UACH > KARIÉRA A STUDIUM > Tematické okruhy pro disertační práce

Tematické okruhy pro disertační práce

VIDEOPŘEHLED TÉMAT 2024/2025

 

Luminescent metal clusters for biological applications

Školitel: Kaplan Kirakci, Ph.D.

Konzultant: Ing. Kamil Lang, CSc. DSc.

Molybdenum clusters of nanometer dimensions are aggregates of six Mo atoms with ligands. The work includes their synthesis, study of stability, luminescence and biological effects. Upon activation by visible light, the clusters produce singlet oxygen, which is a highly reactive and cytotoxic species. We recently found that clusters can also be excited by X-rays. We have already obtained promising results in the field of X-ray-induced photodynamic therapy. Thus, Mo clusters represent effective compounds for the development of drugs for increasing the effectiveness of cancer radiotherapy, for photodynamic therapy or photoinactivation of bacteria.

.

Syntéza a aplikace aktivního boránu jako perspektivního porézního polymeru

Školitel: RNDr. Jan Demel, Ph.D.

Konzultant: RNDr. Karel Škoch, Ph.D.

Aktivní borán je novým typem porézního polymeru, který byl vyvinut na Ústavu anorganické chemie v Řeži. Aktivní borán vzniká termální syntézou boránových klastrů s organickými molekulami při vysoké teplotě. Analýza ukazuje, že je pravděpodobně složen z boránových klastrů pospojovaných pomocí organických můstků. Prvotní studie ukazují, že tento typ materiálu má nejen vysokou sorpční kapacitu pro testované emergentní polutanty, ale take je to účinný katalyzátor reakcí katalyzovaných Lewisovskými kyselinami.
Cílem disertační práce bude příprava nových porézních struktur, jejich detailní charakterizace a použití především jako katalyzátory pro kysele katalyzované reakce. V rámci disertace se student naučí systematické práci v laboratoři, vyhodnocování dat z celé řady charakterizačních metod (práškový XRD, sorpce N2, infračervená spektroskopie, NMR, atd.) a studium použití připravených porézních struktur pro konkrétní aplikace. Práce bude probíhat na ÚACH AV ČR v Řeži.

.

Tenké vrstvy multiferoických hexagonálních feritů vykazujících magnetoelektrické vlastnosti

Školitel: Ing. Josef Buršík, CSc.

Tématem disertační práce je studium tenkých vrstev multiferoických hexagonálních feritů s magnetoelektrickým (ME) jevem připravovaných metodami “měkké” chemie ve formě tenkých vrstev metodami depozice z kapalné fáze (CSD). Vybrané hexaferity strukturního typu U, Y a Z, vykazující magnetoelektrické vlastnosti, patří do skupiny intenzivně studovaných multiferoik (https://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev-conmatphys-020911-125101). Výzkum bude zaměřen na vývoj a optimalizaci CSD syntetických postupů a studium reálné (mikro)struktury (x-ray a neutronová difrakce, elektronová mikroskopie) a jejího vztahu k funkčním (ME) vlastnostem materiálu. Fyzikální část práce zahrnuje stadium elektrických, dielektrických, magnetických a magnetoelektrických vlastností (ve spolupráci jak s domácími, tak i zahraničními fyzikálními laboratořemi).

.

Nové typy substitucí na atomech boru a uhlíku na karboranech a metallakarboranech s ohledem na přípravu netradičních léčiv

Školitel: RNDr. Bohumír Grüner, CSc.

Téma se týká vývoje syntetických metod pro připravu nových klastrových strukturních bloků, které budou využitelné v návrhu netradičních léčiv a také stereochemie substitucí na klastrových molekulách.

.

Syntéza chirálních karboranů a metallakarboranů, studium jejich separace a interakcí s organickými systémy

Školitel: RNDr. Bohumír Grüner, CSc.

Chemie chirálních klastrových sloučeniny boru patří dosud k velmi málo prostudovaným oblastem, ačkoliv jejich axiální či helikální chiralita je podobná jako u některých typů organických látek (BINOL) či ansa-substituted metallocenů. Téma se týká připravy opticky aktivních klastrových sloučenin, separace ennantiomerů a využití látek v medicíně.

.

2D a vrstevnaté materiály a modifikace iontovými kapalinami

Školitel: Ing. Petra Ecorchard, Ph.D.

Konzultant: Ing. Darina Smržová, Ph.D.

2D a vrstevnaté materiály (např. podvojné vrstevnaté hydroxidy nebo alkoxidy) budou připravovány jako samonosné katalyzátory. Tento typ materiálu bude modifikován iontovými kapalinami (např. imidazoliového typu), obsahující kov. Tyto iontové kapaliny budou mobilizovány na povrchu 2D nebo vrstevnatých materiálů a celé systémy budou studovány pro heterogenní katalýzu, především pro polymerizaci s otevřením kruhu.

.

Oxidy titanu a titanáty pro pokročilé aplikace

Školitel: Ing. Jan Šubrt, CSc.

Konzultant: Mgr. Monika Motlochová, Ph.D.

Li-ion baterie jsou jedním z nejslibnějších elektrochemických zdrojů energie. Materiály na bázi Ti, jako Li4Ti5O12, Li2Ti3O7, TiO2-B a H2Ti3O7, jsou považovány za důležité anody pro lithium-iontové baterie kvůli jejich vysoké bezpečnosti a vynikající cyklické stabilitě. Li-iontová baterie (LIB) (obvykle využívající uhlíkové materiály jako anodu) čelí výzvám, pokud jde o převzetí hybridních elektrických vozidel a stacionárních zdrojů energie. Sloučeniny na bázi Ti, zejména Li4Ti5O12, byly prokázány jako nejslibnější anodové materiály, protože vykazují vynikající cyklickou reverzibilitu a vysoké provozní napětí pro zajištění zvýšené bezpečnosti. Rychlost těchto materiálů na bázi Ti je však relativně nízká kvůli velké polarizaci při vysokých rychlostech nabíjení a vybíjení. Ke zvýšení elektrické vodivosti byly použity dopování, povrchové modifikace a iontová difuzivita vytvořením různých nanomateriálů. Bude použit nový způsob přípravy založený na extrakci síranových iontů z krystalů titanylsulfátu a jejich nahrazení hydroxylovými skupinami ve vodném alkalickém roztoku. Metoda vede k nanostrukturované kyselině metatitaničité nebo alkalickým titanátům.

.

Příprava a studium vlastností boranyliových solí jako molekulárních senzorů a katalyzátorů

Školitel: RNDr. Karel Škoch, Ph.D.

Konzultant: RNDr. Jan Demel, Ph.D.

Katalýza komplexy přechodných kovů představuje osvědčený a způsob k efektivnějšímu provádění chemických reakcí. Přestože bylo v tomto ohledu dosaženo skvělých výsledků, využití přechodných kovů představuje i určité nevýhody (vysoká cena, toxicita, strategická či environmentální rizika), které vedou ke snaze hledat nové a alternativní přístupy ke katalýze. Jednou z možností je využít reaktivity prvků hlavní skupiny.
Jako boranyliové sole se označují sloučeniny trojmocného boru, které díky kladnému náboji lokalizovanému na atomu boru představují výjimečně silné Lewisovské kyseliny. Výhodou je však jejich relativní dostupnost a často odlišná (a tedy atraktivní) reaktivita, což činí tyto sloučeniny zajímavými pro přípravu nových činidel, katalyzátorů či objevování nových syntetických cest.
Cílem práce bude příprava karbeny (či jinými donory) stabilizovaných boranyliových solí a studium jejich struktury a reaktivity s přihlédnutím pro jejich eventuální využití pro fotofyzikání měření (molekulární senzory) či katalyzátorů pro aktivace C-H vazeb či fixace CO2. Aplikant si během práce osvojí pokročilé techniky syntézy na pomezí organické a anorganické chemie včetně manipulace, izolace a charakterizace citlivých látek za použití Schlenkových technik či gloveboxu.

.

Protonově vodivé metaloorganické sítě obsahující funkcionalizované porfyrinové stavební bloky

Školitel: Mgr. Jan Hynek Ph.D.

Konzultant: RNDr. Jan Demel, Ph.D.

Neustále narůstající světová spotřeba energie a s tím spojené problémy v oblasti životního prostředí vede k nutnosti zavedení nových, ekologických zdrojů energie, což zahrnuje širší využití palivových článků a baterií. Důležitou součástí těchto zařízení jsou protonově vodivé membrány oddělující prostor obou elektrodových poloreakcí, avšak umožňující přenos protonů. Prozatím jsou pro tento účel využívány především vodivé polymery, které mají ovšem řadu nedostatků, např. vysokou výrobní cenu, propustnost pro některé druhy paliv či amorfní povahu, která znemožňuje hlubší pochopení mechanismu přenosu protonů.
Metal-organické sítě (Metal-Organic Frameworks, MOF) jsou krystalické porézní koordinační polymery sestávající se z metalických center vzájemně propojených dvou- či vícevaznými organickými ligandy. Pravidelná struktura obsahující póry a možnost ladění jejich velikosti, fyzikálních a chemických vlastností činí tyto materiály vhodnými pro přenos protonů v rámci membrán ve vodíkových palivových článcích.
Práce je zaměřena na přípravu zirkonočitých MOF obsahujících tetrakis(4-karboxyfenyl)porfyrin a jeho deriváty se snahou maximalizovat jejich protonovou vodivost. Připravované materiály budou odvozeny již známých struktur PCN-222 a MOF-525, které se vyznačují měrným povrchem v rozmezí 2200 – 2600 m2/g, mezoporézním charakterem a v porovnání s ostatními MOF nadprůměrnou chemickou stabilitou. Pomocí metod substituce porfyrinového ligandu a postsyntetických modifikací budou do struktur zavedeny skupiny s funkcí donorů (fosfonáty, fosfináty, sulfonáty) či akceptorů (aminy) protonů. Bude bude studován vliv těchto modifikací na protonovou vodivost výsledných materiálů.

.

Nanooxidy ceru pro environmentální a bio-aplikace

Školitel: Ing. Jiří Henych, Ph.D.

Konzultant: Ing. Martin Šťastný, Ph.D.

Práce se zaměřuje na přípravu nanostrukturních oxidů ceru různými především "wet chemical" metodami a jejich využití v environmenálních a bio-aplikacích. Výjimečné povrchové redoxní vlastnosti CeO2 nanostruktur umožňují reaktivní adsorpci/katalytický rozklad nebezpečných polutantů (jako jsou pesticidy nebo léčiva ve vodách), ale i např. bojových chemických látek. Kromě toho nanočástice CeO2 vykazují neobyčejné pseudo-enzymatické vlastnosti a mohou tak napodobovat enzymy v živých organizmech což by mohlo vést k rozvojí umělých enzymů tzv. nanozymů.

.

Boranes: A route to the inertial confinement of proton-boron fusion

Školitel: Dr. Michael G. S. Londesborough

The aneutronic fusion of a proton and a 11B nucleus to give three 4He nuclei is the most efficient and ecologically safest energy source, millions of times more yielding than, say, the combustion of coal, and without any of the problems of radioactivity that nuclear fission brings. To achieve p-B fusion, enormous compressions of 10^5 times the density of solid materials are required. Advances in laser technology lead the way in creating such conditions, in which light generates powerful pressure waves through B and H containing plasma. Here, a better understanding of the ideal fuel and the characteristics of the target is needed. This project, supported by an EU Pathfinder grant, proposes the boranes as a fuel for aneutronic fusion. Boranes are comprised solely of atoms of B and H in ratios of approx.1:1 located in immediate proximity to each other –eliminating the need for any primary target, and boding well for confinement. We intend to use the versatility of borane chemistry to make a wide portfolio of fuel candidates, study their behaviour at the conditions of confinement, and demonstrate their utility in p-B fusion.

.

Příprava a studium nových metalo-organických sítí založených na fosfinátových ligandech

Školitel: Mgr. Matouš Kloda, Ph.D.

Konzultant: RNDr. Jan Demel, Ph.D.

Metal-organické sítě (Metal-Organic Frameworks, MOFs) jsou porézní krystalické materiály založené na kombinaci kovových center nebo klastrů s dvou a vícevaznými organickými ligandy. Široká škála dostupných kovů a spojovacích molekul dává možnost ladit chemické a fyzikální vlastnosti MOFů a přizpůsobit je na míru konkrétní aplikaci. Fosfinátová koordinační skupina (POOH) tvoří stabilní vazby ke kovovým centrům a zároveň vytváří predikovatelné koordinační motivy, poskytuje tedy výhody oproti tradičně využívaným karboxylovým a fosfonátovým skupinám. Cílem disertační práce bude syntéza a charakterizace nových MOFů za použití fosfinátových spojovacích molekul s důrazem na přípravu krystalů vhodných pro stanovení struktury rentgenovou difrakcí. V rámci práce bude také testována stabilita vzniklých MOFů a jejich použití pro praktické aplikace jako je například sorpce polutantů nebo elektronová a protonová vodivost. V rámci disertační práce se student naučí syntetické postupy při přípravě nových spojujících molekul, organokovových sítí a dále jejich charakterizace (NMR, práškový a monokrystalový XRD, sorpce N2, termická analýza apod.) až po studium jejich aplikací. Práce bude probíhat na pracovišti Ústavu anorganické chemie AV ČR v Řeži.

.

Hybrid metal and (car)borane clusters

Školitel: Dr. Tomáš Baše

Atomically precise metal clusters represent a developing area with materials properties of which are effected by their size and can be regarded as transient from an atomic level to bulk. Recently, we have reported the first few examples of hybrid metal and car(borane) clusters and demonstrated their exceptional thermal stability. This PhD theme will focus on new stable hybrid metal (car)borane cluster species of different nuclearity as well as on the synthesis of suitable (car)borane clusters terminated with different functional groups to open up the hybrid clusters to new chemistries. This topic covers numerous challenges that are of synthetic, analytical, or computational origin, and all of them relate to the huge size of the new hybrid clusters consisting of hundreds or thousands of atoms. This project is a part of multidiciplinary international cooperation.

.