Laboratoř inteligentních materiálů a struktur (LIMS)

Hlavní cíle a aktivity

V Laboratoři inteligentních materiálů a struktur (LIMS) zkoumáme, jak mikroskopické uspořádání materiálu určuje jeho elektrické, mechanické a optické vlastnosti. Hledáme fyzikální principy, které umožní navrhovat nové funkční struktury a lépe charakterizovat jejich chování.

Věnujeme se základnímu výzkumu dielektrických, piezoelektrických a feroelektrických materiálů. Spojujeme analytické modelování a numerické simulace s vývojem experimentálních metod. Zkoumáme zejména doménové struktury, vazby mezi elektrickými a mechanickými jevy a vlastnosti rozhraní. Důraz klademe na fyzikální porozumění, ověřování modelů a hledání původních mezioborových témat.

Odborné zaměření

• Výpočetní materiálový výzkum. Termodynamické a phase-field modelování feroelektrik, pohybu doménových stěn a jejich interakcí s defekty. Studium vztahů mezi mikrostrukturou, stárnutím materiálu a jeho nelineární dielektrickou odezvou.
• Rozhraní pevných látek a elektrolytů. Modelování elektrické dvojvrstvy, rozložení iontů a vazeb mezi polarizací, povrchovým nábojem a elektrochemickými ději. Vývoj nelineárních dielektrických a optických metod pro jejich charakterizaci.
• Výpočetní optika a zobrazování. Digitální holografie a tomografická rekonstrukce doménových struktur v průhledných krystalech. Modelování šíření světla a návrh rekonstrukčních algoritmů se zahrnutím lomu. Numerická interpretace experimentů ultrarychlé akustiky v tenkých vrstvách.
• Piezoelektrické systémy a akustické metamateriály. Výzkum převodníků propojených s elektronickými obvody, řízení jejich mechanické odezvy a ladění akustické impedance pro potlačování hluku a vibrací.
• Feroelektrické polovodičové struktury. Modelování součástek s feroelektrickými vrstvami a doménami, studium záporné kapacity a možností jejího využití v tranzistorech a analogovém počítání.
• Elektromechanické jevy v biologickém prostředí. Výzkum piezoelektrických a flexoelektrických mechanismů a interakcí funkčních povrchů s elektrolyty. Dlouhodobou motivací je porozumění biologickým procesům a návrh materiálů pro biomedicínské aplikace.

Metody, vývojové nástroje a experimentální zázemí

Základem naší práce jsou modely odvozené z rovnovážné a nerovnovážné termodynamiky, elektrostatiky, mechaniky a transportních dějů. Používáme metodu konečných prvků, metodu konečných diferencí a phase-field simulace. Výpočty porovnáváme s analytickými výsledky a experimentálními daty.

Experimentální práce využívá zázemí TUL pro elektrická, impedanční a piezoelektrická měření a pro přípravu vlastních měřicích přípravků. Optické metody rozvíjíme ve spolupráci s Laboratoří optických metod měření a centrem TOPTEC Ústavu fyziky plazmatu AV ČR. Ramanova spektroskopie a další specializovaná charakterizace v aktuálním projektu jsou zajišťovány ve spolupráci s Fyzikálním ústavem AV ČR. Integrovaná aparatura propojující dielektrická měření s povrchovou plazmonovou rezonancí je předmětem probíhajícího vývoje.

Expertní činnost a možnosti vědecké spolupráce

• Tvorba a fyzikální interpretace analytických a numerických modelů funkčních materiálů.
• Analýza nelineárních dielektrických dat a mechanismů ovlivňujících odezvu materiálu.
• Modelování piezoelektrických převodníků a jejich vazby na elektronické obvody.
• Vývoj výpočetních postupů pro optické zobrazování, tomografii a charakterizaci rozhraní.
• Společné základní výzkumné projekty, odborné konzultace a vedení studentských prací.

Spolupráci rozvíjíme především s akademickými a výzkumnými pracovišti. Vycházíme z dlouhodobých vědeckých otázek a hledáme souvislosti mezi materiálovou fyzikou, optikou, elektronikou, elektrochemií a biofyzikou.

Tým a kontakt

Vedoucí laboratoře: prof. Ing. Pavel Mokrý, Ph.D.

Probíhající výzkumné projekty

GAČR 26-22841S — Advanced Characterization of Solid-Liquid Interfaces: Integrating Nonlinear Dielectric and Optical Sensing Techniques

Projekt zkoumá rozhraní mezi pevnou látkou a kapalným elektrolytem, zejména u piezoelektrických oxidů a polárních dielektrik. Cílem je lépe popsat elektrickou dvojvrstvu a určit parametry její kompaktní Sternovy vrstvy, které se obtížně získávají běžnými měřeními.

Doba řešení

1. ledna 2026 – 31. prosince 2028.

Příjemce

Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i.; hlavní řešitel Jan Pokorný.

Spoluřešitelská instituce

Technická univerzita v Liberci; řešitel za TUL Pavel Mokrý.

Poskytovatel podpory

Grantová agentura České republiky.

Výzkum propojuje tři směry

1. Modelování rozhraní: rozložení iontů se zohledněním jejich konečné velikosti, elektrických okrajových podmínek a elektrochemické dynamiky.
2. Nelineární dielektrická charakterizace: analýza odezvy při změnách amplitudy napětí, stejnosměrného předpětí a tloušťky elektrolytu s cílem určit vlastnosti mezifázových vrstev.
3. Optická charakterizace: vývoj měření využívajících povrchovou plazmonovou rezonanci (SPR) a Ramanovu spektroskopii jako vzájemně se doplňující zdroje informací o rozhraní.

LIMS přispívá zejména modelováním, návrhem dielektrických metod a vývojem SPR uspořádání. Projekt má přinést nové poznatky a charakterizační postupy využitelné v navazujícím výzkumu elektrochemických zařízení, senzorů a funkčních povrchů.

Oficiální údaje o projektu na webu FM TUL

Výzkumná spolupráce

• Laboratoř optických metod měření, FM TUL: digitální holografie, optické zobrazování a charakterizace akustických a materiálových systémů; spolupráce s týmem Pavla Psoty.
• TOPTEC, Ústav fyziky plazmatu AV ČR: výpočetní optika, optické měřicí metody a optoelektronické systémy.
• Fyzikální ústav AV ČR: fyzika dielektrik, příprava a charakterizace materiálů a společný projekt rozhraní pevných látek a kapalin.
• NTNU, Trondheim, Norsko: spolupráce se skupinou FACET Julie Glaum v oblasti piezoelektrických materiálů, interakcí s kapalným prostředím a biomedicínsky motivovaného výzkumu; výzkumné pobyty studentů.
• Fakulta zdravotnických studií TUL: rozvíjení mezioborové spolupráce v tématech materiálů a biologického prostředí.