Integrované vzdelávanie v nanotechnológiách a nanovedách

KEGA Pro­jekt č. 026STU‑4/2015

Ciele projektu

Cie­ľom pro­jek­tu je mo­der­ni­zá­cie la­bo­ra­tó­ria na­no­tech­no­ló­gií so zá­me­rom vy­tvo­re­nia pra­co­vis­ka, kde štu­den­ti zís­ka­jú expe­ri­men­tál­ne a nu­me­ric­ké skú­se­nos­ti z na­no­tech­no­ló­gií, plaz­mó­no­vej fo­to­ni­ky, me­ta­ma­te­riá­lov, bio­mi­me­tic­kých ma­te­riá­lov a bio­n­sen­zo­rov. Pro­jekt pris­pô­so­bí vý­cho­vu štu­den­tov na FEI STU v in­teg­ro­va­nej for­me sú­čas­ným tren­dom ma­te­riá­lo­vej fy­zi­ky a má vy­ús­tiť do ino­vo­va­ných učeb­ných pred­me­tov v štu­dij­nom prog­ra­me Fy­zi­kál­ne in­ži­nier­stvo v 2. stup­ni štú­dia na FEI STU.

Nehmotné ciele

Po­skyt­nu­tie ve­do­mos­tí a skú­se­nos­tí pre štu­den­tov z vy­bra­ných ob­las­tí na­no­tech­no­ló­gií a na­no­vied na zá­kla­de vy­tvo­re­ných la­bo­ra­tór­nych úloh, kde štu­den­ti mô­žu bez­pro­stred­ne v pro­ce­se vlast­né­ho expe­ri­men­to­va­nia de­te­go­vať a sle­do­vať ja­vy mikrosveta.

Roz­ší­re­nie spek­tra ba­ka­lár­skych a dip­lo­mo­vých tém z ob­las­ti na­no­tech­no­ló­gií, fo­to­ni­ky, bio­sen­zo­rov, me­ta­ma­te­riá­lov a bio­ma­te­riá­lov pre štu­den­tov v štu­dij­nom prog­ra­me Fy­zi­kál­ne in­ži­nier­stvo, ale aj v prí­buz­ných prog­ra­moch na FEI STU (Elek­tro­ni­ka a fo­to­ni­ka, Te­le­ko­mu­ni­ká­cie, Elek­tro­ene­ge­ti­ka, Ap­li­ko­va­ná mechatronika)..

Mo­der­ni­zá­ci­ou la­bo­ra­tó­rií na­no­tech­no­ló­gií, bio­elek­tro­ni­ky a opti­ky do­siah­nuť pri­tia­hnu­tie zá­uj­mu štu­den­tov o fy­zi­kál­ne dis­cip­lí­ny na Fa­kul­te elek­tro­tech­ni­ky a in­for­ma­ti­ky STU a k zvý­še­niu vzde­la­nost­nej úrov­ne ab­sol­ven­tov a ich schop­nos­ti za­po­jiť sa do sú­čas­né­ho mo­der­né­ho ma­te­riá­lo­vé­ho výskumu.

Hmotné ciele

Mo­der­ni­zá­cia a roz­ší­re­nie in­teg­ro­va­né­ho funkč­né­ho expe­ri­men­tál­ne­ho a nu­me­ric­ké­ho la­bo­ra­tó­ra so spra­co­va­ný­mi učeb­ný­mi tex­ta­mi a štu­dij­ný­mi ma­te­riál­mi k la­bo­ra­tór­nym úlo­hám. Pre in­ži­nier­sky stu­peň štú­dia bu­dú pri­pra­ve­né učeb­né tex­ty pre pred­me­ty so za­me­ra­ním na na­no­tech­no­ló­gie, fo­to­ni­ku, mo­le­ku­lár­nu elek­tro­ni­ku a bioelektroniku.

Opis projektu

Súčasný stav problematiky

Tech­no­ló­gie vždy mu­sia byť po­sta­ve­né na ap­li­ká­cii ve­dec­kých po­znat­kov do eko­no­mic­kej pro­duk­cii to­va­rov a slu­žieb. Vý­znam na­no­ma­te­riá­lov a na­no­tech­no­ló­gií prud­ko na­ras­tá vzhľa­dom k ši­ro­ké­mu ap­li­kač­né­mu po­ten­ciá­lu a po­u­ži­tia v rôz­nych prie­mys­lo­vých od­vet­viach, kon­zum­ných pro­duk­toch a zdra­vot­nej sta­rost­li­vos­ti. V sú­čas­nej do­be do­chá­dza k ex­ten­zív­ne­mu prie­ni­ku na­no­tech­no­ló­gií do nie­koľ­kých roz­ho­du­jú­cich prie­mys­lo­vých od­vet­ví: ka­ta­ly­zá­to­ry z na­noš­truk­tu­ro­va­ných ma­te­riá­lov, che­mic­ký prie­my­sel a po­lo­vo­di­čo­vé štruk­tú­ry s roz­mer­mi pod 100 nm. Ide te­da o in­ter­dis­cip­li­nár­nu prob­le­ma­ti­ku, kto­rá v se­be za­hŕňa po­znat­ky a tech­no­lo­gic­ké po­stu­py z fy­zi­ky, ché­mie, bio­ló­gie a tiež tech­nic­kých vied.

Ma­te­riá­lo­vý vý­skum je v po­sled­ných dvoch de­sať­ro­čiach vý­raz­ne ovplyv­ne­ný roz­vo­jom fo­to­ni­ky. Po fo­to­nic­kých kryš­tá­loch [1] bo­li na­vr­hnu­té a skon­štru­ova­né no­vé ma­te­riá­ly s uni­kát­nou odoz­vou na elek­tro­mag­ne­tic­ké žia­re­nie, od mik­ro­vln­né­ho žia­re­nia až po vi­di­teľ­né svet­lo. Opti­mis­tic­ky mož­no pred­po­kla­dať, že sys­te­ma­tic­ký vý­skum tých­to me­ta­ma­te­riá­lov [2,3] umož­ní „kon­štru­ovať“ pro­stre­dia s po­ža­do­va­ný­mi elek­tro­mag­ne­tic­ký­mi vlast­nos­ťa­mi: ab­sor­pci­ou, od­ra­zi­vos­ťou a pod. Prí­kla­dom sú štruk­tú­ry so zá­por­ným in­de­xom lo­mu (left-han­ded ma­te­rials [4]) ale­bo ma­te­riá­ly s pries­to­ro­vo pre­men­li­vým in­de­xom lo­mu [5].

Sta­veb­nou štruk­túr­nou jed­not­kou me­ta­ma­te­riá­lov sú ko­vo­vé na­no­čas­ti­ce ale­bo ten­ké ko­vo­vé vrstvy. Vzhľa­dom na ma­lý roz­mer na­no­čas­tíc je odoz­va ovplyv­ne­ná nie­len jej zlo­že­ním, ale aj jej veľ­kos­ťou a tva­rom. Nie je te­da od­vo­di­teľ­ná z vlast­nos­tí ne­ko­neč­ne veľ­ké­ho sys­té­mu. Pre elek­tro­mag­ne­tic­kú odoz­vu ma­lých na­no­čas­tíc sú pod­stat­né  lo­ka­li­zo­va­né plaz­mó­no­vé exci­tá­cie. Pre odoz­vu   me­ta­ma­te­riá­lov sú roz­ho­du­jú­ce  pod­mien­ky vzni­ku ta­kých­to exci­tá­cií, ako aj vzá­jom­nej in­te­rak­cii lo­ka­li­zo­va­ných plaz­mó­nov, exci­to­va­ných v su­sed­ných na­no­čas­ti­ciach a v zlo­ži­tej­ších štruk­tú­rach, zo­sta­ve­ných z na­no­čas­tíc. Vý­skum  plaz­mó­no­vých exci­tá­cií v na­no­čas­ti­ciach  je zau­jí­ma­vý aj sám ose­be. Vzhľa­dom na vy­so­kú  kon­cen­trá­ci­ou ener­gie elek­tro­mag­ne­tic­ké­ho  po­ľa v ma­lom  pries­to­re (lo­ka­li­zo­va­né plaz­mó­ny v na­no­čas­ti­ciach) ale­bo na po­vr­chu ko­vu (po­vr­cho­vé plaz­mó­ny), sú plaz­mó­no­vé exci­tá­cie vhod­ným ob­jek­tom pre sen­zo­ry a tech­no­lo­gic­ké aplikácie.

Ďal­šou sku­pi­nou ma­te­riá­lov so zau­jí­ma­vý­mi optic­ký­mi vlast­nos­ťa­mi sú or­ga­nic­ké po­lo­vo­di­če, po­ly­mé­ry s kon­ju­go­va­ným re­ťaz­com, kto­rých ener­ge­tic­ká me­dze­ra zod­po­ve­dá ener­gii sve­tel­ných fo­tó­nov. Stá­le ras­tú mož­nos­ti ich uplat­ne­nia v ob­las­ti sve­tel­ných zdro­jov v LED štruk­tú­rach [6], tiež v so­lár­nych člán­koch pre kon­ver­ziu sl­neč­nej ener­gie na elek­tric­kú [7], ako aj pri kon­štruk­cií no­vých bio­sen­zo­ro­vých ro­z­hra­ní [8].

Vý­skum­ná ak­ti­vi­ta na Od­de­le­ní fy­zi­ky Ústa­vu jad­ro­vé­ho a fy­zi­kál­ne­ho in­ži­nier­stva FEI STU bo­la dl­ho­do­bo za­me­ra­ná na štú­dium vlast­nos­tí tu­hých lá­tok: po­lo­vo­di­čov, amorf­ných ko­vov a v po­sled­nom ob­do­bí aj or­ga­nic­kých mo­le­ku­lár­nych štruk­túr a na­noš­truk­tu­ro­va­ných ma­te­riá­lov pre ap­li­ká­cie v elek­tro­ni­ke a sen­zo­ri­ke. Roz­vi­nu­li sa expe­ri­men­tál­ne me­tó­dy pre skú­ma­nie me­cha­nic­kých, te­pel­ných, elek­tric­kých a optic­kých vlast­nos­tí tých­to ma­te­riá­lov.  Ve­dec­ké ko­lek­tí­vy ÚJFI sa sta­li aj sú­čas­ťou cen­tier exce­len­tnos­ti a kom­pe­tenč­ných cen­tier (Ná­rod­né cen­trum pre vý­skum a vy­uži­tie ob­no­vi­teľ­ných zdro­jov ener­gie a Kom­pe­tenč­né cen­trum pre no­vé ma­te­riá­ly, po­kro­či­lé tech­no­ló­gie a ener­ge­ti­ku). Vý­raz­ným spô­so­bom bo­lo pre­bu­do­va­né a kom­ple­ti­zo­va­né la­bo­ra­tó­rium optic­ké a la­bo­ra­tó­rium bioelektroniky.

Tie­to sku­toč­nos­ti sa pre­mie­ta­li aj do štruk­tú­ry vý­uč­by. V ro­ku 1960 za­ča­la na FEI vý­cho­va špe­cia­lis­tov v ob­las­ti fy­zi­ky tu­hých lá­tok, ne­skôr od r. 1992 to bol štu­dij­ný od­bor Elek­tro­ma­te­riá­lo­vé in­ži­nier­stvo, resp. v os­tat­nom ob­do­bí od r. 2003 ak­re­di­to­va­ný prog­ram Fy­zi­kál­ne in­ži­nier­stvo ako 2. a 3. stu­peň vy­so­koš­kol­ské­ho vzde­lá­va­nia. Do štu­dij­né­ho prog­ra­mu bo­li za­čle­ne­né no­vé pred­me­ty, kto­ré za­ča­li štu­den­tov pri­pra­vo­vať v no­vých ob­las­tiach ma­te­riá­lo­vé­ho vý­sku­mu, ako na­pr. Na­no­tech­no­ló­gie, Fo­to­ni­ka a me­ta­ma­te­riá­ly, Bioelektronika.

V sú­čas­nos­ti v os­no­ve pred­me­tu Na­no­tech­no­ló­gie je za­kom­po­no­va­né po­skyt­nu­tie te­ore­tic­kých ve­do­mos­tí z fy­zi­kál­nych pro­ce­sov na ato­már­nej a mo­le­ku­lár­nej úrov­ni, obo­zná­me­nie s tech­no­ló­gia­mi príp­ra­vy mo­le­ku­lár­nych štruk­túr s na­no­met­ro­vou pres­nos­ťou a ich skla­da­ním do funkč­ných elek­tro­nic­kých a optic­kých sys­té­mov. Ďa­lej ide o pria­mu in­for­má­ciu o vý­skum­ných ak­ti­vi­tách v ob­las­ti na­no­vied a na­no­tech­no­ló­gií, kto­ré sa roz­ví­ja­jú na vy­bra­ných pra­co­vis­kách v Bra­ti­sla­ve, s de­mon­štrá­ci­ou me­tód a tech­no­ló­gií v ta­moj­ších laboratóriách.

V rám­ci pre­bie­ha­jú­cej príp­ra­vy vše­obec­nej ak­re­di­tá­cie uni­ver­zi­ty pri­pra­vu­je­me ob­sa­ho­vú ino­vá­ciu uvá­dza­ných pred­me­tov, kto­rá by štu­den­tom umož­ni­la bez­pro­stred­ne sa zo­zná­miť s vy­bra­ný­mi jav­mi odo­hrá­va­jú­ci­mi sa v na­nos­ve­te a efek­tív­nej­šie si osvo­jiť na­do­bud­nu­té poznatky.

Literatúra

1. J. Jo­an­no­pou­los, S. G. John­son, J. N. Winn, R.D. Me­a­de: Pho­to­nic Crys­tals. Mol­ding the Flow of Light. Prin­ce­ton Univ. Press.

2. N. En­ghe­ta, R. W. Zi­ol­ko­ws­ki (edi­to­ri): Me­ta­ma­te­rials: Phy­sics and Engineering

Ex­plo­ra­ti­ons. J. Wil­ley and Sons 2006

3. A. K. Sa­ry­chev, V. M. Sha­la­ev: Elect­ro­dy­na­mics of Me­ta­ma­te­rials. World Scien­ti­fic 2007

4. D. R. Smith et al. Com­po­si­te me­dium with si­mul­ta­ne­ous­ly ne­ga­ti­ve per­me­a­bi­li­ty and per­mit­ti­vi­ty. Phys. Rev. Lett. 84 4184 (2000)

5. D. Schu­rig et al.: Me­ta­ma­te­rial Elect­ro­mag­ne­tic Clo­ak at Mic­ro­wa­ve Fre­qu­en­cies. Scien­ce 314 977 (2006)

6. A. Do­da­ba­la­pur: Or­ga­nic Light Emit­ting Di­odes. So­lid Sta­te Comm­nu­ca­ti­ons 102 259 (1997)

7. S. Günes, H. Ne­uge­bau­er, N. S. Sa­ri­cift­ci, Con­ju­ga­ted Po­ly­mer-Ba­sed Or­ga­nic So­lar Cells. Chem. Rev. 107 1324 (2007)

8. M. Ge­rard, A. Chau­bey, B. D. Mal­hot­ra: App­li­ca­ti­on of Con­duc­ting Po­ly­mers to Bio­sen­sors. Bio­sen­sors and Bio­elect­ro­nics 17 345 (2002)