Přeskočit na hlavní obsah
Přeskočit hlavičku

Výzkum Laboratoře nanopartikulárních materiálů je zaměřen na následující oblasti:

Dezintegrace a exfoliace nanočástic kavitační implozí

V patentovaném nanodesintegrátoru Water Jet Mill – WJM je vysokotlakým multiplikátorem generován tlak pracovní kapaliny do 4200 MPa. Při následném vytlačení kapaliny diamantovou tryskou průměru 23 μm je generován vysokorychlostní výtokový paprsek o rychlosti cca 660 ms-1. Při jeho vstupu do kapalinové disperze mikročástic dochází ke vzniku intenzivních smykových napětí v jeho okolí a ke vzniku kavitace. Implozí kavitačních mikrobublin dochází na povrchu částic ke vzniku hydraulických rázů s impaktními tlaky dosahujícími až desítek GPa, které významně převyšují pevnostní parametry materiálů a způsobují dezintegraci dispergovaných mikročástic až do nanometrických rozměrů. WJM slouží k přípravě jemné frakce nanočástic metodou top-down.

Významným problémem současné nanotechnologie je exfoliace vrstevnatých lamelárních materiálů jako je např. grafit, nebo fotokatalytický karbonitrid C3N4. Lamelární materiály mohou být efektivně exfoliovány extrémním smykovým napětím v okolí vysokoenergetického kapalinového paprsku nebo v kapalinové disperzi expozicí v intenzivním ultrazvukovém poli.

Agregace nanočástic do lamelárních struktur svysokým specifickým povrchem metodou řízené sublimace a její počítačové simulace

Při výzkumu kolektivního chování souboru většího počtu nanočástic v chladném, vysoce zředěném plynu (v oblasti nízkých vakuových tlaků) nad sublimačním rozhraním, byla pozorována jejich samoorganizace do pevných agregátů s vysokým specifickým povrchem. Proces samoorganizace nanočástic na sublimačním fázovém rozhraní byl teoreticky analyzován pro různé režimy vakuové sublimace zmrazené kapalinové nanodisperze. Při nich bylo u výstupních nanoagregátů dosaženo vysokých hodnot specifického povrchu řádu stovek m2/g ve srovnání s jednotkami m2/g při standardní metodě termálního sušení. Na základě provedeného výzkumu samoorganizace nanočástic na sublimačním rozhraní byla vytvořena nová technologie přípravy a modifikace speciálních nanomateriálů s vysokými hodnotami aktivního povrchu a základní části technického řešení jsou již chráněny několika zahraničními patenty CZ 303 513, US 9,410,739 B2, JP5961266 B2, EP2751508B1, CN 103842755 B a RU 2599282.

Další výzkum v této oblasti je zaměřen na experimentální část řízenou algoritmy plánování experimentu, a část teoretickou s matematickým modelováním metodami částicové dynamiky. Důraz je kladen zejména na shodu obou paralelních přístupů experiment – teoretický model. Základní simulační modely vycházejí z Hamakerova interakčního potenciálu, analyzují vliv Brownova pohybu nanočástic ve vysoce zředěných vodních parách a následně ve vlastní simulaci vzniku lamelárních agregátů na d sublimačním rozhraním.

Vývoj polovodičových nanokompozitů pro chemickou a biologickou kontrolu polutantů aktivovaných viditelným světlem

Výzkum je zaměřen na vývoj a modifikaci nových organických polovodičových nanokompozitů na bázi lamelárního nitridu uhlíku C3N4. Jedná se o organický polovodič, který je schopen generovat elektrony a díry již absorpcí ve viditelné části optického záření. Vzniklé elektrony a díry pak mohou v rámci redoxních reakcí produkovat oxidační látky, které jsou účinné k eliminaci toxických látek, bakterií a virů. Modifikace materiálů spočívá kromě chytré modulace zakázaného pásu pomocí optimalizace metody přípravy také v dopingu různými prvky (C, N, S, O, Ag) a/nebo propojením s jinými polovodičovými nanomateriály (TiO2, ZnO, WO3, SnO2). V naši laboratoři jsme schopni stanovit nejen kvantový výtěžek různých nanokompozitu, ale také velikost vzniklého fotoproudu v závislosti na vlnové délce a intenzitě záření a vstupním napětí pomocí fotoelektrického spektrometru se světelným kalibrátorem.

Rovněž jsme schopni měřit fotokatalytickou aktivitu libovolného polovodičového nanomateriálu, který má šířku zakázaného pásu až 4.9 eV s využitím patentovaného in-situ reaktoru, která byl vyvinut v naši laboratoři.

Příprava a charakterizace polovodičových nanostruktur s vysokým specifickým povrchem a fotokatalytickou a antimikrobiální aktivitou

Antimikrobiální materiály se široce používají k inhibici mikroorganismů v životním prostředí. Bylo zjištěno, že růst bakterií lze omezit nanočásticemi stříbra. Kombinování tyto s jinými antimikrobiálními látkami, jako je ZnO, mohou zvýšit antimikrobiální aktivitu a použití nosného substrátu usnadňuje manipulaci s materiálem. Jako příklad může sloužit antimikrobiální nanokompozit, připravený v naší laboratoři na bázi nanočástic stříbra, precipitovaných na silikátové nanostruktuře ZnO∙mSiO2. Materiál byl spolu s čistým AgNO3 a čistým ZnO∙mSiO2 úspěšně testován na antimikrobiální aktivitu na grampozitivních i gramnegativních bakteriálních kmenech a kvasinkách Candida albicans. U nanokompozitního materiálu Ag-ZnO∙mSiO2 byl zaznamenán výrazně pozitivní synergický antimikrobiální účinek mezi látkami Ag a Zn. Byl tak připraven snadno aplikovatelný antimikrobiální materiál ve formě silikátovího nosného prášku.

Depozice sorpčních a fotokatalytických nanostruktur na nanovlákna a nanofiltry

V roce 2018 jsme rozšířili výzkumná zaměření o oblast přípravy nanovláken, funkcionalizovaných depozicí polovodičových nanočástic a vodivých nanočástic. Po aktivaci přístroje Nanospider-lab pro elektrospining byl výzkum zaměřen na přípravu funkčních nanofiltrů s fotokatalytickým povlakem, aktivním v oblasti viditelného spektra. Takto funkcionalizovaný filtrační materiál vykazuje permanentní biologickou dezinfekci povrchu a významně delší hygienicky akceptovatelnou dobu života. V oblasti deponování nanomateriálu na nanovlákenné textilie byla také navázána spolupráce s Technickou univerzitou v Drážďanech. Výzkum je zaměřen na přípravou samočisticích membrán, které se aktivuji viditelným světlem. Tento výzkum pak navazuje na aplikační výzkum při výrobě baktericidních a virucídních filtrů a ochranných prostředků. V rámci projektu TAČR se návazně věnujeme aplikovanému výzkumu v oblasti aktivních filtrů pro adaptabilní masku s baktericidními a virucidními nanofiltry, které jsou permanentně regenerovatelné slunečním světlem.

Speciální metody separace a nanofiltrace v elektrickém a magnetickém poli

V roce 2020 jsme zahájili výzkum problematiky mechanismů nanofiltrace na zařízení vlastní konstrukce s měřením efektivity filtrace a tlakové ztráty na libovolném filtračním materiálu. Jedná se o zaměření výzkumu ve dvou základních směrech:

  1. Funkcionalizovaný nanofiltr s permanentní deaktivací částic biologického zamoření povrchu.
  2. Elektroaktivní filtr s řízením polohy minima MPPS (Most Penetrating Particle Size).

V rámci výzkumu elektroaktivních nanofiltrů jsou vyvíjeny metody elektrospiningu pro přípravu vodivých kompozitních nanovláken s různými

Patentové přístrojové vybavení

  • Prototyp ultrazvukového vysokotlakého reaktoru (32/50 kHz, 2 kW/l, do 20 MPa)
  • Prototyp kavitačního nanodezintegrátoru Water Jet Mill – WJM (licencovaný patent CZ 305 704) s rychlostí primárního kapalinového paprsku cca 660 ms-1 

  • Kontinuální fotokatalytický reaktor v režimu in-situ (patent CZ 308 365 B6)

Kontakt

prof. RNDr. Richard Dvorský, Ph.D.

e-mail:

tel.: +420 596 999 356