Jestliže myšlenka začíná v hlavě, každý pořádný experiment začíná v laboratoři. Jeho korektní provedení je nezbytnou součástí každodenního života výzkumníka na rozsáhlém poli přírodních věd. Výsledek experimentu pomáhá myšlenkám nabývat konkrétních tvarů, dále s nimi pracovat a vyvozovat z nich závěry. Nic ale není absolutní: Experiment je „Bůh“ a mnohdy nám ukazuje, na jak nesprávných předpokladech jsme stavěli. Co je ale jisté, že každá zkušenost posouvá hranice lidského poznání kupředu a každý případný neúspěch jen podněcuje intenzivnější bádání a vede tak ke zdárnému výsledku na mezinárodní úrovni. Abychom toto činili co nejrychleji, zakládáme si na nejmodernějším vybavení našich laboratoří sledující současné trendy.
V laboratoři optické litografie a depozice tenkých vrstev připravujeme pokročilé holografické struktury, které dále spektroskopicky charakterizujeme v Laboratoři optické spektroskopie, čímž jsme schopni pokrýt optickou odezvu vzorku v oblasti od ultrafialového záření až po terahertzové vlny. Oblasti terahertzového záření se podrobně věnujeme v Laboratoři ultrakrátkých laserových pulzů, kdy studiem průchodu laserového pulzu vzorkem jsme schopni např. sledovat biochemické reakce v reálném čase. Jsme Laboratoř modelování pro nanotechnologie: I z malých věcí může vzejít obrovský úspěch. Neváhejte nás kontaktovat, v případě zájmu Vás se vším rádi osobně seznámíme.
Portfolio
Laboratoř optické spektroskopie
Interakce světla s látkou závisí na optických vlastnostech zkoumaného materiálu a na vlnové délce světla, kterým si na náš experiment posvítíme. Chceme-li určit optické vlastnosti materiálu v určité části spektra elektromagnetického záření, provádíme spektroskopii. Naše instrumentální zázemí je schopné pokrýt velice širokou oblast počínaje teraherzovou oblastí až do blízké ultrafialové oblasti. Jeden z klíčových pilířů naší práce je specializace na určení kompletních polarizačních vlastností materiálu pomocí elipsometrie. Perličkou naší laboratoře je časově rozlišená terahertzová spektroskopie. Ta na rozdíl od běžných optických metod dovoluje kromě intenzity záření detekovat i jeho fázi, tedy kompletní optickou odezvu. Naprostou novinkou je prototyp mikroskopu Muellerovy matice představující kombinaci klasického optického mikroskopu a spektroskopického elipsometru. Právě tato kombinace dává studiu polarizačních vlastností zcela nový rozměr.
Laboratoř ultrakrátkých laserových pulzů
Laserová laboratoř disponuje speciálním laserem pro generaci ultrakrátkých femtosekundových pulsů, tedy laserových záblesků trvajících biliardtiny sekundy (10-15 s). Což jsou časy kratší než délka trvání velkého množství základních fyzikálních, chemických a biologických procesů na molekulární úrovni. Pomocí ultrakrátkých pulsů budeme schopni pozorovat dynamiku zmíněných procesů v čase. Další výhodou je celkově přenesený výkon v jednom pulsu, který mnohonásobně převyšuje výkon jaderné elektrárny, a to i přes malou energii v jednom pulsu (na úrovni mJ). Při interakci pulsu se studovanou látkou jsme schopni generovat speciální stavy hmoty a zkoumat procesy, při nichž světlo reaguje s hmotou jinak, než jak jsme zvyklí. Experimenty budou založeny na pump-probe elipsometrii, magnetooptice, časově rozlišené terahertzové spektroskopii a velmi přesném 3D tisku na bázi dvou-fotonové polymerizace.
Laboratoř optické litografie a depozice tenkých vrstev
Laboratoř pro přípravu nanostruktur využívají optického laserového litografu a systému pro depozici tenkých vrstev. Optický litograf umožňuje přímý zápis navrhované struktury s rozlišením až 300 nm na pixel a celkovou velikostí zapisovaného motivu až 10x10 cm. Po zápisu, je fotorezist vyvolán a může být pokryt tenkou vrstvičkou (v řádech jednotek či desítek nanometrů) v reaktoru depozice tenkých vrstev. Tento systém umožňuje naprašovaní tenkých kovových a dielektrických vrstev. Pro speciální aplikace a materiály je možné připravit tenké vrstvy kovů termální evaporací. Velikou předností naší depozice tenkých vrstev je možnost depozice až 4 různých materiálů během jednoho procesu a to i s využitím depozice v reaktivní, kyslíkové, atmosféře. Depoziční aparaturu je možné osadit spektroskopickým elipsometrem a monitorovat a kontrolovat tak růstové procesy v reálném čase.
Vývoj nových magnetických materiálů
Modelujeme a navrhujeme magnetické materiály na různých časových a velikostních škálách pro několik významných technologických aplikací, jako jsou magnetické záznamy dat, spintronika, elektrické motory, elektrické generátory, magnetické aktuátory, biomedicínu (hypertermie), magnetické chlazení atd. Používáme a kombinujeme modelovací techniky k preciznímu pochopení chování magnetických materiálů. Některé z nich jsou založeny na kvantové mechanice, jako je například přístup teorie funkcionálu hustoty (DFT), který nám umožňuje vypočtení intrinsických magnetických vlastností na atomové škále a určení nových magnetických fází pomocí moderních evolučních technik. Pomocí techniky atomové spinové a molekulární dynamiky jsme schopni zohlednit závislost na teplotě, studium hranic zrn a krystalovou stabilitu. Následně nám mikromagnetické simulace umožňují určit magnetické domény, mikrostrukturní efekty, hysterezní smyčky a konečně pomocí techniky konečných prvků jsme schopni modelovat magnetické chování nově designovaných fází za reálných operačních podmínek.
Modelování slitin transitivních kovů
V rámci výzkumu technologií výroby tzv. čisté energie navrhujeme nové slitiny použitelné pro termonukleární fúzní reaktor, např. v projektu ITER. Jedná se o použití kvantově-mechanických modelů pro reálnou simulaci slitin stěn reaktoru, které jsou vystaveny vysokým teplotám, cca 200 000 000 ℃ vodíkové plasmy, která je jinak v prostoru omezena externím magnetickým polem (5T). Naše metody kombinují přístupy výpočtů elektronové struktury pevných látek se statistickou fyzikou, a to s využitím výkonu HPC infrastruktury.
Atomistické simulace
Návrh a predikce fyzikálních vlastností reálných materiálů vyžaduje co nejpřesnější simulace velkého množství atomů, z kterých je látka složena. Výpočty elektronové struktury, např. založené na teorii funkcionálu hustoty (DFT), se stávají hlavní výpočetní metodou v materiálovém výzkumu. Nicméně standardní výpočty DFT jsou prováděny jen pro systémy od jednotek do několika set atomů, a to jak z důvodů potřebného výpočtového času, tak i požadované paměti, neboť tyto výpočty škálují s třetí, případně čtvrtou mocninou počtu atomů. Pro reálnější systémy obsahující dislokace, rozhraní, hranice zrn, náhodné uspořádání slitin, nanočástice a biomolekuly, je potřeba provést simulace s řádově několika tisíc až několika miliony atomů. Kód CONQUEST, používající přístup matic hustoty s lokální bází, je velmi efektivní paralelní metodou, která škáluje lineárně s počtem atomů. Takové výpočty nám umožňují pochopit proces růstu nanočástic, kvantových teček, nanorátů, krystalů atd. Dalším způsobem modelování rozsáhlých atomistických simulací je přístup molekulové dynamiky založený na interatomových potenciálech. Ten umožnuje pro mnohé aplikace určit chování fyzikálních vlastností při dané teplotě (difuze, teplota tání, koexistence několika fází). Zde by opět byly DFT výpočty neúměrně náročné, ne-li neuskutečnitelné s ohledem na sledování jevů v časové škále nanosekund, a to i s pomocí kódu CONQUEST. V našem výzkumu využíváme rovněž strojového a hlubokého učení k návrhu přesných interatomových potenciálů z DFT výpočtů.
Vibrace atomů a atomové mříže – přenos tepla
Atomy v molekulách a pevných látkách vibrují kolem svých rovnovážných poloh i při teplotě tzv. absolutní nuly. Tyto kolektivní excitace (tzv. fonony) jsou zodpovědné za jevy jako je teplotní roztažnost, supravodivost a jiné. S budováním superpočítačových center jako je IT4Innovations a značným nárůstem výkonu jejich HPC systémů, jsme schopni tyto jevy studovat na atomové úrovni, tedy určit teplotní roztažnost a kapacitu jakéhokoliv materiálu přímo z kvantově-mechanických výpočtů bez použití experimentálních či jiných empirických parametrů. Modelujeme IR a ramanovská absorpční spektra, vzájemné interakce fononů a jsme schopni pochopit přenos tepla v materiálech a jeho vliv. Tyto výpočty nám dovolují navrhovat nová nukleární paliva s větším přenosem tepla i nová termo-elektrika s vyšší účinností. Dále se věnujeme studiu interakce fononů s elektrony a fononů se spiny, což nám umožní studovat vznik supravodivosti a vůbec poprvé modelovat chování magnetických látek při konečných teplotách přímo pomocí kvantově-mechanických modelů, s cílem popsat chování magnetokalorik (chlazení pomocí magnetického pole) a porozumění ultrarychlé demagnetizaci pomocí laserového pulzu pro novou techniku ukládání dat.
Návrh materiálů – blíže realitě prostřednictvím exascalových výpočtů
Od pokroku v HPC hraje v našem životě klíčovou roli simulace chování materiálů. Tato skutečnost se ještě více prohloubila v okamžiku, kdy se objevil způsob, jak provádět kvantové mechanické výpočty za účelem získání elektronové struktury materiálů a jejího chování k vazbě na mnoho fyzikálních a chemických vlastností. Výpočty prvních principů (ab initio) jsou v současné době přístupem bez parametrů pro i) ověřování experimentů ii) pro simulaci podmínek nebo výpočet vlastností materiálů, které nejsou přímo přístupné nebo měřitelné iii) pro návrh nových materiálů. V rámci flagshipu se zabýváme základními a nejmodernějšími tématy, jako je navrhování jaderných palivových materiálů z radioaktivních sloučenin pro jaderné reaktory IV. generace, ultrarychlá magnetická dynamika pro ukládání nových dat, komplexní spintronická zařízení využívající multiferroitu a inženýrství použitelných materiálů při hraničních teplotách a tlaku, např. nové permanentní magnety.
Keramické nanostrukturované materiály
Nanokeramika je vyráběna ze směsi přírodních minerálů, kde precizním navržením technologie přípravy lze získat výrobky s definovanou velikostí pórů a aktivním povrchem. Tyto materiály jsou během přípravy obohaceny o další prvky, které pro výsledný produkt přinášejí další výjimečné vlastnosti, např. přidáním Zr do směsi před spékáním keramiky v peci vyrobíme keramiku s mikronovými částicemi zirkonu. Pro třecí aplikace – brzdy, řezné nástroje, tvrdopovlaky.
Nanoplniva pro plasty
Přírodní jílové minerály, které jsou obohacené organickou látkou, tak aby minerály byly schopné dobře přilnout k polymeru. Významným parametrem pro aplikace, např. v biologicky odbouratelných plastech, je fakt, že jílové minerály jsou zcela neškodné životnímu prostředí a tímto velmi vhodné pro bioplasty. Druhým pozitivem je nízká ekonomická náročnost. Plasty s nanoplnivy mají lepší mechanické, teplotní a chemické parametry. Jsou odolnější vůči teplotám a méně náchylné k mechanickému opotřebení.
Jílové částice s aktivní složkou
Antibakteriální složka pro aplikace v medicíně a k sanitárním účelům vyvíjená ve spolupráci s ostravskou Fakultní nemocnicí, oddělením obličejové chirurgie. Oxidy kovu zachyceny na jílové částici pro aplikace v elektronickém průmyslu a medicíně jsou připravovány metodami reaktivního mletí a mechano-chemickou cestou.
Molekulární modelování nosičů lékových forem
Případové studie charakterizace biodegradabilních polymerů jako nosičů imunosupresivních léčivých látek. Molekulární modely polymerních systémů pro využití metody tzv. elektrospiningu pro přípravu nosičů léků.