Výzkum této živé laboratoře bude zaměřen především na design, výrobu, charakterizaci a aplikace široké škály materiálů využitelných v oblastech životního prostředí (čištění vod a ovzduší, katalýza), elektrotechniky, biomedicíny, stavebnictví, strojírenství, biotechnologií či využití solární energie.
V rámci živé laboratoře bude vybudováno nejvýkonnější mikroskopické centrum v ČR pro popis strukturních a fyzikálně-chemických vlastností materiálů na atomární úrovni nebo laboratoř depozičních technik umožňujících výrobu vrstev a nanomateriálů s atomární přesností.
Cílem výzkumného programu je výběr vhodných nových materiálů určených pro akumulaci energie, konverzi sluneční energie a plazmonické aplikace a účinných sorpčních materiálů pro čištění životního prostředí. Dalším cílem je detailní popis vlastností vybraných materiálů pro pochopení vazeb mezi strukturou a vlastnostmi, který povede k racionálnímu návrhu optimalizovaných materiálů pro uvedené aplikace. Během řešení projektu bude vytvořeno jasné work-flow se zpětnovazebnou smyčkou, které bude moci být v budoucnu aplikováno na návrh materiálů s požadovanými vlastnostmi pro cílené aplikace. Z metodologického hlediska očekáváme, že během řešení projektu získáme dostatek informací k posouzení kvality používaných teoretických metod a aproximací, stejně jako ke vhodnosti používaných modelů. Dalším cílem je tedy i výběr vhodných teoretických metod a modelů, které mohou být rutinně nasazovány v oblasti cíleného designu nových materiálů.
Cílem výzkumného programu je příprava nových (nano)materiálů inovativním přístupem, kdy jsou nejdříve nové materiály definovaných vlastností a požadované funkcionality vyhledávány a designovány pomocí teoretických výpočtu a následně syntetizovány pomocí pokročilých syntetických a depozičních technik, kterými budou ALD, magnetronové plazmatické naprašování, CVD, metody exfoliace a syntézy materiálu hydrotermálními technikami a v mikrovlnném poli. Požadavkem je reprodukovatelná příprava vysoce aktivních a stabilních (nano)materiálů pro aplikace získávání energie z obnovitelných zdrojů, nové typy (foto)katalyzátorů pro (foto)elektrochemii a organickou syntézu a materiály pro environmentální aplikace. Dalšími cíli bude propojení výpočetních metod pro prvotní návrh ideálního materiálu pro danou aplikaci a její následnou přípravu a v neposlední řadě také transfer těchto technologií u nejvhodnějších materiálů přes přípravu větších množství nebo depozice na větší plochy substrátů do poloprovozních až průmyslových měřítek výroby.
Cílem výzkumného programu je detailní popis strukturních a fyzikálně-chemických vlastností nových materiálů s možností unikátně přesného chemického a strukturního mapování na atomární úrovni. VP přinese klíčové informace pro další design nové generace materiálů a pro optimalizaci a scale up materiálů, které budou využívány pro získávání energie (fotovoltaicky aktivní materiály, materiály plnící funkci fotokatalyzátorů a fotoelektrod pro produkci vodíku přímým solárním štěpením vody, materiály pro transformaci odpadního CO2 na chemikálie s vyšší přidanou hodnotou metodou, materiály pro solární koncentrátory, solární cely, plazmonické materiály), pro moderní metody uchovávání energie (různé typy baterií, superkondenzátory, atd.) a pro pokročilé environmentální a katalytické technologie či technologie čištění vod. Pořízené charakterizační techniky budou cenné i pro spolupráci s průmyslovými partnery. Očekává se jejich rozsáhlé využití i po skončení projektu.
Výzkumný program bude zaměřen na vývoj nových nano- a biotechnologií pro čištění vod a kultivaci krajiny po uhelné těžbě. Pozornost bude zaměřena na nové technologie pro čištění a úpravu důlních, odpadních a podzemních vod a řešení starých ekologických zátěží. Součástí VP bude výzkum nových typů katalyzátorů (single atom catalysts, nanokatalyzátory) pro ekologicky šetrné a účinnější chemické výroby a pro aplikace v oblasti odstraňování emisí (COx, NOx) a skleníkových plynů, v úzké spolupráci s Energy Lab. Budou také vyvíjeny nové typy recyklovatelných sorbentů na bázi nanomateriálů pro vysoce účinné selektivní čištění odpadních vod či znovuzískávání vzácných kovů.
V rámci výzkumného programu budou navrženy, syntetizovány, charakterizovány a v praktických aplikacích testovány zejména následující kategorie materiálů:
V rámci výzkumného programu budou vyvinuty pokročilé a udržitelné materiály fungující jako (foto)-(elektro)-katalyzátory pro účinný sběr slunečního záření a jeho přeměnu na další zdroje udržitelné energie, jako je fotovoltaická elektřina, fotokatalytický a fotoelektrochemický vodík a uhlovodíky a chemikálie s vysokou přidanou hodnotou. Stejně tak se projekt zaměří na vývoj nových aktivních materiálů používaných jako elektrody pro post-lithiové EES. V obou aplikacích se vědci zaměří na využití nekritických a dostupných kovů. V případě získávání energie se jedná o titan, železo, měď, kobalt a podobně ve formě oxidů, sulfidů, selenidů, telluridů a nitridů a v případě EES sodík, draslík, zinek a hliník.
Výzkumný program bude zaměřen na vývoj progresivních technologií přípravy materiálů zejména ze skupiny komplexně koncentrovaných slitin (CCA) pro náročné konstrukční aplikace například v oblasti ukládání, skladování a transportu alternativních paliv. Tyto materiály budou připravovány ve formě odlitků i v práškové formě s navazujícím zpracováním aditivními výrobními procesy. Výzkum obsáhne celý komplex aktivit od procesu přípravy materiálů přes vývoj vhodného typu mikrostruktury tepelným zpracováním až po studium materiálových a mechanických vlastností především za zvýšených teplot. Hrubozrnná struktura odlévaných slitin bude zjemněna během jejich tváření za tepla a za studena. Budou stanoveny vztahy mezi mikrostrukturou, mechanickými vlastnostmi a deformačním chováním. Jedním z cílů bude také výzkum vlivu vodíku na mechanické vlastnosti a deformační chování vybraných komplexně koncentrovaných slitin a intermetalických slitin.
Slitiny ze systému Cr-Co-Ni-X-(Al, Ti, Nb, Ta) budou připraveny technikou VIM z čistých kovů s následným odstředivým odléváním do keramických forem. Návrh slitin bude podpoří termodynamické výpočty a výpočty fázových diagramů pro vícesložkové systémy pomocí softwaru Thermo-Calc a CALPHAD a studium reologických vlastností daných slitin. Vybrané slitiny v práškové formě pro aditivní výrobu (metoda SLM) nebo injekční vstřikování kovů budou získány atomizací taveniny plynem.
Parametry tváření odlévaných materiálů budou predikovány numerickým modelováním a experimentálně optimalizovány simulačními experimenty. Experimenty tváření za tepla a za studena mají za cíl připravit vysoce pevné slitiny s požadovanou reprodukovatelnou velikostí zrna.
Tepelné zpracování bude sestávat z rozpouštěcího žíhání, kalení a precipitačního vytvrzování. Rovněž budou prováděny dodatečné žíhací operace za účelem modifikace velikosti a objemového podílu precipitátů
Chování při tuhnutí a fázové transformaci v pevné fázi budou studovány pomocí metod DTA, DSC a kalení během techniky směrové krystalizace (QDS). Chemické složení bude stanoveno technikami EDS, WDS, XRF a OES. Mikrostruktura bude analyzována pomocí LOM, EBSD, SEM/FIB a TEM. Fázové složení bude studováno pomocí XRD.
Vliv mikrostruktury na mechanické vlastnosti bude zkoumán stanovením nanotvrdosti, mikrotvrdosti a tvrdosti, pomocí tahových zkoušek za pokojových i zvýšených teplot, dynamická lomová houževnatost bude hodnocena pomocí Charpyho rázových zkoušek při teplotách do -80 °C.
Analytické metody a simulace MKP budou použity pro modelování chování slitin v tahu, kvazistatickém tříbodovém ohybu a rázové houževnatosti. Numerické modelování pomocí MKP bude použito k predikci deformačního chování slitin a optimalizaci parametrů tváření.