2. Sekce aplikované fyziky
Seznam anotací:
- Nové optické biosenzory pro monitorování životního prostředí a lékařskou dia¬gnostiku (Ústav fotoniky a elektroniky)
- Vláknově-optická detekce biologických vzorků o malých objemech (Ústav fotoniky a elektroniky)
- Mezinárodní spolupráce vědeckých týmů a průmyslu při vývoji nového prototypu vysoce stabilního krystalového oscilátoru (Ústav fotoniky a elektroniky)
- Spolehlivý odhad chování trhlin ve vrstevnatých materiálech (Ústav fyziky materiálů)
- Studium turbulencí okrajového plazmatu na tokamaku ASDEX Upgrade pomocí ball-pen sondy (Ústav fyziky plazmatu)
- Mikrostrukturní aspekty nelineární deformace a šíření trhlin v žárových nástřicích (Ústav fyziky plazmatu)
- Nová, vysoce účinná metoda urychlování plazmatu – LICPA (Ústav fyziky plazmatu)
- Polymerní kompozity plněné mřížkou vícevrstvých karbonových nanotrubic a jejich mechanické, elektrické a tepelné vlastnosti a citlivost na chemické páry (Ústav pro hydrodynamiku)
- Monitoring a modelování toku vody ve vadózní zóně půdního profilu, v přízemní vrstvě atmosféry a v kmenech stromů (Ústav pro hydrodynamiku)
- Prozařovací rastrovací mikroskopie samonosných tenkých vrstev velmi pomalými elektrony (Ústav přístrojové techniky)
- Samouspořádání mikročástic způsobené optickou interakcí mezi nimi (Ústav přístrojové techniky)
- Sledování degradace cementové vrstvy a postupného uvolňování náhrady kyčelního kloubu vlivem cyklického zatížení (Ústav teoretické a aplikované mechaniky)
- Komplexní ochrana památek před povodněmi (Ústav teoretické a aplikované mechaniky)
- Mechanické vlastnosti povrchových vrstev (Ústav termomechaniky)
- Matematické a experimentální modelování proudění tekutiny v interakci s kmitajícími hlasivkami (Ústav termomechaniky)
2.1 Nové optické biosenzory pro monitorování životního prostředí a lékařskou diagnostiku
(Ústav fotoniky a elektroniky)
Prolínání anorganického a biologického světa hraje v dnešní vědě a technologiích stále významnější roli. Optické biosenzory umožňují specifickou detekci biologických molekul s pomocí optického měřicího zařízení a mohou tak být využívány i ke studiu interakcí mezi biomolekulami. Schopnost rychlé a citlivé detekce biologických látek je důležitá v řadě oblastí, jako jsou lékařská diagnostika, monitorování znečištění životního prostředí a kontrola kvality potravin. Výzkumní pracovníci z Ústavu fotoniky a elektroniky vyvinuli nové biosenzory založené na optické excitaci povrchových plazmonů. Tyto biosenzory spojují originální optické systémy, mikrofluidické systémy pro sběr a transport vzorku k aktivnímu povrchu senzoru a specifické biomolekulární receptory (např. protilátky, nukleové kyseliny) pro specifickou detekci vybraných molekulárních látek. Biosenzory realizované v Ústavu fotoniky a elektroniky byly využity v řadě aplikací v oblastech monitorování životního prostředí a v lékařské diagnostice. Vědci například vyvinuli biosenzor pro rychlou detekci Bisphenolu A (BpA) v odpadních vodách a v pitných vodách a ve spolupráci se společností VIDIA, spol. s r. o., prokázali, že senzor svou citlivostí výrazně předčí v současnosti používané metody a je schopný detekovat BpA již při koncentracích kolem 100 pg/ml. S pomocí biosenzorů vyvinutých v Ústavu fotoniky a elektroniky byly ve vzorcích krevní plazmy detekovány potenciální molekulární biomarkery rakoviny hCG a ALCAM v koncentracích nižších než 100 ng/ml. Ve spolupráci s Institute of Systems Biology (Seattle, USA) vyvinuli vědci nový biosenzor umožňující rychlou a citlivou detekci krátkých RNA (microRNA) indikujících poškození jater již při koncentracích 2 × 10–15 mol/ml.
Piliarik, M. – Bocková, M. – Homola, J.: Surface plasmon resonance biosensor for parallelized detection of protein biomarkers in blood plasma. Biosensors and Bioelectronics. Sv. 26 (2010), s. 1656–1661.
Hegnerová, K. – Piliarik, M. – Šteinbachová, M. – Flegelová, Z. – Černohorská, H. – Homola, J.: Detection of bisphenol A using a novel surface plasmon resonance biosensor. Analytical and Bioanalytical Chemistry. Sv. 398 (2010), s. 1963–1966.
Hegnerová, K. – Homola, J.: Surface plasmon resonance sensor for detection of bisphenol A in drinking water. Sensors and Actuators B. Sv. 151 (2010), s. 17–179.
Šípová, H. – Zhang, S. – Dudley, A. M. – Galas, D. – Wang, K. – Homola, J.: Surface plasmon resonance biosensor for rapid label-free detection of microRNA at subfemtomole level. Analytical Chemistry. Sv. 82 (2010), s. 10110–10115.
Špringer, T. – Piliarik, M. – Homola, J.: Surface plasmon resonance sensor with dispersionless microfluidics for direct detection of nucleic acids at the low femtomole leve. Sensors and Actuators B. Sv. 145 (2010), s. 588–591.
Vala, M. – Chadt, K. – Piliarik, M. – Homola, J.: High-performance compact SPR sensor for multi-analyte sensing. Sensors and Actuators B. Sv. 148 (2010), s. 544–549.
Odezva optického biosenzoru vyvinutého v Ústavu fotoniky a elektroniky na různé koncentrace bisphenolu A (BpA)
Spolupracující subjekty: Institute of Systems Biology, Seattle, USA a VIDIA, spol. s r. o., Vestec u Prahy
Kontaktní osoba: Jiří Homola, 266773448, homola@ufe.cz
2.2 Vláknově-optická detekce biologických vzorků o malých objemech
(Ústav fotoniky a elektroniky)
Stanovení pH v mikroskopických vzorcích biologických preparátů je dlouhodobě věnována pozornost biologů, fyziologů nebo botaniků, protože znalost pH nebo jeho gradientů může přispět k objasnění složitých procesů probíhajících v živočišných nebo rostlinných organizmech. V takových případech jsou vzorky často velmi malého objemu v rozsahu od mikrolitrů až po jednotlivé buňky o rozměrech 20-50 µm. Proto řada předních světových laboratoří zkoumá mikrosenzory použitelné pro taková měření. V Ústavu fotoniky a elektroniky AV ČR byla vyvinuta a realizována vláknově-optická metoda detekce pH využívající nový typ optických detekčních sond. Příčné rozměry těchto sond byly zmenšeny až na několik mikrometrů, což umožnuje neinvazivní analýzu malých kapének o objemu pouhých několika mikrolitrů. Vyvinuté sondy byly úspěšně testovány a využity pro měření pH in vivo a in vitro vzorků exudátu z listů ovsa v objemech okolo 6 µl. Získané výsledky jsou cenné pro další výzkum transportu hmoty v rostlinách, včetně transportu vody, živin a fytohormonů. Tyto výsledky byly získány spojením sil vědců zabývajících se technologií optických vláken, metodou sol-gel imobilizace a optickou detekcí z Ústavu fotoniky a elektroniky AV ČR a vědců zabývajících se biochemií a biologií v Ústavu experimentální botaniky AV ČR spolupracujících společně s dalšími týmy v Centru základního výzkumu LC06034 – Remorost.
Kašík, I. – Mrázek, J. – Martan, T. – Pospíšilová, M. – Podrazký, O. – Matějec, V. – Hoyerová, K. – Kamínek, M.: Fiber-optic pH detection in small volumes of biosamples. Anal. Bioanal. Chem. Sv. 398 (2010), 1883-1889.
Salzenstein, P. – Kuna, A. – Šojdr, L. – Chauvin, J.: Significant step in ultra-high stability quartz crystal oscillators. Electronics Letters, Sv.. 46 (2010). 1433-1434.
Vláknově-optická detekce biologických vzorků o malých objemech
Spolupracující subjekt: Ústav experimentální botaniky AVČR, v. v. i.
Kontaktní osoba: Ivan Kašík, tel. 220 922 391, kasik@ufe.cz
2.3 Mezinárodní spolupráce vědeckých týmů a průmyslu při vývoji nového prototypu vysoce stabilního krystalového oscilátoru
(Ústav fotoniky a elektroniky)
Při ověřování frekvenční stability nových typů vysoce stabilních krystalových oscilátorů BVA, které vyvíjí švýcarská firma Oscilloquartz, se významně uplatňují vynikající měřicí možnosti rozvíjené v Oddělení času a frekvence Ústavu fotoniky a elektroniky AV ČR. Šumové vlastnosti krystalových rezonátorů jsou nejprve vyhodnocovány ve francouzské laboratoři FEMTO-ST, Oscilloquartz tyto rezonátory poté zapracovává do krystalových oscilátorů. Frekvenční stabilita vybraných kusů oscilátorů je následně proměřována v Ústavu fotoniky a elektroniky AV ČR. Jejich unikátní měřicí systém s nejnižší dosud publikovanou hodnotou vlastního šumu umožnil charakterizovat vlastnosti nového prototypu krystalového oscilátoru BVA. Byla u něho naměřena prahová hodnota šumu 2,5∙10−14 ve smyslu Allanovy odchylky. Poprvé za posledních 15 let tak opět došlo k výraznému zlepšení šumových vlastností krystalových oscilátorů, které znovu získávají na popularitě.
Salzenstein, P. – Kuna, A. – Šojdr, L. – Chauvin, J.: Significant step in ultra-high stability quartz crystal oscillators. Electronics Letters, Sv.. 46 (2010). 1433-1434.
Salzenstein, P. – Kuna, A. – Šojdr, L. – Sthal, F. – Cholley, N. – Lefebvre, F.: Frequency stability measurements of ultrastable BVA resonators and oscillators. Electronics Letters, Sv. 46(2010), 686-687.
Násobič časové odchylky využívající principu duálního směšování.
Násobič časové odchylky využívající principu duálního směšování je klíčovou částí systému pro měření frekvenční stability.
Spolupracující subjekty: FEMTO-ST, CNRS, Besancon, Francie, Oscilloquartz, Neuchatel, Švýcarsko
Kontaktní osoba: Alexander Kuna, kuna@ufe.cz
2.4 Spolehlivý odhad chování trhlin ve vrstevnatých materiálech
(Ústav fyziky materiálů)
Moderní návrhy konstrukcí kladou vysoké požadavky na kvalitu použitého materiálu a velmi často je nezbytné použít vrstevnaté nebo kompozitní materiály. Pro jejich bezpečný provoz je nezbytná predikce jejich porušení. Běžně používaný popis singulárního pole napětí před čelem trhliny, který je založen na faktoru intenzity napětí, se v některých případech nedá použít nebo je nepřesný. Proto byl pro popis pole napětí použit zobecněný faktor intenzity napětí a formulována příslušná lomová kritéria. Pomocí těchto postupů je možné realisticky popsat tvar a cestu šířící se trhliny a odhadnout kritické hodnoty lomových parametrů. Z praktických aplikací lze uvést např. odhad zdánlivé lomové houževnatosti keramických laminátů a doporučení pro jejich optimální návrh, v oblasti polymerních materiálů řešení problémů spojených s přechodem trhliny z ochranné vrstvy do základního materiálu. Získané výsledky mohou pomoci k přesnějším odhadům poškození kompozitních a vrstevnatých materiálů pro mnoho průmyslových aplikací.
Hutař, P.– Náhlík, L.– Knésl, Z.: The effect of a free surface on fatigue crack behaviour. International Journal of Fatigue. č.32 (2010), s. 1265–1269.
Hutař, P.– Náhlík, L.– Šestáková, L.– Ševčík, M. – Knésl, Z.– Nezbedová, E.: A fracture mechanics assessment of surface cracks existing in protective layers of multi-layer composite pipes. Composite Structures. č. 92 (2010), s. 1120–1125.
Náhlík, L. – Šestáková, L. – Hutař, P. – Bermejo, R.: Prediction of crack propagation in layered ceramics with strong interfaces. Engineering Fracture Mechanics. č. 77 (2010), s. 2192–2199.
Klusák, J. – Knésl, Z.: Reliability assessment of a bi-material notch: Strain energy density factor approach. Theoretical and Applied Fracture Mechanics. č. 53 (2010), s. 89–93.
Kontaktní osoba: Ing. Pavel Hutař, Ph.D., 532290351, hutar@ipm.cz
2.5 Studium turbulencí okrajového plazmatu na tokamaku ASDEX Upgrade pomocí ball-pen sondy
(Ústav fyziky plazmatu)
V tomto roce pracovníci Ústav fyziky plazmatu AV ČR provedli unikátní srovnání experimentu s Ball-pen sondou a s modelováním turbulentního okrajového plazmatu kódem ESEL. Cílem bylo pochopit a předpovědět vliv turbulencí na anomální transport energie a částic na stěnu tokamaku a tudíž i vliv na její životnost a celkový fúzní výkon. Toto téma je klíčové i pro tokamak ITER. Ukázalo se, že kvalitativně jsou statistické vlastnosti simulací ve shodě s měřením. Rovněž i další výsledek srovnávacího měření elektrických polí s Ball-pen sondou a Dopplerovým reflektometrem ukazuje výbornou shodu dvou nezávislých experimentálních technik.
Horacek J. – Adamek J. a kol.: Fast measurement of plasma potential, temperature and density in SOL of ASDEX Upgrade, Nuclear Fusion 50 (2010) 105001.
Adamek J. a kol.: Ball-Pen Probe Measurements in L-Mode and H-Mode on ASDEX Upgrade, Contributions to Plasma Physics 50 9 (2010), 854-859.
Müller H. W. – Adámek J. a kol.: Towards Fast Measurement of the Electron Temperature in the SOL of ASDEX Upgrade Using Swept Langmuir Probes, Contributions to Plasma Physics 50 9 (2010), 847-853.
Srovnání radiálního elektrického pole měřeného BPP a Dopplerovým reflektometrem na okraji plazmatu tokamaku ASDEX Upgrade. Poloha separatrix odpovída hodnotě.
Kontaktní osoba: Mgr. J. Adámek, Ph.D.; Mgr. J. Horáček, Ph.D.
2.6 Mikrostrukturní aspekty nelineární deformace a šíření trhlin v žárových nástřicích
(Ústav fyziky plazmatu)
Mikrostruktura žárových nástřiků je zodpovědná za jejich unikátní vlastnosti (zejména anizotropii, nelinearitu, anelasticitu a hysterezi). Ve spolupráci se Stony Brook University (USA) byly deponovány plazmatické a HVOF nástřiky korundové keramiky s různou morfologií pórů, trhlin, splatů a rozhraní mezi nimi. Na deponovaných vzorcích byla provedena řada experimentů – materiálografická analýza, zkouška čtyřbodovým ohybem, fraktografická analýza, stanovení tvrdosti indentací a zkouška otěruvzdornosti. Bylo prokázáno, že mikrostruktura žárových nástřiků má výrazný vliv na jejich mechanické vlastnosti, přičemž zkoušky umožnily identifikovat hlavní mikromechanismy porušování a posoudit významnost jednotlivých mikrostrukturních prvků. Do budoucna by získané poznatky měly sloužit k lepšímu řízení vlastností nástřiků a přípravě vrstev tzv. „na míru“.
Mušálek, R. – Matějíček, J. – Vilémová, M. – Kovářík, O.: Non-Linear Mechanical Behavior of Plasma Sprayed Alumina Under Mechanical and Thermal Loading. Journal of Thermal Spray Technology. 19, 1-2 (2010), s. 422-428.
Mušálek, R. – Kovářík, O. – Matějíček, J.: In-situ observation of crack propagation in thermally sprayed coatings. Surface and Coatings Technology. 205, 7 (2010), s. 1807-1811.
Mušálek, R. – Matějíček, J. – Pejchal, V. – Mari, E. – Valarezo, A. – Sampath, S.: Influence of Pores and Cracks Morphology on Mechanical Behavior of Thermally Sprayed Ceramics. ITSC 2010 – International Thermal Spray Conference & Exposition: Conference Proceedings, 2010. s. 723-728.
Mikrostrukturní aspekty nelineární deformace a šíření trhlin v žárových nástřicích
Lom WSP nástřiku Al2O3.
Kontaktní osoba: Ing. Radek Mušálek, Ph.D. tel.266053077; musalek@ipp.cas.cz
2.7 Nová, vysoce účinná metoda urychlování plazmatu – LICPA
(Ústav fyziky plazmatu)
Na pražském laserovém zařízení PALS byla experimentálně odzkoušena nová vysoce účinná metoda urychlování plazmových shustků (plazmových makročástic) na extrémně vysoké energie, navržená polskými fyziky z Ústavu fyziky plazmatu a laserové mikrofúze (IPPLM) ve Varšavě. Nová metoda nazvaná Laser Induced Cavity Presssure Acceleration (LICPA) využívá laserem indukovaný ablační tlak v dutinovém laserovém terči. Naše společné experimenty ukázaly, že její energetická účinnost je o řád vyšší, než u doposud používaných metod konvenčního ablačního urychlování. Na základě v laboratoři PALS provedených testů byly navrženy různé varianty LICPA akcelerátorů jak pro technologické aplikace, tak pro experimenty v oblasti laserové inerciální termojaderné fúze
Badziak, J. – Borodziuk, S. – Pisarczyk, T. – Chodukowski, T. – Krouský, E. – Mašek, K. – Skála, J. – Ullschmied, J. – Yong-Joo Rhee: Highly efficient acceleration and collimation of high-density plasma using laser-induced cavity pressure, Appl. Phys. Lett. 96 (2010) 251502(1) - 251502(3), doi: 10.1063/1.3457865, [IFAK: 2.223]
Badziak, J. – Pisarczyk, T. – Chodukowski, T. – Kasperczuk, A. – Parys, P. – Rosiriski, M. – Wolowski, J. – Krouský, E. – Krása, J. – Mašek, K. –. Pfeifer, K. – Skála, J. – Ullschmied, J. – Velyhan, A. – Yong-Joo Rhee – Pisarczyk, P. – Dhareshwar, L. J. – Gupta, N. K. – Torrisi, L.: Production of dense laser-driven plasma jets using a cylindrical channel, J. Phys.: Conf. Ser. 244 (2010) 022023(1) - 022023(4), doi: 10.1088/1742-6596/244/2/022023
Borodziuk, S. – Kasperczuk, A. – Pisarczyk, T. – Badziak, J. – Chodukowski, T. – Ullschmied, J. – Krousky, E. – Masek, K. – Pfeifer, M. – Rohlena, K. – Skala, J. – Pisarczyk, P.: Cavity Pressure Acceleration – an efficient laser-based method of production of high-velocity macroparticles, ECLIM 2010, Budapest, 6-10 Sept. 2010, Poster 97
Spolupracující subjekt: IPPLM Varšava, Polsko
Kontaktní osoba: Jiří Ullschmied, CSc. 2 6605 3246, ullsch@ipp.cas.cz
2.8 Polymerní kompozity plněné mřížkou vícevrstvých karbonových nanotrubic a jejich mechanické, elektrické a tepelné vlastnosti a citlivost na chemické páry
(Ústav pro hydrodynamiku)
Byl připraven nový typ polymerních kompozitů plněný mřížkou z karbonových nanotrubic. Příprava byla zahrnuta do přihlášky patentu PV 2010-506. Karbonová mřížka a polystyrénový kompozit byly postupně testovány při tahové, tlakové a cyklické deformaci. Elektrická měrná vodivost byla měřena v závislosti na tlakové deformaci a teplotě. Měřena byla adsorpce a desorpce par isopentanu, dietyleteru, acetonu a metanolu na povrchu nanotrubic. Testy ukázaly vhodnost použití karbonové mřížky a nanokompozitu jako tlakového čidla a čidla pro detekci chemických par. Zjištěny byly mechanismy deformace karbonové mřížky s převládajícím ohybem nanotrubic a skluzu nanotrubic v místech kontaktu. Zjištěn byl také mechanismus adsorpce chemických par na povrchu karbonových nanotrubic a navržen způsob jejího měření využívající změnu kontaktního elektrického odporu při adsorpci. Byl vytvořen popis neafinní deformace mřížky. Silové zatížení překonává ohyb a tření mezi nanotrubicemi při vzájemném skluzu. Závislost deformace na působících silách je modelována podle teorie deformace mřížek a třecí síle mezi dvěma tělesy. Vzájemný poměr obou sil je závislý na strukturálním uspořádání mřížky.
Přihláška vynálezu "Tlakový senzor a způsob jeho výroby" podána dne 25. 6. 2010 pod číslem PV 2010-506.
Slobodian, P. – Riha, P. – Lengalova, A. – Saha, P.: Compressive stress-electrical conductivity characteristics of multiwall carbon nanotube networks, Journal of Materials Science 2011; doi:10.1007/s10853-010-5202-0.
Slobodian, P. – Riha, P. – Lengalova, A. – Saha, P.: Effect of compressive strain on electric resistance of multi-wall carbon nanotube networks, Journal of Experimental Nanoscience (v tisku).
Slobodian, P. – Riha, P. – Olejnik, R. – Petras, D. – Machovsky M. – Saha, P.: Electromechanical properties of carbon nanotube networks under compression, Measurement Science Technology (v tisku).
Slobodian, P. – Riha, P.: Electromechanical sensors based on carbon nanotubes networks and their polymer composites. In New Developments and Applications in Sensing Technology. (Ed. by S. C. Mukhopadhyay, A. Lay-Ekuakille, A. Fuchs). Springer, 2011. ISBN 978-3-642-17942-6. (Lecture Notes in Electrical Engineering, Sv. 83 (v tisku).
Slobodian, P. – Riha, P. – Olejnik, R. – Petras, D. – Machovsky M. – Saha, P.: Electromechanical sensors based on carbon nanotube network, 4th International Conference on Sensing Technology, June 3-5, 2010, Lecce, Italy.
Riha, P. – Slobodian, P. – Olejnik, R. – Petras, D. – Saha, P.: Development of manufacturing process for polymer/carbon nanotubes network composites, 10th International Conference on Flow Processes in Composite Materials, July 11-15, 2010, Ascona, Switzerland.
Spolupracující subjekt: Fakulta technologická UTB ve Zlíně
Kontaktní osoba: Pavel Říha, 233109093, riha@ih.cas.cz
2.9 Monitoring a modelování toku vody ve vadózní zóně půdního profilu, v přízemní vrstvě atmosféry a v kmenech stromů
(Ústav pro hydrodynamiku)
Matematická analýza Richardsovy rovnice vedla k získání jednoznačného důkazu, že proudění v prstech (tzv. fingering) je nepopsatelné standardní teorií pohybu kapaliny v porézním materiálu, která je založena na difúzní analogii (Richardsovské proudění). Bylo tak potvrzeno, že se jedná o zcela nový fyzikální jev - gravitačně destabilizovaného proudění. Pomocí originální metody kvantifikace produkce entropie při pohybu kapaliny bylo simulací i experimenty ověřeno, že produkce entropie při gravitačně destabilizovaném proudění je vyšší než při proudění pseudodifúzním. Náhlá oscilace výtoku vody z porézního materiálu – půdy do vodního toku (tzv. fill and spill efekt) byla opakovaně pozorována při hydrologickém monitoringu v povodích na celém světě. Jejím vysvětlením je gravitačně destabilizované proudění. Modelovány byly klíčové hydrologické procesy v jednotlivých částech systému půda-rostlina-atmosféra i v měřítku povodí, a to i při uvažování klimatické změny. Unikátní složkou výzkumu je kombinace přesného měření transpiračního toku v rostlinách s detailním numerickým modelováním transientního pohybu vody v kořenové zóně. Teoretický a experimentální výzkum byl zaměřen na hlubší kvantitativní pochopení procesů přenosu vody z nízké oblačnosti a mlhy na vegetační porost. Byly sestaveny výpočetní algoritmy pro odhad množství usazených srážek, pro výpočet transpirace a pro simulaci proudění vody v půdním profilu na základě jak difuzního, tak i gravitačně destabilizovaného proudění.
Dohnal, M. – Vogel, T. – Tesař, M. – Votrubová, J.: Evaluation of water fluxes in the spruce tree soil-plant-atmosphere system using long-term sap flow measurements. 13th Biennial Conference ERB 2010 on Hydrological Responses of Small Basins to a Changing Environment, Seggau Castle (Austria), September 5-8, 2010 – Proceedings (Holzmann, H.; Godina, R.; Miller, G.). ISBN 978-3-900962-90-6. s. 139-141
Fišák, J. – Stoyanova, V. – Bartůňková, K. – Tesař, M. – Shoumková, A.: The typical insoluble particles in fog water at Milešovka Observatory (Czech Republic). 5th International Conference on Fog, Fog Collection and Dew, Münster (Germany), July 25-30, 2010 – Conference Book. s. 47-50.
Fišák, J. – Tesař, M. – Šír, M.: Long-term monitoring of liquid water content of low clouds and fog in selected small mountainous catchments in the Czech Republic. Folia Geographica. Series Geographica-Physica. Sv. XLI (2010), s. 75-83. ISSN 0071 6715.
Nadezhdina, N. – David, T. S. – David, J. S. – Ferreira, M. I. – Dohnal, M. – Tesař, M. – Gartner, K. – Leitgeb, E. – Nadezhdin, V. – Čermak, J. – Jimenez, M. S. – Morales, D.: Trees never rest: the multiple facets of hydraulic redistribution. Ecohydrology. Sv. 3, č. 4 (2010), s. 431-444. ISSN 1936 0584 (v tisku), ISSN 1936 0592 (online). DOI 10.1002/eco.148.
Šír, M. – Pražák, J.: Simulace dvourozměrného pohybu kapaliny v pórovitém materiálu pomocí teorie perkolace. Softwarový program DUEPERCOL, Ústav pro hydrodynamiku AVČR, v. v. i. - 2PER007/10, listopad 2010. – software
Šír, M. – Pražák, J.: Simulace trojrozměrného pohybu kapaliny v pórovitém materiálu pomocí teorie perkolace. Softwarový program TREPERCOL, Ústav pro hydrodynamiku AVČR, v. v. i. - 3PER008/10, listopad 2010. – software
Šír, M. – Tesař, M.: Simulace jednorozměrného pohybu kapaliny v pórovitém materiálu pomocí Richardsovy rovnice. Softwarový program UNARIS, Ústav pro hydrodynamiku AVČR, v. v. i. - 1FTR005/10, listopad 2010. – software
Šír, M. – Tesař, M.: Simulace dvourozměrného pohybu kapaliny v pórovitém materiálu pomocí Richardsovy rovnice. Softwarový program DUERIS, Ústav pro hydrodynamiku AVČR, v. v. i. - 2FTR006/10, listopad 2010. – software
Šír, M. – Tesař, M.: Transpirace lesního porostu stanovená metodou tepelné bilance kmene. Softwarový program TEHABET, Ústav pro hydrodynamiku AVČR, v. v. i. - WBTR004/10, září 2010. – software
Šír, M. – Weger, J. – Vondrka, A.: Klimatická účinnost porostů rychle rostoucích dřevin v krajině. Acta Pruhoniciana. Sv. 92 (2009), s. 45-49. ISSN 0374-5651. – vyšlo v 2010
Tesař, M. – Fišák, J. – Šír, M. – Bartůňková, K.: Occult precipitation as an input to the small catchment: observation, evaluation and new technics of fog water collection in the Czech Republic. 5th International Conference on Fog, Fog Collection and Dew, Münster (Germany), July 25-30, 2010 – Proceedings. s. 255.
Tesař, M. – Fottová, D. – Šír, M. – Fišák, J.: Geochemistry and hydrology of a small catchment: fogs as an important part of the wet deposition. 19th Congress of the Carpathian-Balkan Geological Association (CBGA 2010), Thessaloniki (Greece), September 23-26, 2010 – Geologica Balcanica. Abstracts Volume. ISSN 0324-0894. s. 389-390.
Tesař, M. – Šír, M. – Lichner, Ľ.: Absorption of solar radiation and moist and dry convection in the Šumava Mountains. Status and Perspectives of Hydrology in Small Basins, Goslar-Hahnenklee (Germany), March 30 – April 2, 2010 – Proceedings (Herrmann, A.; Schumann, S.). ISBN 978-1-907161-08-7. s. 121-124.
Votrubová, J. – Jelinková, V. – Němcová, R. – Tesař, M. – Vogel, T. – Císlerová, M.: The soil apparent infiltrability observed with ponded infiltration experiment in a permanent grid of infiltration rings. European Geosciences Union: General Assembly 2010, Vienna (Austria), May 2-7, 2010. Geophysical Research Abstracts. Sv. 12 (2010), s. 11898. ISSN 1607-7962 (online).
Spolupracující subjekty: FSv ČVUT Praha, PU Olomouc, Mendelova universita Brno, Ústav termomechaniky AV ČR, v. v. i.
Kontaktní osoba: Miroslav Tesař, 388426801, tesarihas@iol.cz
2.10 Prozařovací rastrovací mikroskopie samonosných tenkých vrstev velmi pomalými elektrony
(Ústav přístrojové techniky)
V rastrovacím elektronovém mikroskopu s katodovou čočkou byla ověřována průchodnost elektronů tenkými samonosnými vrstvami v závislosti na energii elektronů a vyvinut prozařovací režim při extrémně nízkých energiích. Byl zjištěn nekoherentní příspěvek signálu od sekundárních elektronů ze spodního povrchu vrstvy a realizována úprava detektoru pro jeho odfiltrování. Pro velmi pomalé elektrony byla s vysokým prostorovým rozlišením studována propustnost a zobrazení grafenu. V prošlých elektronech byl prokázán kontrast jednotlivých atomových vrstev nesrovnatelně výraznější než doposud dostupný kontrast tvořený zpětně odraženými elektrony. Byla změřena maximální propustnost grafénu na energii 5 eV. Výzkum probíhal ve spolupráci s letošními držiteli Nobelovy ceny za fyziku A. Geimem a K. Novoselovem z Univerzity v Manchesteru, kteří se zabývali přípravou grafénových vzorků.
Müllerová, I. – Hovorka, M. – Hanzlíková, R. – Frank, L.: Very low energy scanning electron microscopy of free-standing ultrathin films. Material Transactions. Roč. 51, č. 2 (2010), s. 265–270.
Müllerová, I. – Hovorka, M. – Frank, L: Advances in low energy scanning elektron microscopy. Proceedings of 17th International Microscopy Congress (IMC17), Rio de Janeiro (2010), s. 256–257.
Frank, L. – Hovorka, M. – Konvalina, I. – Mikmeková, Š. – Müllerová, I.: Very low energy scanning electron microscopy. Nuclear Instruments and Methods in Phys. Res. A. (2011), přijato do tisku.
Müllerová, I. – Hovorka, M. – Frank, L.: Scanning transmission low energy electron microscopy. Proceedings of 7th LEEM/PEEM International Workshop, New York 2010.
Grafén zobrazený velmi pomalými elektrony.
Zobrazení vzájemně přeložených vloček grafénu ve zpětně odražených elektronech (BSE) a v prošlých elektronech (TE) při energii dopadu 20 eV, vykazující v TE signálu výrazný kontrast jednotlivých atomových vrstev uhlíku.
Spolupracující subjekt: University of Manchester, Velká Británie
Kontaktní osoba: Ing. Ilona Müllerová, DrSc., 541 514 300, ilona@isibrno.cz
2.11 Samouspořádání mikročástic způsobené optickou interakcí mezi nimi
(Ústav přístrojové techniky)
Optické mikromanipulační techniky využívají světelné pole s nerovnoměrným prostorovým rozložením optické intenzity. V takovém světelném poli je mikročástice či nanočástice tažena optickými silami do místa s větší optickou intenzitou a zde je v tzv. optické pasti prostorově zachycena. V případě, že je ve světelném svazku přítomno více elektricky neutrálních částic, působí na částici silově kromě dopadajícího svazku i světelné záření, které ostatní částice rozptylují. Tato dlouho opomíjená interakce způsobí, že výsledné silové působení na částice není diktováno pouze dopadajícím svazkem, ale rovněž vzájemným rozmístěním částic. I v případě, že dopadající světelné pole samo nevytváří optické pasti, lze za vhodných okolností dosáhnout stavu, že osvícené částice si vzájemně vytvoří optické pasti, ve kterých jsou prostorově lokalizovány. Následně jsou částice touto optickou vazbou samouspořádány a vytváří tzv. opticky vázanou hmotu. Rozmístění částic velmi citlivě odráží počet a vlastnosti částic, okolního média a osvětlujícího svazku. Vědečtí pracovníci se ve výzkumu zaměřili na chování více polystyrénových částic osvícených dvěma a více laserovými svazky. Vytvořili opticky vázanou koloidní strukturu v délce 100 mikrometrů, poprvé demonstrovali chování více mikročástic ozářených protiběžnými optickými víry a dokázali v reálném čase ladit vzdálenosti mezi jednotlivými mikročásticemi změnou parametrů osvětlujících svazků. Získané poznatky směřují k samoorganizaci mikročástic v koloidní či fotonické krystaly pouhým osvícením suspenze.
Dholakia, K. – Zemánek, P.: Colloquium: Gripped by light: Optical binding. Reviews of Modern Physics. Roč. 82, č. 2 (2010), s. 1767-1791
Brzobohatý, Oto – Čižmár, T. – Karásek, Vítězslav – Šiler, Martin – Dholakia, K. – Zemánek, P.: Experimental and theoretical determination of optical binding forces. Optics Express. Roč. 18, č. 24 (2010), s. 25389-25402.
Čižmár, T – Brzobohatý, O. – Dholakia, K – Zemánek, P.: The holographic optical micromanipulation system based on counter-propagating beams. Laser Physics Letters, Roč. 8. č. 1 (2011), s. 50-56.
Brzobohatý, O. – Čižmár, T. – Dholakia, K. – Zemánek, P.: Flexible dual-beam geometry for advanced optical micromanipulation experiments. 17th Slovak-Czech-Polish Optical Conference on Wave and Quantum Aspects of Contemporary Optics (Proceedings of SPIE Sv. 7746). Bellingham : SPIE, 2010. 77461C: 1-9.
Brzobohatý, O. – Karásek, V. – Zemánek, P. – Čižmár, T. – Dholakia, K.: Formation of one-dimensional optically bound structures of polystyrene particles near the surface. Optical Trapping and Optical Micromanipulation VII (Proceedings of SPIE Sv. 7762). Bellingham : SPIE, 2010. 776212: 1-7.
Ukázka dynamického ladění vzdálenosti mezi opticky vázanými částicemi změnou parametrů dvou protiběžných laserových svazků
Ukázka dynamického ladění vzdálenosti mezi opticky vázanými částicemi změnou parametrů dvou protiběžných, horizontálně se šířících laserových svazků, které zajišťují příčné zachycení částic. Polystyrénové částice mají průměr 1070 nm, průměr jader obou besselovských svazků se postupně měnil z 3,6 mikrometrů (nahoře) až na 10 mikrometrů (dole). Částice se samouspořádaly ve vodě, a to v ose dvou protiběžných laserových svazků o výkonu 7 W a vlnové délce 1064 nm.
Spolupracující subjekt: University of St. Andrews, Velká Británie
Kontaktní osoba: prof. RNDr. Pavel Zemánek, PhD., 541 514 202, pavlik@isibrno.cz
2.12 Sledování degradace cementové vrstvy a postupného uvolňování náhrady kyčelního kloubu vlivem cyklického zatížení
(Ústav teoretické a aplikované mechaniky)
Degradace cementové vrstvy a rozhraní kosti a cementu kyčelní kloubní náhrady byly zkoumány pomocí simulátoru kyčelního kloubu vlastního návrhu a radiologických měření. Cementovaná jamka endoprotézy kyčelního kloubu byla implantována do pánevní kosti a testována v simulátoru kyčelního kloubu za fyziologických podmínek zatížení. Experimentální zařízení bylo navrženo tak, aby umožňovalo cyklické zatěžování vzorku pánevní kosti s implantovanou cementovanou acetabulární komponentou. Pro experiment byl vybrán nejnepříznivější zatěžovací stav (chůze po schodech dolů). Proces poškozování byl sledován pomocí opakovaných mikrotomografických vyšetření s vysokým rozlišením. Použití mikrofokusálního zdroje rentgenového záření a velkoplochých detektorů umožňuje vyšetření strukturálních změn a šíření trhlin, a to jak ve vrstvě cementu, tak v trabekulární kosti.
Kytýř, D. – Jiroušek, O. – Dammer, J.: Radiological investigation of bone cement layer behaviour under cyclic loading. In Experimental methods and numerical simulations in engineering science. Wuppertal: Institute static and dynamic of structures University of Wuppertal, (2010), s. 64–65.
Kytýř, D. – Doktor, T. – Jiroušek, O. – Zlámal, P. – Pokorný, D.: Experimental and numerical study of cemented bone-implant interface behaviour. 9th Youth Symposium on Experimental Solid Mechanics. Trieste: Italian Group of Fracture (2010), s. 151–154.
Kytýř, D. – Jiroušek, O. – Dammer, J.: High resolution X-ray imaging of bone-implant interface by large area flat-panel detector. Journal of Instrumentation (2010), přijato do tisku.
Zařízení pro testování kyčelních implantátů.
Experimentální zařízení bylo navrženo tak, aby umožňovalo cyklické zatěžování vzorku pánevní kosti s implantovanou cementovanou acetabulární komponentou. Zařízení bylo navrženo jako příslušenství pro zatěžovací zařízení Instron 1343 a Instron 1603.
Vizualizace pánve s implantovanou acetabulární komponentou po mechanickém testování.
Spolupracující subjekt: Ústav technické a experimentální fyziky, Katedra mechaniky, Fakulta stavební, ČVUT v Praze
Kontaktní osoba: Ing. Daniel Kytýř, 222363096, kytyr@itam.cas.cz
2.13Komplexní ochrana památek před povodněmi
(Ústav teoretické a aplikované mechaniky)
Soubor prací, zahrnující analýzu poruch způsobených povodněmi na památkách. Návrhy opatření ke zmírnění nebo úplnému zabránění vzniku škod a poruch na kulturním dědictví při povodních. Vědecké podklady pro posuzování historických materiálů a konstrukcí, zasaženým povodní nebo navlhnutím (včetně tabulek změn materiálových vlastností). Příklady chování typických památek při a po povodni. Mapování povodňových rizik. Doporučení a návody k užívání nedestruktivních metod sledování chování historických materiálů po povodni (vysušování, odsolování, biologická ochrana).
Drdácký, M.: Impact of floods on heritage structures. Journal of Performance of Constructed Facilities, 2010, Roč. 24, č. 5, s. 430-431. ISSN 0887-3828.
Drdácký, M.: Flood damage to historic buildings and structures. Journal of Performance of Constructed Facilities, 2010, Roč. 24, č. 5, s. 439-445. ISSN 0887-3828.
Binda, L. – Drdácký, M. a kol.: CHEF - Protection of Cultural Heritage against Flood, kniha v tisku.
Válek, J. – Kruschwitz, S. – Wöstmann, J. – Kind, T. – Valach, J. – Köpp, Ch. – Lesák, J.: Nondestructive Investigation of Wet Building Material: Multimethodical Approach. Journal of Performance of Constructed Facilities, 2010, Roč. 24, č. 5, s. 462-472. ISSN 0887-3828.
Barták, J. – Slížková, Z.: Performance of a retrofitted medieval stone bridge under a severe flood. Journal of Performance of Constructed Facilities, 2010, Roč. 24, č. 5, s. 484-492. ISSN 0887-3828.
Herle, I. – Herbstová, V. – Kupka, M. – Kolymbas, D.: Geotechnical problems of cultural heritage due to floods. Journal of Performance of Constructed Facilities, 2010, Roč. 24, č. 5, s. 446-451. ISSN 0887-3828.
Vysychání historického zdiva
Cihelné zdivo bylo zatopeno vodou po dobu pěti dní (vlevo). Výstup z termokamery (vpravo) ukazuje povrch cihelné zdi po 29 dnech vysychání. Tmavší části jsou ochlazovány vypařováním vlhkosti. Tento efekt lze zaznamenat i takřka po měsíci v běžných laboratorních podmínkách.
Spolupracující subjekt: CHEF Consortium
Kontaktní osoba: prof. Ing. Miloš Drdácký, DrSc., 286885382, drdacky@itam.cas.cz
2.14 Mechanické vlastnosti povrchových vrstev
(Ústav termomechaniky)
Tenké povrchové vrstvy nacházejí stále širší uplatnění v materiálovém inženýrství, elektronice a biomedicínských aplikacích. Standardní metody vyšetřování jejich mechanických vlastností mají svá omezení a nedostatky. Byla navržena nová ultrazvuková metoda, která vychází ze změn rezonančních frekvencí zkušebního tělesa, které jsou dány depozicí vrstvy na substrát. Možnosti této modifikované metody rezonanční ultrazvukové spektroskopie (RUS) byly ověřovány jak na tenkých diamantových vrstvách (DLC a NCD) tloušťky 100 nm až 1 μm, tak rovněž na silných, plazmově nanesených korundových (Alumina) povlacích (100–200 μm) na oceli. V posledním jmenovaném případě je možné zjišťovat gradient elastických vlastností přes tloušťku vrstvy.
Metoda je vhodná pro vyšetřování zejména elastických vlastností obecně anizotropní vrstvy za podmínek rovinné napjatosti vrstvy. Dále je možné ji implementovat in-situ do depozičního zařízení a monitorovat proces depozice. Rovněž lze ze změn rezonančních frekvencí odhadovat úroveň zbytkových napětí.
Metodika rezonanční ultrazvukové spektroskopie byla modifikována na problém šíření akustických povrchových vln (SAW) v anizotropních prostředích. Metodika byla úspěšně testována na souboru experimentálních dat naměřených na uhlíkatých vrstvách nanesených na křemíkovém substrátu. Měření byla realizována na optické sestavě v laboratoři ATF KU Leuven v Belgii v průběhu pracovního pobytu odpovědného řešitele na této univerzitě. Unikátní metodika SAW v kombinaci s původní metodou RUS vykázala řadu předností oproti oběma technikám použitým samostatně.
Růžek, M. – Seiner, H. – Sedlák, P. – Kruisová, A. – Landa, M.: Linearized forward and inverse problem of the resonant ultrasound spectroscopy for the evaluation of thin surface layers. Journal of the Acoustical Society of America, v tisku.
Kocourek, T. – Růžek, M. – Landa, M. – Jelínek, M. – Mikšovský, J. – Kopeček, J.: Evaluation of elastic properties of DLC layers using resonant ultrasound spectroscopy and AFM nanoindentation. Surface and Coating Technology, v tisku.
Určení elastických konstant (Youngova modulu E a objemového modulu K) uhlíkatých vrstev, deponovaných na různě orientované substráty křemíku, pomocí měření disperzních křivek šíření povrchových vln.
Na obrázku jsou uvedeny výsledky pro tři případy vrstev: 1) pomalu rostlá DLC vrstva – červené body, 2) rychle rostlá NCD vrstva – modré body a 3) tenká amorfní vrstva DLC - zelené body. Příslušné teoretické křivky s optimálně určenými elastickými konstantami jsou zobrazeny plnou čarou s uvedením konkrétních vyhodnocených hodnot hledaných parametrů. Je patrné, že výsledek je silně závislý na orientaci substrátu a to nejen na orientaci řezu krystalu, ale i na směru šíření SAW vůči krystalografickým směrům. Typické pole posuvů, určené z matematického modelu šíření SAW, je patrné z obrázku vpravo.
Kontaktní osoba: Ing. Michal Landa, CSc., 266053672, ml@it.cas.cz
2.15 Matematické a experimentální modelování proudění tekutiny v interakci s kmitajícími hlasivkami
(Ústav termomechaniky)
Byly vytvořeny konečnoprvkové a konečnoobjemové modely pro numerické simulace proudění v mezihlasivkové štěrbině popsaného Navier-Stokesovými rovnicemi v kanálu, který zjednodušeně modeluje vokální trakt člověka. Modely respektují interakci proudu vzduchu s kmitajícími hlasivkami, modelují vliv ventrikulárních řas a fyziologicky odpovídají skutečnosti, a to jak geometrickými, tak fyzikálními parametry. Přestože, ve výpočtech je uvažován dokonale symetrický kanál, proudění je výrazně nesymetrické s výskytem velkých vírů o rozměrech srovnatelných s průřezem kanálu. Tyto víry se tvoří v úplavu za kmitajícími hlasivkami a pomalu se šíří modelem vokálního traktu. V proudovém poli je patrný Coandův efekt, kdy hlavní proud vzduchu se na hlasivkách náhodně ohýbá v jednom i v druhém směru.
Numerické simulace modelují i samobuzené rozkmitání hlasivek proudem vzduchu z plic člověka. Výsledky udávají minimální subglottické tlaky a průtočná množství vzduchu nutná pro vznik fonace, tzv. práh fonace, což je klinicky důležitá charakteristika hlasu člověka. Výsledné parametry proudění pro práh i frekvenci fonace dobře odpovídají hodnotám fyziologických dat pro fonaci mužů i žen. Metoda umožňuje modelovat vlivy tvaru a velikosti hlasivek na práh fonace.
Výsledky numerických simulací byly ověřeny experimentálně metodou PIV na fyzikálních modelech hlasivek i vokálního traktu. Analýza naměřených dat byla zaměřena jak na pozici bodu odtržení proudění na povrchu kmitajících hlasivek, tak na vyhodnocení rychlostních polí za hlasivkami. Výsledky výpočtů se kvalitativně podobají koherentním strukturám naměřeným metodou PIV. Struktura proudění v této oblasti je rozhodující pro generaci akustického signálu jako zdroje hlasu člověka.
Punčochářová, P. – Furst, J. – Horáček, J. – Kozel, K.: Numerical solutions of unsteady flows with low inlet Mach numbers. Mathematics and Computers in Simulation. Roč. 80, č. 8 (2010), s. 1795-1805
Sváček, P. – Horáček, J.: Numerical approximations of flow induced vibration of vocal folds. The refereed proceedings of BAIL 2010 - Boundary and Interior Layers. Springer series Lecture Notes in Computational Science and Engineering. 8 s. (v tisku).
Šidlof, P. – Doaré, O. – Cadot, O. – Chaigne, A.: Measurement of flow separation in a human vocal folds model. Experiments in Fluids. DOI 10.1007/s00348-010-1031-9 (v tisku).
Vypočtené a naměřené nestacionární rychlostní proudové pole v modelu mezihlasivkové štěrbiny v blízkosti kmitajících hlasivek
Vypočtené izočáry proudového rychlostního pole v daném časovém okamžiku periodických kmitů hlasivek (horní obrázek) a metodou PIV zviditelněné proudnice a vířivost proudového pole naměřené v oblasti glottis za silikonovým modelem samobuzeně kmitajících lidských hlasivek v proudu vzduchu (spodní obrázek).
Kontaktní osoba: Ing. Jaromír Horáček, DrSc., 266053125, jaromirh@it.cas.cz
