Témata bakalářských prací na akademický rok 2019/2020 SP
Oddělení fyziky vrstev a povrchů
Oddělení spektroskopie polymerů
- Uvolňování „léčivé“ látky z DN hydrogelů při změně teploty
- Spektroskopické studium kolapsu v hydrogelech
- Teplotně citlivé funkční molekuly
- Srovnání modelů tvorby polymerních sítí
- Metoda konečných prvků – modelování vztahu napětí a deformace v bobtnajících gelech s omezeními
V případě zájmu je možné po dohodě se zájemcem vypsat i témata další.
Více informací je možné nalézt na stránkách KMF: http://kmf.troja.mff.cuni.cz/
Uvolňování „léčivé“ látky z DN hydrogelů při změně teploty
Hydrogely jsou měkké polymerní materiály obsahující značné množství vody. Některé z nich mohou s malou změnou teploty opakovaně změnit svůj objem až o 2 řády. Jejich změna objemu je největší známá pro známé pevné materiály. Tento fázový přechod (kolaps) je makroskopický projev konformační změny polymerních řetězců, kdy původně volně pohyblivé řetězce se nad kritickou teplotou sbalí do kompaktních globulí a molekuly rozpuštědla (vody či přenášené látky) jsou z těchto zkolabovaných struktur vyloučeny. Schopnost hydrogelů reagovat na vnější podněty je zajímavá z aplikačního hlediska, např. při řízeném doručování léčiv. Jelikož klasické hydrogely jsou velmi měkké a křehké, je zajímavé studovat dvojité sítě (DN gely), které mají lepší mechanické vlastnosti.
Práce se bude zabývat studiem uvolňování kontrolní látky z hydrogelu při změně teploty a bude prováděna především pomocí optické spektroskopie. V rámci práce je možné si studovaný gel vyrobit.
Práce má experimentální charakter.
Vedoucí práce: RNDr. Julie Šťastná, Ph.D., e-mail: julie.stastna@mff.cuni.cz
Spektroskopické studium kolapsu v hydrogelech
Teplotně citlivé hydrogely jsou zajímavé pro své uplatnění v biotechnologii a lékařství. Mohou být využity pro řízené uvolňování léčiv, sloužit jako biokatalyzátory, opravovat poškozené chrupavky a uplatňují se i v optice (kontaktní čočky). Při změně teploty dochází ke skokové změně objemu a rozpouštědlo (voda) je vypuzeno ze struktury hydrogelu, tuto změnu nazýváme fázovým přechodem, kolapsem. Při kolapsu dochází nejen ke změně objemu, ale tento jev ovlivňuje i jiné fyzikální vlastnosti hydrogelu.
Práce se bude věnovat mikroskopické studii kolapsu pomocí spektroskopie nukleární magnetické rezonance (NMR). Při kolapsu dochází ke změně pohyblivosti polymerních jednotek a tyto změny se odrazí ve tvaru protonového 1H spektra. Z teplotních závislostí těchto spekter je pak možné určit podíl zkolabovaných polymerních jednotek. Fázový přechod ovlivňuje také dynamiku molekul vody. Při nízkých teplotách voda interaguje s polymerem pomocí vodíkových můstků. Tyto jsou s rostoucí teplotou narušeny a při teplotách nad fázovým přechodem je voda z hydrogelu buď uvolněna nebo zůstává vázána ve zkolabovaných strukturách. V systému tak existují dva druhy vodních molekul - volně pohyblivá voda a vázaná voda vyznačující se velmi omezenou pohyblivostí. Oba typy je možné detekovat v NMR spektru a charakterizovat je pomocí relaxačních dob a difúzních koeficientů.
Práce má experimentální charakter.
Vedoucí práce: Doc. RNDr. Lenka Hanyková, Dr., e-mail: lenka.hanykova@mff.cuni.cz
Teplotně citlivé funkční molekuly
Porfyriny a jejich deriváty hrají důležitou roli v mnoha fotobiologických procesech stejně jako v katalýze různých reakcí. Nová skupina porfyrinů vykazuje fázovou separaci podobně jako teplotně citlivé polymery – při pokojové teplotě jsou tyto porfyriny rozpustné, zahřátím nad určitou kritickou teplotu (dolní kritická rozpouštěcí teplota, lower critical solution temperature, LCST) vede k fázové separaci. Tento jev je důsledkem přechodu klubko-globule a je studován převážně v polymerních systémech, např. ve vodných roztocích poly(N-isopropylakrylamidu, PNIPAm). Rozšíření jevu fázové separace z polymerních systémů do oblasti nepolymerních supramolekul povede k rozvoji „chytrých“ materiálů pro senzory, detektory, separaci a zobrazování ve vodném prostředí. V rámci bakalářské práce budou studovány ve vodě rozpustné porfyriny substitované řetězci PNIPAmu pomocí spektroskopických metod. 
Práce má experimentální charakter.
Vedoucí práce: Doc. RNDr. Lenka Hanyková, Dr., e-mail: lenka.hanykova@mff.cuni.cz
Srovnání modelů tvorby polymerních sítí
Struktura polymerních sítí má rozhodující vliv na jejich fyzikální a chemické vlastnosti, jež určují rovněž oblasti jejich možných aplikací. Kvantitativní popis formování struktury polymerních sítí je proto důležitý pro interpretaci a předpovídání vlastností sesíťovaných soustav. Jedna z metod přistupuje k vývoji struktury jako k procesu řízenému chemickou kinetikou. Odpovídající soustavu diferenciálních rovnic lze řešit numerickými metodami nebo Monte Carlo simulacemi. Pomocí chemické kinetiky však nelze získat strukturní informace o nekonečné molekule (molekule prostupující celým vzorkem) – gelu, která je klíčová pro mechanické a jiné vlastnosti. Výpočet strukturních parametrů gelu je možný jen v kombinaci se statistickými metodami (teorie větvících procesů), avšak statistické metody jsou pouze aproximací kinetických metod. Kvalitu této aproximace lze ovlivnit vzdáleností, do které respektujeme stochastické korelace.
Cílem práce je obeznámit se s oběma metodami, i s programy vytvořenými na pracovišti v prostředí MATLAB a MATHEMATICA, a přispět k jejich rozšíření anebo zobecnění a aplikovat je na jednoduché systémy a zkoumat závislosti vybraných strukturních parametrů na složení systému, reakčních mechanizmech a stupni reakce. V podmínkách, kdy lze vypočítat strukturní parametry jak samotnou kinetickou metodou, tak i kombinací obou metod, zkoumat rozdíly, tj. kvalitu aproximace kombinace.
Práce má teoretický charakter.
Vedoucí práce: Ján Šomvársky, CSc., e-mail: somvarsky@kmf.troja.mff.cuni.cz
Metoda konečných prvků – modelování vztahu napětí a deformace v bobtnajících gelech s omezeními
Metoda konečných prvků (MKP) je numerická metoda na přibližné řešení parciálních diferenciálních rovnic (PDR) s okrajovými podmínkami. Využívá variační metody. Její princip spočívá v diskretizaci spojitého prostředí do určitého konečného počtu prvků. PDR vznikají při matematickém modelování mnoha fyzikálních, chemických, biologických jevů, např. v materiálových vědách, fluidní dynamice, elektromagnetizmu, astrofyzice, ekonomice, finančním modelování, apod. Student se tedy obeznámí s mocným nástrojem, MKP. Aplikovat jej bude na simulaci rozložení napětí a deformací velmi žádané a zajímavé třídy materiálů: částicových kompozitů nebo core-shell částic, kde jádro a slupka jsou z různých polymerních materiálů.
Částicové kompozity jsou materiály tvořené sesíťovanou polymerní matricí, která obsahuje částice obvykle anorganického tuhého materiálu - plniva. Částicové kompozity jsou důležitou třídou materiálů. Používají se jako konstrukční materiály, inženýrské materiály s unikátními vlastnostmi, těsnění, ochranné nátěry, zubní materiály nebo plněné hydrogely hlavně v medicíně. Mechanické vlastnosti kompozitního materiálu závisí na stavu matrice (kaučukovitý nebo skelný), na struktuře polymeru, množství plniva, rozložení a tvaru částic, kvalita adheze, vlastnosti mezivrstvy.
Práce má teoretický charakter.
Vedoucí práce: Ján Šomvársky, CSc., e-mail: somvarsky@kmf.troja.mff.cuni.cz