Vedoucí týmu: prof. Ing. Václav Švorčík, DrSc.

                                   ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0580-959X

Klíčový pracovník: doc. Mgr. O. Lyutakov, Ph.D.

                                            ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8781-9796

Vědečtí pracovníci: Mgr. E. Miliutina, Ph.D.
                                   Mgr. V. Burtsev, Ph.D.
                                   Mgr. R. Elashnikov, PhD.
                                   Mgr. P. Postnikov, Ph.D.                                                      

Postdoktorandi: Ing. A. Trelin, Ph.D.
                              Mgr. V. Buravet, Ph.D.
                              Mgr. M. Erzina, Ph.D.

Doktorandi: Ing. K. Kukrálová
                       Ing. K. Severa
                       Ing. J. Rosenkranzová
                       Ing. F. Hošek 
                       Ing. O. Gorin
                       Ing. D. Haluška
                       Ing. F. Hošek
                       Ing. T. Chvojka
                       Ing. T. Jílková
                       Ing. O. Marchenko
                       Ing. V. Shilenko
                       Ing. A. Tulupová
                       Ing. M. Tomanová                                                            
                                                                                                                 
Další zaměstnanci: Bc. A. Aivazian
                                  Bc. I. Kirishiantsev
                                  Bc. S. Charvat
                                  Bc. E. Kublii

Výzkumná zaměření naší skupiny

1) Příprava H₂ štěpením vody aktivovaná sluncem

   Energetika na bázi alternativních zdrojů v poslední době sleduje využití především „zeleného“ vodíku jako zdroje energie, a to z důvodu vysoké energetické kapacity, která násobně převyšuje klasická fosilní paliva, vysoké ekologické kompatibility a možnosti „vyhnout“ se emisím uhlíkových sloučenin.

Navržené povlaky se uplatní v přípravě katalytických vrstev pro elektrochemické nebo foto-elektrochemické štěpení vody a přípravu/výrobu „zeleného“ vodíku.

2) Bezpečné ukládání H₂ do organických struktur

   Vodíkové technologie jsou do velké míry omezeny doposud nevyřešenými problémy. Zásadní je bezpečné skladování vodíku. V současné době se skladuje buď stlačený vodík nebo v intermetalických sloučeninách, kde se vodík navazuje chemicky. 

   My studujeme možnost ukládání vodíku v organických strukturách typu MOF a COF (metal organic framework a covalent organic framerwork), tj. skladování vodíku pomocí přípravy inteligentních a vysoce porézních struktur. V obou případech (MOF a COF) bude využita možnost externě řízeného spínání afinity materiálů vůči vodíku. To umožní kombinovat vysokou kapacitu materiálů s následným snadným uvolňováním vodíku. Cílem je vývoj materiálů a metod schopných přispět k řešení základních problémů v ukládání a transportu vodíku – dosažení vysoké kapacity v kombinací s bezpečným ukládáním a snadným uvolněním vodíku.

3) Příprava NH₃ z vody a vzdušného N₂ aktivovaná sluncem

   Jedním z nejatraktivnějších řešení současné energetiky je použití amoniaku jako přirozeného nosiče zeleného vodíku. Stejně jako vodík, i čistý amoniak může být vytvořen reakcí „štěpení“ vody za přítomnosti dusíku s použitím elektrochemických nebo foto-elektrochemických postupů. Ve výsledku vzniká látka, která je snadno skladovatelná a transportovatelná a ze které lze relativně snadno „zelený vodík„ opět uvolnit a použít. Tímto způsobem lze obejít jeden ze zásadních problémů vodíkové technologie – jeho skladování a transport. Právě proto se zelené technologie na bázi amoniaku považují za budoucnost zelené energetiky a jejich vývoj exponenciálně vzrůstá.

4) Příprava alkoholů a karbonátů z CO₂ aktivovaná sluncem

   Ze všech různých skleníkových plynů, které přispívají ke změně klimatu, má dle studií největší vliv na naše klima oxid uhličitý (CO₂), který vytváří skleníkový efekt, jenž zadržuje tepelné záření v zemské atmosféře, zvyšuje teplotu a podporuje takové jevy, jako je tání ledovců, zvyšování hladiny oceánů, úbytek původní vegetace a mnoho dalších. Přeměna CO₂ na důležité chemikálie je účinným nástrojem pro snižování negativního dopadu lidské činnosti na životní prostředí. V poslední době se studují možnosti využití alkoholů jako paliva do palivových článků. Proto studujeme možnost přípravy materiálových struktur, které po expozici slunečním světlem v přítomnosti vody produkují alkohol na principu tzn. „umělé fotosyntézy“ (Z-schéma).

 Studujeme aktivaci CO₂ s pomocí plazmonů při teplotách výrazně pod nulou (zvýšení koncentrace CO₂ v reakčním médiu za snížené teploty). Aktivace CO₂ pomocí plazmonů při nízkých teplotách umožňuje využití „pouze“ energie slunečního záření, což je důležité na některých neobvyklých místech (např. v polárních oblastech nebo oblastech Evropy či Severní Ameriky, kde nejsou k dispozici jiné zdroje energie). Vzhledem k globálnímu růstu lidské populace, vyčerpání neobnovitelných zdrojů a velkému množství slunečního světla v polárních oblastech po část roku, může být navrhovaný přístup zajímavý v budoucnosti. Konkrétně studujeme syntézu např. monomerů z CO₂ (vycházíme z epoxidů) pro následnou přípravu polymerů (např. karbonátů) i za nízkých teplot.

5) Chirální nanomateriály

   Chiralita je základní vlastností vesmíru, která se projevuje na úrovni galaxií a organických molekul. V poslední době se chiralita objevila také v designu nanomateriálů. Jedná se o materiály se specifickou morfologií a/nebo strukturou, která je zodpovědná za jejich jedinečné interakce s fotony i elektrony. Chirální nanomateriály jsou v raných fázích svého vývoje a očekává se, že najdou uplatnění v katalýze, detekci a možná i v široké škále optoelektronických zařízení, včetně spinových ventilů, kvantových počítačů a pokročilých pamětí. To již bylo potvrzeno v několika publikacích významných výzkumných skupin. Příklady chirálních nanomateriálů, které se v současné době syntetizují a používají, jsou uvedeny na obrázku níže.

6) 2D materiály a jejích aplikace: MXeny a TMDC

   Syntéza a použití 2D materiálů je v současnosti jedním z nejpopulárnějších trendů v materiálovém inženýrství. „Rodina“ 2D materiálů kombinuje obrovskou rozmanitost chemických struktur s unikátním poměrem povrchu k objemu, což vysvětluje širokou škálu aplikací 2D materiálů - od katalýzy a optoelektroniky až po použití v biomedicíně. V naší skupině jsme vyvinuli několik unikátních postupů syntézy nanomateriálů a jejich post-syntetickou modifikaci, což nám umožnilo získat nové 2D materiály, zjednodušit jejich laboratorní metody přípravy, výrazně rozšířit funkcionalitu nanomateriálů a zlepšit jejich stabilitu. Zaměřujeme se především na přípravu a aplikaci MXenů a TMDCs, a jejích hybridů - nejslibnějších skupin 2D materiálů.

7) Chytré antimikrobiální materiály

   Vývoj moderní medicíny je založen na širokém používání antibiotik, která se postupně dostávají do životního prostředí a vedou ke vzniku rezistentních bakteriálních kmenů. Tento jev je v dnešní době skutečně závažný problém, který může vést ke kolapsu tradiční antibiotické medicíny. Pro zabránění takovému katastrofickému scénáři je nutné zavést alternativní materiály schopné poskytnout pokročilá antimikrobiální řešení. Naše skupina navrhuje, připravuje a aplikuje chytré antimikrobiální materiály. Tyto materiály jsou schopny detekovat přítomnost bakterií a v jejich přítomnosti se samy aktivovat, což umožňuje cílené uvolňování antimikrobiálních látek ve správný čas a na správném místě. Po zničení bakterií se materiál automaticky vrátí do neaktivního stavu, čímž se zabrání nežádoucímu uvolňování antimikrobiálních látek a celkově se zvýší funkční stabilita materiálu.

 8) Pokročilé materiály pro regenerativní medicínu a cílenou dopravu léků

   Naše skupina se také aktivně zabývá vývojem nových materiálů pro regenerativní medicínu a cílené podávání léků. Konkrétně se jedná o: 

• potahování implantátů nanomateriály se specifickými vlastnostmi, které zvyšují adhezi a proliferaci buněk, 
• přípravu a použití specifických polymerních kompozitů s programovatelnými vlastnostmi pro vytváření materiálů, které kombinují biokompatibilitu a antimikrobiální vlastnosti pro zabránění  vzniku bakteriálních infekcí během medicínských zásahů,
• studium chirálních povrchů pro biomedicínské aplikace, včetně vlivu chirální morfologie na urovni interakcí molekula-nanomaterial,
• studium specifických povlaků s bioinspirovanou geometrií na povrchu 3D implantátů pro jejich aplikaci v regenerativní medicině,
• vývoj a využití "virorus-like" struktur k překonání mozkové bariéry (BBB – blood brain barrier) a léčbě mozkových onemocnění.

 9) Povrchově zesílená Ramanova spektroskopie pro identifikaci zakázaných a nebezpečných látek

   Povrchově zesílená Ramanova spektroskopie je detekční technika schopná identifikovat přítomnost i jedné molekuly. Tato analytická technika nabízí jedinečné možnosti pro detekci zakázaných látek (např. narkotik) nebo nežádoucích látek (organických kontaminantů, jako jsou antibiotika, pesticidy atd.). Naše skupina aktivně vyvíjí substráty pro povrchově zesílenou Ramanovu spektroskopii, modifikuje jejich povrchové vlastnosti a povrchovou chemii pro dosažení specifické interakce s cílovými analyty a používá námi připravené struktury a postupy pro detekci zakázaných látek, nežádoucích látek a markerů onemocnění. Také se aktivně zabýváme výzkumem a vývojem kombinace povrchově zesílené Ramanové spektroskopie s mikrofluidními a nanofluidními a dalšími senzorickými prvky pro jejich následné zavedení do spolehlivého on-line monitoringu životního prostředí.

10) Použití AI algoritmu v medicíně, bezpečností a forenzní analýze

   Naše skupina aktivně vyvíjí senzory založené na povrchově aktivní Ramanově spektroskopii, elektrochemii nebo plazmon-aktivních optických vláknech. Mnoho z těchto sensorů vykazuje vynikající výsledky v laboratorních studiích modelových systémů. Při použití senzorů v reálných podmínkách však vzniká problém interference analytických signálů. Reálné systémy obsahují miliony „vedlejších“ molekul a na jejich pozadí je nutné identifikovat přítomnost nebo koncentraci pouze několika cílových molekul, což výrazně komplikuje odezvu získanou senzorem. Abychom tento problém překonali, aktivně vyvíjíme využití umělé inteligence pro zpracování analytického signálu a získávání spolehlivých informací ze senzoru. Hlavním zaměřením našeho výzkumu je implementace algoritmů umělé inteligence v kombinaci s Ramanovou spektroskopií a elektrochemií pro detekci léčiv, markerů onemocnění a rychlou analýzu biologických vzorků (buňky, bakterie, viry, krevní plazma atd.).

11) Bezpečnost – vývoj senzorických prvků pro hasičské obleky a neprůstřelné vesty

   V neposlední řadě výsledné materiály a struktury využíváme v oblasti bezpečnosti. Konkrétně se jedná o kombinaci materiálů, metod a technik (popsaných výše) pro:

• detekci drog v reálných podmínkách. Vytvořili jsme a postupně optimalizujeme a zavadíme do praxe zařízení pro analýzu vzduchu z přepravních kontejnerů. Navrhované zařízení umožňuje expresní detekci omamných a psychotropních látek bez nutnosti otevírání kontejnerů, což celníkům umožňuje výrazně zvýšit počet kontrolovaných kontejnerů (více než 100-krát),
• detekci krve pomocí inteligentních systémů integrovaných do neprůstřelných vest. Zařízení umožňuje online sledování stavu nositele a určuje jak potenciální zranění, tak jeho závažnost,
• detekci karcinogenních látek na hasičských oblecích. Tato studie souvisí s vysokou úmrtností profesionálních hasičů na rakovinu. Výzkum ukázal, že kontaminace hasičských obleků je hlavním zdrojem karcinogenních látek. Abychom tento problém vyřešili, v současné době vyvíjíme jednoduché senzory, které umožní okamžitou identifikaci sorpce karcinogenních látek na povrch obleku během hašení požáru.

Řešené projekty:

1) OP JAK, JAK_Amulet, No. CZ.02.01.01/00/22_008/0004558 (2024-2028)
    Název: Pokročilé víceškálové materiály pro nosné klíčové technologie
    Vedoucí WP: V. Švorčík
    Klíčový vědecký pracovník: O. Lyutakov 

2) OP JAK, JAK_ECO&Stor, No. CZ02.01.01/00/22_008/0004617 (2024-2028)
    Název: Konverze a skladování energie
    Klíčový vědecký pracovník: V. Švorčík, O. Lyutakov

3) TAČR, TS01030138, (Théta 2) (2024-2029)
     Název: Vývoj pokročilých fotokatalytických technologií pro nízkoenergetickou akumulaci a zpětnou konverzi
     energie ze „zeleného vodíku“ prostřednictvím amoniaku
     Řešitel: V. Švorčík
     Klíčový vědecký pracovník: O. Lyutakov

4) OP spravedlivá transformace, GET CENTRE UJEP, No. CZ.10.02.01/00/22_002/0000289 (2025-2027)
     Název: Výzkum a vývoj nových vodíkových technologií
     Spoluřešitel za VŠCHT: V. Švorčík
     Klíčový vědecký pracovník: O. Lyutakov

5) Ministerstvo průmyslu a obchodu, CZ.01.01.01/01/22_002/0006812
    Název: FireSafeProtect - Chytrý hasičský zásahový oděv s detekcí karcinogenů a systém údržby  oděvu pro
    ochranu zdraví hasičů
    Hlavní řešitel za VŠCHT: V. Švorčík
    Klíčový vědecký pracovník: O. Lyutakov 

6) Ministerstvo vnitra, VS OPSEC, VK01020078
    Název: Chytrý systém pro nositelné ochranné pomůcky umožňující dohled a plánování policejních a   
    armádních zásahů
    Hlavní řešitel za VŠCHT: V. Švorčík

7) Grantová agentura České republiky, 26-21031S
     Název: Novel MXene-based composite nanomaterials for tissue engineering
     Hlavní řešitel za VŠCHT: V. Švorčík

8) Grantová agentura České republiky, 26-22285S
     Název: Operation induced re-arrangement of transition metal sulfides surface(s) for in-situ functionality
     improvement
     Hlavní řešitel za VŠCHT: E. Miliutina

9) Grantová agentura České republiky, 26-21905S
     Název: Chirality engineering in 2D TMDCs via helicene functionalization: a route to high-performance
     chiroptical devices
     Hlavní řešitel za VŠCHT: O. Lyutakov

10) Southeast Asia – Europe, WPlast2H2
       Název: Circular economy for waste to energy conversion: local plastic waste upcycling to multifunctional
       catalysts for green H2 generation
       Koordinátor za VŠCHT: O. Lyutakov