NÁVRHY NOVÝCH LÉKŮ
Výzva: 10. Veřejná grantová soutěž
Hlavní řešitel: prof. Ing. Pavel Hobza, DrSc., FRSC
Instituce: Ústav organické chemie a biochemie Akademie věd ČR
Oblast: Materiálové vědy
Prof. Pavel Hobza z Ústavu organické chemie a biochemie Akademie věd České republiky se zabývá počítačovými návrhy nových léků. Jeho projekt „In silico drug design“ získal 7 425 000 jádrohodin v rámci 10. Veřejné grantové soutěže. Získané výpočetní prostředky využije tým prof. Pavla Hobzy na vývoj metod pro virtuální hledání léčiv. Tento přístup využívá molekulární modelování (dokování a skórování) k identifikování vhodných látek pro vývoj nových léčiv a je prakticky využíván farmaceutickým průmyslem. Kvůli vysokým požadavkům na rychlost výpočtů je však stále spolehlivost těchto metod nízká. S pomocí našich supervýkonných počítačů dokáží vědci z týmu prof. Hobzy předvídat pomocí přesných kvantově-chemických výpočtů jak strukturu léku v aktivním místě proteinů tak i jejich schopnost se vázat, což napovídá o jejich léčebných účincích. Nedávno publikovaný přístup je v současné době využíván ve spolupráci s předními farmaceutickými společnostmi.