Nanoskopický přenos tepla
Nanoskopický přenos tepla hraje důležitou roli např. v mikroelektronice, molekulárních motorech, na rozhraní tlakových vln v energetických materiálech či problematice nanorozhraní. Teplotní gradienty doprovázející nanoskopický přenos tepla jsou v rozsahu od 106 do 108 K/m a závisí na celé škále nerovnovážných procesů. Popis a kvantifikace nerovnovážných procesů související s nanoskopickým přenosem tepla jsou klíčové pro porozumění např. vlivu drsnosti materiálů na povrchový přenos tepla či tepelně iniciované reakce v energetických materiálech. Pracujeme na vývoji obecné a flexibilní metodologie založené na mesoskopických modelech a disipativní částicové dynamice, která umožní modelovat časový vývoj mikrostruktury, lokální termodynamiky a složení v systémech s teplotním gradientem.
Tekutiny v nanoprostoru
Fázové, difuzní a transportní chování tekutin v nanoskopicky omezeném prostoru (hydrofilní mikropóry) nebo na rozhraní povrchů např. grafenu se výrazně liší od chování v objemové fázi. Tato výrazná a často kontraintuivní změna chování tekutin v nanoprostoru je způsobena dominantním efektem interakcí mezi molekulami tekutiny a atomy povrchu. Výsledkem interakcí molekuly tekutiny-atomy povrchu je prostorová nehomogenita hustoty systému, existence specifických fázových přechodů, redukce difuze a transportu např. vodných roztoků na rozhraní hydrofilních povrchů, či naopak výrazný nárůst difuze a transportu např. vody v karbonových nanotrubičkách. Pomocí molekulární dynamiky a Monte Carlo simulací se snažíme pochopit, popsat a kvantifikovat vliv nanoprostoru a charakteru interakcí molekuly tekutiny-atomy povrchu na fázové, difuzní a transportní chování tekutin v nanoprostoru. Chování tekutin v nanoprostoru má úzkou vazbu na nanotechnologické obory pracující s porézními materiály či s modifikovanými povrchy.
Mechanika granulárních materiálů
Přírodní katastrofy, jako jsou zemětřesení (skluz na geologických zlomech), sesuvy půdy nebo zvodnění půdy, jsou z mechanického pohledu granulární systémy, které náhle přecházejí z mechanicky stabilního stavu do tekoucího stavu. Uplatňuje se přitom duální povaha granulárních materiálů, jako je např. jíl, suť, písek nebo bahno. Za určitých podmínek odolávají značným smykovým silám, než dojde k jejich deformaci, podobně jako tomu bývá u pevných krystalických materiálů. Naopak za jiných podmínek se chovají podobně jako kapaliny, které se vlivem smykových sil deformují viskózně. Četná pozorování ukazují, že k těmto katastrofám přednostně dochází v místech, kde jsou půdní podloží nebo zlom saturovány vodou. Voda je tedy považována za medium, které degraduje (smykovou) pevnost granulárních materiálů, a tím spouští nestabilní deformaci, ačkoliv mechanismus působení vody není zatím příliš objasněn. Navrhujeme proto fyzikální modely interakce vody a granulárního materiálu, které pomáhají vysvětlit pozorované deformace přírodních nebo experimentálních granulárních systémů.
Povrchové jevy na nanoskopicky modifikovaných površích
Nedávné experimentální studie prokázaly, že modifikace pevných povrchů může mít dramatický vliv na jejich smáčivé, termodynamické či optické účinky. Naší snahou je pochopit, popsat a na mikroskopické úrovni interpretovat vliv geometrické či chemické heterogenity pevných povrchů na adsorpční chování jednoduchých a komplexních tekutin. Orientujeme se přitom na takové modely substrátů, kde délková jednotka charakterizující jejich heterogenitu je na molekulární úrovni. To je dosud jen velmi málo prozkoumaná oblast výzkumu, jehož výsledky vykazují nejen významné kvantitativní, ale často i kvalitativní odchylky od makroskopických či mesoskopických přístupů. Kromě svého teoretického významu má tento výzkum i úzkou vazbu na moderní nanotechnologické obory vyvíjející modifikované (např. superhydrofobní) materiály.
Další témata výzkumu:
- Mesoskopické modelování samo-organizujících se polymerních struktur
Metodologie modelování reaktivních energetických materiálů
Navrhli jsme obecnou a flexibilní mesoskopickou simulační metodologii založenou na disipativní částicové dynamice, která umožňuje modelovat systémy s teplotním gradientem a chemickou reaktivitou. Metodologii jsme aplikovali na tepelně iniciované reakce v RDX energetickém materiálu. Mesoskopické modelování ukázalo, že tepelně iniciované reakce vedou k lokální dekompozici RDX krystalu za vzniku směsi plynů jako produktu. Studovali jsme různé scénáře RDX dekompozice, kde jsme měnili počáteční teplotu a detonační rychlost. Výsledkem je molekulární popis časového vývoje mikrostruktury, termodynamiky (lokální teplota a tlak) a složení v krystalech reaktivních energetických materiálů.Bonet Avalos, M. Lísal, J. P. Larentzos, J. K. Brennan, Generalised dissipative particle dynamics with energy conservation: Density- and temperature-dependent potentials. Phys. Chem. Chem. Phys. 21, 24891, 2019.
M. Lísal, J. P. Larentzos, M. S. Sellers, I. V. Schweigert, J. K. Brennan, Dissipative particle dynamics with reactions: Application to RDX decomposition. J. Chem. Phys. 151, 114112, 2019.
Molekulární popis elektrolytů v minerálních pórech a na rozhraní grafenových povrchů
Porozumění molekulárnímu chování elektrolytů (ionty rozpuštěné ve vodě) na rozhraní hydrofilních a hydrofobních povrchů hraje klíčovou roli např. v procesech hydraulického frakování břidlic nebo v aplikacích grafenu v elektrických dvouvrstvých kondenzátorech či membránách. Pomocí molekulární dynamiky jsme studovali adsorpční chování vodných roztoků s monovalentními a divalentními ionty solí na rozhraní povrchů montmorilonitu a grafenu. Zaměřili jsme se na vliv adsorbovaných iontů solí na strukturu a difuzi vody na rozhraní obou typů povrchů. Molekulární simulace přispěly k porozumění vysoké salinity vracející se vody při hydraulickém frakování břidlic nebo vlivu adsorbovaných iontů solí na redukci difuze vody na rozhraní grafenových povrchů.Dočkal, F. Moučka, M. Lísal, Molecular dynamics of graphene-electrolyte interface: Interfacial solution structure and molecular diffusion. J. Phys. Chem. C 123, 26379, 2019.
B. Planková, M. Lísal, Molecular dynamics of aqueous salt solutions in clay nanopores under the thermodynamic conditions of hydraulic fracturing: Interplay between solution structure and molecular diffusion. Fluid Phase Equilib. 505, 112355, 2020.
Mechanická teorie dynamicky aktivovaných zemětřesení
Skluz na geologických zlomech může být aktivován "dynamicky" pomocí seismických vln pocházejících od zemětřesení vzdáleného až tisíce kilometrů. Tento jev může vést k sekundárním zemětřesením, které se označují jako "dynamicky aktivovaná zemětřesení". Dochází k nim preferenčně na zlomech saturovaných vodou, neboť tlak tekutiny uvnitř pórů horniny snižuje její pevnost. Mechanismus, jakým seismické vlny zvyšuji tlak vody a jakým dochází k následné ztrátě pevnosti, však zatím nebyl objasněn. Zaměřujeme se proto na studium vzájemné interakce mezi zrny horniny a tekutinou uvnitř jejích pórů. Deformace materiálu působením seismických vln vede k deformaci pórů a změně tlaku tekutiny, a obráceně, změna tlaku uvnitř pórů vede k novému rozložení sil na zrna horniny. Výsledkem je nelineární dynamika zrn a tlaku tekutiny, které studujeme numericky pomocí metod diskrétních a konečných prvků. Výsledky vedou k vytvoření fyzikálního modelu stability zlomů, který je nezbytnou součástí katastrofických modelů pro předpověď a odhad seismických účinků.
Modifikovaná Kelvinova rovnice pro kapilární kondenzaci v nanoskopicky úzkých drážkách
Kapilární kondenzace uvnitř nanoskopicky úzkých drážek se řídí velmi odlišnými zákony, než je tomu v případě makroskopicky širokých pórů, kde velmi přesně platí klasická Kelvinova rovnice. Na základě statisticko-mechanických výpočtů se nám pro tyto případy podařilo odvodit modifikovanou Kelvinovu rovnici popisující podmínku fázového přechodu kondenzace, a to pomocí tzv. okrajového kontaktního úhlu qE charakterizujícího tvar menisku tekutiny v kondenzovaném stavu, který se obecně liší od odpovídajícího Youngova kontaktního úhlu q. Jedná se o fázový přechod prvního druhu, kromě speciálního případu, kdy q = q* 31o; v tomto případě vymizí energetická bariéra, která drží meniskus na hranách stěny, a přechod se stává spojitým. Tento úhel tedy představuje Goldstonův mód tohoto fázového přechodu - meniskus může zaujmout libovolnou polohu beze změny energie. Hodnota q* 31o Youngova úhlu je univerzální, stejná pro všechny tekutiny a materiály stěny a závisí pouze na geometrii výřezu.Al. Malijevský, A. O. Parry, Modified Kelvin equations for capillary condensation in narrow and wide Grooves. Phys. Rev. Lett. 120, 135701, 2018
Jméno a příjmení
E-mail
Telefon
Pozice
Vedoucí vědeckého oddělení, Vedoucí vědecký pracovník
Zástupce vedoucího vědeckého oddělení, Vědecký pracovník
Vedoucí vědecký pracovník