Schválené projekty 2014

Rozdělení přidělené dotace z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum po fakultách se zohledněním celoškolských pracovišť na rok 2014

Celková přidělená částka z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum na VŠB-TUO - 50 638 tis.Kč

Z toho 2.5%  - 1 265 950 Kč - úhrada způsobilých nákladů spojených s organizací SGS

fakultapřidělená částka v tis. Kč
FBI  1 186
EKF  5 453
FAST  3 351
FS 11 385
FEI 12 892
HGF  5 937
FMMI  7 377
CNT  1 791
CELKEM 49 372

 

KódSP2014/37
Název projektuNové funkční nanokompozity typu polyanilin/fylosilikát
ŘešitelTokarský Jonáš doc. Ing., Ph.D.
Školitel projektu
Období řešení projektu01.01.2014 - 31.12.2014
Předmět výzkumuPředmět výzkumu
_________________________________________

Třída tzv. vodivých polymerů, objevená v roce 1977, zahrnuje mnoho různých polymerů, jako např. polyacetylen, polyanilin, polypyrrol, polythiofen atd. Polyanilin (PANI) je nejznámějším a nejintenzivněji studovaným vodivým polymerem zejména pro (a) snadnou přípravu z běžně dostupných chemikálií, (b) jednoduchý způsob ovlivňování vodivosti skrze protonaci, (c) dobrou stabilitu, (d) zajímavé redukčně-oxidační chování a (e) nelineární optické vlastnosti.
Fylosilikáty (vrstevnaté silikáty) jsou přírodní materiály, hojně rozšířené po celé Zemi. Jejich přednostmi jsou snadná dostupnost, nízká cena a nezávadnost vůči životnímu prostředí. Prostor mezi jednotlivými vrstvami fylosilikátu (mezivrstevný prostor) je přirozeným nanoreaktorem, ve kterém lze, vlivem náboje těchto vrstev, dosáhnout u interkalovaných látek vlastností, nedosažitelných v čistém stavu.
Kompozity typu PANI/fylosilikát vykazují lepší mechanické vlastnosti, vyšší tepelnou odolnost a rovněž zvýšenou elektrickou vodivost v porovnání s čistým PANI, což je dáno odlišným nanostrukturním uspořádáním čistého PANI a PANI v přítomnosti fylosilikátu.
Všichni řešitelé předkládaného projektu se v období 2011-2013 aktivně podíleli na řešení projektu GAČR P108/11/1057, zaměřeného na studium nanokompozitů typu PANI/fylosilikát. Některé z materiálů, vytvořených v rámci projektu GAČR, vykazují natolik slibné vlastnosti, že stojí za to zabývat se jimi rovněž z pohledu možných praktických aplikací. Předkládaný projekt SGS proto svým tématem přímo navazuje na práce v rámci projektu GAČR.
Předmětem výzkumu v rámci předkládaného SGS projektu bude optimalizace technologie přípravy nanokompozitních vrstev typu PANI/fylosilikát na různých nekrystalických substrátech (sklo, netkaná nanotextilie, polyolefiny). Optimalizace bude realizována studiem různých podmínek přípravy a jejich vlivu na konečné vlastnosti připravených nanokompozitních vrstev. Práškové nanokompozity, lisované do tablet, budou naproti tomu studovány s cílem vytvořit funkční jednotku pro senzorická měření.
K charakterizaci těchto materiálů lze úspěšně použít metody dostupné na Centru nanotechnologií.
Měření elektrické vodivosti je základní metodou charakterizace nanokompozitních vrstev typu PANI/fylosilikát a práškových nanokompozitů.
Mikroskopie atomárních sil (AFM) umožňuje studium morfologie vrstev a jejich tlouštěk, což jsou strukturní parametry přímo ovlivňující elektrickou vodivost. Dále je pomocí AFM možno studovat elektrickou vodivost i v mikroměřítku, a odhalit tak případné nehomogenity v elektrické vodivosti zjištěné základním („makroskopickým“) měřením vodivosti.
Rentgenová fluorescence slouží ke stanovení chemického složení použitých fylosilikátů a tím k určení povrchového náboje fylosilikátových vrstev. Nanostruktura a elektrická vodivost je v případě nanokompozitů výrazně ovlivňována povrchovým nábojem fylosilikátu, neboť kladně nabité PANI řetězce jsou imobilizovány na jeho povrchu skrze Coulombické interakce se záporně nabitými vrstvami.
Molekulární modelování s využitím empirických silových polí je schopno doplnit a rozšířit experimentálně zjištěná data zejména o studium interakcí mezi PANI a substrátem na atomární úrovni.


Pro potvrzení kvalifikace řešitelů předkládaného projektu jsou připojeny jejich publikace, týkajicí se problematiky, za rok 2013:

1) J. Tokarský, K. Mamulová Kutláková, L. Neuwirthová, L. Kulhánková, V. Stýskala, V. Matějka, P. Čapková: Texture and electrical conductivity of pellets pressed from PANI and PANI/montmorillonite intercalate. Acta Geodynamica et Geomaterialia 10 (2013) 371-377.

2) L. Kulhánková, J. Tokarský, L. Ivánek, V. Mach, P. Peikertová, V. Matějka, K. Mamulová Kutláková, P. Čapková: Enhanced electrical conductivity of polyaniline films by postsynthetic DC high-voltage electrical field treatment. Synthetic Metals 179 (2013) 116-121.

3) J. Tokarský, V. Stýskala, L. Kulhánková, K. Mamulová Kutláková, L. Neuwirthová, V. Matějka, P. Čapková: High electrical anisotropy in hydrochloric acid doped polyaniline/phyllosilicate nanocomposites; Effect of phyllosilicate matrix, synthesis pathway and pressure. Applied Clay Science 80-81 (2013) 126-132.

4) J. Tokarský, L. Kulhánková, K. Mamulová Kutláková, P. Peikertová, J. Svatuška, V. Stýskala, V. Matějka, V. Vašinek, P. Čapková: Monitoring conductivity and optical homogeneity during the growth of PANI thin films. Thin Solid Films 537 (2013) 58-64.

5) J. Tokarský L. Kulhánková, P. Peikertová, K. Mamulová Kutláková, V. Matějka, V. Stýskala, J. Svatuška, P. Čapková: Enhancing the conductivity of PANI thin films by addition of clay. NANOCON 2013. Brno, Czech republic. Full paper in Conference Proceedings. In press.

6) P. Peikertová, L. Kulhánková, L. Ivánek, V. Mach, J. Tokarský, V. Matějka, K. Mamulová Kutláková, P. Čapková: Study of PANI thin film polymerization in dependence on electrical field. NANOCON 2013. Brno, Czech republic. Full paper in Conference Proceedings. In press.

7) L. Kulhánková, J. Tokarský, L. Neuwirthová, V. Stýskala, P. Čapková: 2-D conductivity and anisotropic structure of pellets pressed from PANI/phyllosilicate nanocomposites. NANOCON 2013. Brno, Czech republic. Full paper in Conference Proceedings. In press.



Postup řešení
_________________________________________

Optimalizace postupu přípravy nanokompozitních vrstev na různých substrátech bude rozdělena na tři dílčí kroky.
V prvním kroku budou pomocí RTG fluorescenční spektrometrie ocharakterizovány jednotlivé fylosilikátové matrice.
V druhém kroku budou realizovány přípravy vzorků s následujícími proměnnými parametry: (1) velikost částic silikátu, (2) počáteční teplota polymerace, a (3) doba depozice vrstvy na substrát.
Ve třetím kroku budou provedeny charakterizační analýzy výsledných vzorků, přičemž hlavní důraz bude kladen na elektrickou vodivost a faktory tuto vodivost ovlivňující.

Metodika optimalizovaného postupu přípravy nanokompozitních vrstev
Na základě výsledků optimalizace bude sepsána interní Metodika zaručující do budoucna lepší reprodukovatelnost měření elektrické vodivosti.

Optimalizace metody studia morfologie pomocí AFM bude spočívat v testování (1) různých operačních módů AFM mikroskopu a (2) různých typů komerčně dostupných AFM hrotů.

Optimalizace metody měření elektrické vodivosti pomocí AFM bude mít za cíl stanovit (1) vhodný typ komerčně dostupných AFM hrotů, (2) vhodné vzájemné postavení hrotů, (3) vhodnou velikost elektrického napětí.

Studium práškových vzorků lisovaných do tablet bude spočívat v měření elektrické vodivosti v závislosti na (1) typu práškového nanokompozitu a (2) na lisovacím tlaku (tzn. nepřímo na velikosti navážky a tloušťce tablety). Dále bude studována homogenita tablet (tzn. rozložení PANI a fylosilikátu v tabletě) pomocí hmotnostních úbytků ve fragmentech tablety během kalcinace.

Vývoj funkční jednotky pro senzorická měření bude rozdělen na tyto kroky:
(1) měření vodivosti tablet v závislosti na tlaku, aplikovaném v průběhu měření,
(2) hodnocení stability této závislosti při opakovaném zatěžování a odtěžování,
(3) hodnocení stability této závislosti pro daný počet zatěžovacích/odtěžovacích cyklů.


Rozdělení práce a úkolů mezi členy řešitelského týmu
______________________________________________________________
Ing. Jonáš Tokarský, Ph.D. – hlavní řešitel – molekulární modelování nanokompozitů na bázi vrstevnatých silikátů, interkalovaných a povrchově modifikovaných polyanilinovými řetězci, příprava VaV výstupů

Ing. Lucie Neuwirthová, Ph.D. – konzultantka diplomové práce Bc. Tomáše Plačka – příprava a charakterizace práškových nanokompozitů a jejich matric (lisování vzorků, RTG fluorescenční spektrometrie), příprava VaV výstupů

Ing. Lenka Kulhánková, Ph.D. - vedoucí diplomové práce Bc. Pavly Mlynářové – optimalizace postupu přípravy nanokompozitních vrstev s využitím různých matric a komponent, příprava VaV výstupů

Bc. Petra Vilímová – charakterizace nanokompozitních vrstev mikroskopií atomárních sil (AFM), spolupráce na přípravě VaV výstupů

Bc. Pavla Mlynářová - příprava a charakterizace nanokompozitních vrstev a jejich komponent (podíl na optimalizaci postupu přípravy, měření elektrické vodivosti), spolupráce na přípravě VaV výstupů

Bc. Tomáš Plaček – úprava práškových nanokompozitů lisováním, optimalizace postupu měření elektrické vodivosti a studium potenciálních praktických aplikací, spolupráce na přípravě VaV výstupů

Členové řešitelského týmudoc. Ing. Lenka Kulhánková, Ph.D.
Bc. Pavla Mlynářová
Ing. Lucie Chlebíková, Ph.D.
Ing. Tomáš Plaček
doc. Ing. Jonáš Tokarský, Ph.D.
doc. Ing. Jonáš Tokarský, Ph.D.
Ing. Petra Vilímová
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu)Výstupy výzkumu:


1) metodika optimalizovaného postupu přípravy nanokompozitních vrstev na různých substrátech

2) optimalizovaná metoda charakterizace morfologie a vodivosti vzorků pomocí AFM

3) funkční jednotka na bázi nanokompozitu polyanilin/fylosilikát pro senzorická měření


VaV výstupy:

1) článek v mezinárodním periodiku s IF

2) aktivní účast na mezinárodní konferenci NANOCON 2014 + minimálně dva plné příspěvky ve sborníku konference

3) vypracování diplomové práce Bc. Petry Vilímové

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. Stipendia60000,-60000,-
3. Materiálové náklady7000,-11260,-
4. Drobný hmotný a nehmotný majetek23000,-26020,-
5. Služby22000,-25266,-
6. Cestovní náhrady14000,-3454,-
7. Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory14000,-14000,-
8. Konference pořádané VŠB-TUO k prezentaci výsledků studentského grantu (max. do výše 10% poskytnuté podpory)0,-0,-
9. Pořízení investic0,-0,-
Plánované náklady140000,-
Uznané náklady140000,-
Celkem běžné finanční prostředky140000,-140000,-