Schválené projekty 2013

Rozdělení přidělené dotace z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum po fakultách se zohledněním celoškolských pracovišť na rok 2013

Celková přidělená částka z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum na VŠB-TUO - 50 297 tis.Kč

Z toho 2.5%  - 1 257 425 Kč - úhrada způsobilých nákladů spojených s organizací SGS

fakultačástka v tis. Kč
FBI 1 384
EKF 5 219
FAST 3 132
FS 11 112
FEI 12 608
HGF 7 091
FMMI 7 130
CNT 1 363
CELKEM 49 039

Rezerva 575,- Kč
825,- Kč Fond účelových prostředků (nevyčerpaná rezerva z roku 2012)

KódSP2013/67
Název projektuDesign nanomateriálů metodami počítačového molekulárního modelování
ŘešitelTokarský Jonáš doc. Ing., Ph.D.
Školitel projektu
Období řešení projektu01.01.2013 - 31.12.2013
Předmět výzkumuPředkládaný projekt, jenž navazuje na předcházející projekt „Počítačový molekulární design nanomateriálů“ (SP2012/47) je zaměřen na využití molekulárního modelování pro:

1) polymerní směsi využitelné v procesu elektrospinningu
2) nové lékové formy na bázi biodegradabilních polymerů a kopolymerů
3) nanokompozity na bázi silikátů, interkalovaných a povrchově modifikovaných organickými látkami
4) validace reaktivního silového pole

Vyřešení struktury a pochopení jejího vztahu k pozorovaným vlastnostem je cestou k syntéze funkčních nanomateriálů. Jelikož většinou máme v materiálovém výzkumu co do činění se strukturami bez dokonalé 3D periodicity (a tedy příliš neuspořádaných pro difrakční techniky), je počítačové molekulární modelování jediným účinným nástrojem k řešení struktur těchto systémů.
Stejně jako v předchozím projektu budou všechny výpočty prováděny v těsné součinnosti s vyvíjenou technologií. Cílem zůstává optimalizace technologických postupů a možnost dopředu vyloučit postupy, které nevedou k žádanému cíli. Tato predikční schopnost je u molekulární mechaniky a klasické molekulární dynamiky dána použitím empirických silových polí, jež popisují energii simulovaného systému, přičemž jimi není možno (oproti kvantově chemickým výpočtům) studovat chemické reakce, tzn. vznik a zánik vazby. Výhodou empirických silových polí je však možnost studovat a optimalizovat modely s mnoha tisíci atomy, tedy modely zcela neřešitelné kvantově chemickými výpočty. Přitom právě zejména množství simulovaných atomů udává míru realističnosti modelu. Molekulární modelování pomocí klasických silových polí bude v předkládaném projektu doplněno simulacemi pomocí reaktivních silových polí, která dovolují sledovat vznik a zánik chemické vazby při zachování schopnosti modelování systémů s mnoha tisíci atomy. Reaktivní silová pole jsou novým modelovacím nástrojem, dosud na CNT nevyužívaným, který významně rozšíří možnosti studia nanomateriálů.

Modelování bude prováděno v modelovacím prostředí Accelrys Materials Studio a v modelovacím prostředí LAMMPS. Pro specifické úlohy byl v rámci projektu „Počítačový molekulární design nanomateriálů“ vytvořen ve skriptovacím jazyce Materials Studia vlastní algoritmus umožňující automatický výpočet energetických parametrů, jež budou v rámci předkládaného projektu dále testovány a optimalizovány. Práce na předchozích projektech umožnila nalézt a úspěšně otestovat vhodné modelovací strategie pro fotokatalytické a antibakteriální nanokompozity, pro nanokompozity na bázi jílů, povrchově modifikovaných a interkalovaných organickými látkami, a pro nové lékové formy na bázi polymerních a gelových nosičů léčiv. Tyto strategie budou využity i v rámci tohoto projektu, přičemž budou dále rozvíjeny a doplňovány o nové přístupy s ohledem na aktuálně řešenou problematiku.
V případě polymerních směsí využitelných v procesu elektrospiningu budou zkoumány vlivy typů polymerů a vlivy složení rozpouštědla na strukturu a interakce v dané směsi.
V případě polymerních nosičů léčiv budou zkoumány jejich dosud nesimulované podmínky ve vodném prostředí (různé teploty, pH), popř. simulace v jiném, než vodném prostředí.
V případě nanokompozitů na bázi silikátů, interkalovaných a povrchově modifikovaných organickými látkami budou zkoumána zejména infračervená (IČ) spektra daných organických látek a jejich změna oproti spektrům těchto látek v čistém stavu. Výsledek této studie poslouží k rozšíření možnosti IČ spektroskopie při charakterizaci nanomateriálů, studovaných na CNT.
Reaktivní silová pole budou validována na modelech polymerních směsí.

Postup řešení:
---------------

Využití empirických i reaktivních silových polí pro výpočet energie systému klade velké nároky na strategii modelování, jež musí být podpořena experimentálními daty z analýz reálných vzorků. Obecné rysy této strategie jsou: (1) generování iniciálních modelů, (2) jejich parametrizace, (3) volba optimalizačních postupů a (4) konfrontace výsledků s experimentem.

Modelování polymerních směsí využitelných v procesu elektrospinningu bude sledovat vliv typů polymerů a vliv složení rozpouštědla na strukturu a interakce v dané směsi. Budou připraveny různé vstupní modely, lišící se délkou a typem polymerních řetězců a obsahem rozpouštědla. Výsledky budou konfrontovány s experimentálními daty. Na základě této zpětné vazby bude modelovací postup dále optimalizován. Tyto modely zároveň poslouží jako validační modely pro reaktivní silové pole (viz dále).

Modelování polymerních nosičů léčiv bude řešit strukturní formy polymerů (různé varianty kopolymerů) za dosud nesimulovaných podmínek (různá teplota, různé pH). Hodnoty strukturních a energetických charakteristik těchto forem (míra aglomerace, hydrofilita, energie a typ interakce nosič-léčivo) při různých simulovaných podmínkách (teplota, pH) budou s použitím molekulární dynamiky srovnány s hodnotami strukturních a energetických charakteristik různých forem polymerů, studovaných v rámci projektu SP2012/47, ve kterém byly strukturní a energetické charakteristiky řešeny pro teplotu 25°C.

Modelování nanokompozitů na bázi silikátů, interkalovaných a povrchově modifikovaných organickými látkami bude v návaznosti na výsledky, dosažené v minulém roce, zaměřeno na studium IČ spekter pomocí modulu Discover v modelovacím prostředí Materials Studio. Budou připraveny modely čistých organických látek a modely kompozitů, tyto látky obsahující. IČ spektra, vypočtená z těchto modelů optimalizovaných pomocí empirických silových polí, budou porovnávána s experimentálně zjištěnými IČ spektry s cílem rozšířit možnosti interpretace experimentálních dat.

Validace reaktivního silového pole se bude zabývat možnostmi aplikace reaktivního silového pole na vybrané modely. V rámci validace budou porovnávány výsledky simulací vybraných modelových struktur (modely polymerních směsí – viz výše) s experimentálními daty. Vyhodnocení aplikovatelnosti reaktivního silového pole pro simulace v materiálovém výzkumu tak blíže stanoví rozsah využití tohoto přístupu při molekulárním designu funkčních nanostruktur.


Relevantní publikace členů řešitelského týmu za rok 2012
----------------------------------------------------------

J. Tokarský, P. Čapková, J.V. Burda: Structure and stability of kaolinite/TiO2 nanocomposite: DFT and MM computations. Journal of Molecular Modeling. 18 (2012) 2689-2698.

L. Kulhánková, J. Tokarský, P. Peikertová, K. Mamulová Kutláková, L. Ivánek, P. Čapková: Montmorillonite intercalated by conducting polyanilines. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 73 (2012) 1530-1533.

M. Macháčková, J. Tokarský, P. Čapková: A simple molecular modeling method for the characterization of polymeric drug carriers. European Journal of Pharmaceutical Sciences. V tisku. DOI: 10.016/j.ejps.2012.11.010.

D. Hlaváč, J. Tokarský: Molecular modeling of vermiculite / chlorhexidine diacetate nanocomposite. Journal of Nanocomposites and Nanoceramics. 3 (2012) 15-19.

D. Hlaváč, J. Tokarský: Structure analysis of the interlayer space of vermiculite / chlorhexidine nanocomposite using molecular modeling. Conference proceedings. NANOCON 2012. Brno, Czech republic (2012).

J. Tokarský, P. Čapková: Influence of paraffin oil on behavior of gel-based drug carrier: molecular modeling study, NANOCON 2012. Conference proceedings. Brno, Czech republic (2012).


Členové řešitelského týmuprof. RNDr. Pavla Čapková, DrSc.
Ing. Dominik Hlaváč
Ing. Miroslava Macháčková
Mgr. Pavlína Peikertová, Ph.D.
doc. Ing. Jonáš Tokarský, Ph.D.
doc. Ing. Jonáš Tokarský, Ph.D.
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu)Obecným cílem projektu je další (v návaznosti na předešlé projekty) prohlubování a zlepšování modelovacích technik. Konkrétní cíle jsou stanoveny následovně:

1) Simulace polymerních směsí využitelných v procesu elektrospinningu a konfrontace modelů s experimentem za účelem optimalizace modelovací strategie. Cílem je vytvořit postup predikce vlastností těchto směsí.

2) Vyhodnocení vlivu pH a teploty vodného roztoku biodegradabilních polymerů a kopolymerů jakožto lékových nosičů na jejich schopnost vázat molekulu léčiva.

3) Srovnání experimentálně stanovených IČ spekter nanokompozitů na bázi silikátů, interkalovaných a povrchově modifikovaných organickými látkami, s IČ spektry vypočtenými z modelů těchto kompozitů. Využití molekulárního modelování jako podpůrného nástroje pro interpretaci IČ spekter nanokompozitů, připravovaných a testovaných na CNT.

4) Potvrzení schopnosti reaktivního silového pole popisovat děje ve zkoumaných materiálech (např. polymerní směsi využitelné v procesu elektrospinningu) a začlenění tohoto nového modelovacího nástroje mezi stávající modelovací metody, využívané na CNT.

Předpokládané VaV výstupy
--------------------------

1) článek v mezinárodním periodiku s IF

2) aktivní účast na mezinárodní konferenci NANOCON 2013 + minimálně jeden plný příspěvek ve sborníku konference

3) aktivní účast na mezinárodní konferenci NanoOstrava 2013

Rozpočet projektu - uznané náklady

NávrhSkutečnost
1. Osobní náklady
Z toho
0,-0,-
1.1. Mzdy (včetně pohyblivých složek)0,-0,-
1.2. Odvody pojistného na veřejné zdravotně pojištění a pojistného na sociální zabezpečení a příspěvku na státní politiku zaměstnanosti0,-0,-
2. Stipendia30000,-30000,-
3. Materiálové náklady16000,-27161,-
4. Drobný hmotný a nehmotný majetek20000,-12784,-
5. Služby60000,-61283,-
6. Cestovní náhrady9000,-3772,-
7. Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory15000,-15000,-
8. Konference pořádané VŠB-TUO k prezentaci výsledků studentského grantu (max. do výše 10% poskytnuté podpory)0,-0,-
9. Pořízení investic0,-0,-
Plánované náklady150000,-
Uznané náklady150000,-
Celkem běžné finanční prostředky150000,-150000,-