Prezenční studium

4 roky

prof. Ing. Martin Weiter, Ph.D.

Předseda :
prof. Ing. Martin Weiter, Ph.D.
Člen interní :
prof. Ing. Petr Ptáček, Ph.D.
prof. Ing. Jaromír Havlica, DrSc.
prof. Ing. Jozef Krajčovič, Ph.D.
doc. Ing. František Šoukal, Ph.D.
prof. Ing. Oldřich Zmeškal, CSc.
prof. RNDr. Vladimír Čech, Ph.D.
Člen externí :
doc. Tomáš Syrový
doc. Ing. Irena Kratochvílová, Ph.D.
prof. Ing. Jozef Vlček, Ph.D.
prof. RNDr. Pavla Rovnaníková, CSc.

Cílem doktorského studijního programu „Chemie, technologie a vlastností materiálů“ je vzdělávání a komplexní odborná příprava odborníků vysoce vzdělaných v tomto oboru, určených pro samostatnou tvůrčí, vědeckou a výzkumnou činnost. Obecný základ programu tvoří znalostmi z oblasti studia materiálových struktur a jejich chemických a fyzikálních vlastností, přičemž důraz je kladen na souvislosti mezi přípravou materiálů, jejich chemickým složením, strukturou a vlastnostmi materiálů. Zaměření na konkrétní materiály je dáno orientací výzkumné činnosti na fakultě, která je v rámci materiálového výzkumu realizována v rámci špičkově vybaveného Centra materiálového výzkumu a je fokusována jak na anorganické materiály (silikáty, keramika, kovy) tak i na pokročilé organické materiály pro organickou elektroniku a fotoniku a polymerní materiály.
Studijní program je zaměřen chemicko-technologicky, cílem programu je proto také předat absolventům teoretické i praktické zkušenosti s materiálově orientovanými chemickými technologiemi. Dalším cílem je studentům zprostředkovat a odborně zabezpečit krátkodobé i dlouhodobé pobyty na zahraničních institucích, kde budou mít možnost v rámci rozvíjení témat své dizertace spolupracovat se zahraničními odborníky. V neposlední řadě je cílem studia rozvíjet schopnosti studentů prezentovat a předávat získané poznatky v cizím jazyce a to jak formou publikování v zahraničních vědeckých časopisech, tak i aktivní účastí na konferencích. Dále se v návaznosti na Studijní a zkušební řád VUT předpokládá, že studenti budou participovat na výuce studentů. Jednat se bude především o semináře, výpočtová a laboratorní cvičení a konzultacích v rámci závěrečných prací mladších kolegů, čímž získají studenti pedagogickou praxi a zkušenost s odborným vedením studentů. Program tak připravuje vysoce kvalifikované odborníky jak pro výzkumné pozice ve výzkumně orientovaných institucích a univerzitách, tak i pro technologické a případně i manažerské pozice v materiálově a chemicky orientovaném průmyslu.

Absolventi doktorského programu Chemie, technologie a vlastnosti materiálů jsou vybaveni hlubokými experimentálními a teoretickými znalostmi z oblasti studia materiálových struktur, studia jejich chemických a fyzikálních vlastností a z nich vyplývajících požadavků na technologické zpracování pro konkrétní aplikace. Ovládají řadu metod pro přípravu a charakterizaci materiálů a to nejen v rovině teoretického popisu a laboratorního využití, ale jsou seznámeni také s praktikami jejich využití v praxi.
Doktorandi jsou vedeni k samostatnému tvůrčímu myšlení a technologické předvídavosti, což jim umožní řešit i technologické problémy v řadě provozů. Absolvent je schopen kritického myšlení jak při formulaci nových problémů, je schopen navrhovat metodiku a strategie při řešení problémů v praxi. Umí kriticky analyzovat a zhodnotit výsledky experimentální práce i teoretických studií. Systém povinně volitelných předmětů umožňuje přizpůsobení studia individuálnímu zaměření studenta a to zejména do oblastí silikátových a keramických materiálů, kovových materiálů a molekulárních a polymerních materiálů pro organickou elektroniku a fotoniku.
Absolvent je schopen komunikovat s odborníky v oblasti materiálového výzkumu včetně prezentace výsledků své činnosti na mezinárodních fórech. Díky úzkému spojení studia s výzkumnou činností mohou absolventi snadno nastupovat do pozic ve výzkumu a vývoji na vysokých školách, veřejných i soukromých výzkumných institucích či v oblasti firemního výzkumu. Vzhledem k povinné praxi v zahraničí a povinnosti prezentovat získané výsledky v zahraničních časopisech, se v těchto pozicích bez problémů uplatňují i v zahraničí. Absolventi jsou schopni pracovat jako vedoucí technologických týmů v chemických a průmyslových provozech, díky znalostí materiálových technologií se uplatní se rovněž i na dalších inženýrských a vedoucích pozicích v průmyslových podnicích. Získané znalosti umožňují absolventům zastávat manažerské a řídící funkce a to nejen v rámci svého oboru.

Jedná se o dlouhodobě uskutečňovaný studijní program, jehož absolventi nacházejí výborné uplatnění na trhu práce jak na výzkumných pozicích v rámci univerzit, ústavů AV ČR a výzkumných institucí (např. Polymer institute Brno, Výzkumný ústav maltovin, s. r. o., Výzkumný ústav organických syntéz, a. s.,), tak i v rámci technologických a manažerských pozic v materiálově a chemicky orientovaném průmyslu (např. SYNTHON, PRECHEZA, Českomoravský cement, a. s., HELUZ cihlářský průmysl, v. o. s., Continental Automotive Czech Republic a další).

Studijní povinnosti jsou obecně stanoveny ve třetí části Studijního a zkušebního řádu VUT v Brně a podrobněji specifikovány v odpovídající směrnicí fakulty. Specifické studijní povinnosti jsou určeny individuálním studijním plánem.
Student si zapíše a vykoná zkoušky v jednom povinném a minimálně ve dvou povinně volitelných předmětech, které si volí s ohledem na zaměření jeho disertační práce. Ke státní doktorské zkoušce se může student přihlásit až po vykonání všech zkoušek předepsaných jeho individuálním studijním plánem. Před státní doktorskou zkouškou student vypracuje pojednání k disertační práci, v níž detailně popíše cíle práce, důkladné zhodnocení stavu poznání v oblasti řešené disertace, případně charakteristiku metod, které hodlá při řešení uplatňovat. Obhajoba pojednání, které je oponováno, je součástí státní doktorské zkoušky. V další části zkoušky musí student prokázat hluboké teoretické znalosti v oboru. Státní doktorská zkouška probíhá ústní formou a je složena z tematických okruhů týkajících se povinného teoretického předmětu Fyzika a chemie materiálů a povinně volitelných předmětů.
K obhajobě disertační práce se student hlásí až po vykonání státní doktorské zkoušky a po splnění podmínek pro ukončení, jakými jsou účast na výuce, minimálně šesti měsíční studijní nebo pracovní stáž v zahraničí, alespoň jedna ústní prezentace práce v anglickém jazyce (konference, workshopy…) a splnění níže uvedených podmínek v oblasti tvůrčí činnosti.

Pravidla a podmínky vytváření individuálních studijních plánů jsou stanoveny Studijním a zkušebním řádem VUT, čl. 32 a blíže specifikovány odpovídající směrnicí fakulty. Oba tyto předpisy podrobně rozvádějí dále stručně uvedené pravidla a podmínky pro tvorbu studijních plánů.
Při nástupu do studia je stanoveno obsahové zaměření studia a související tvůrčí činnosti, určeny minimálně tři studijní předměty, které je student povinen absolvovat (povinným předmětem pro všechny studenty je předmět Fyzika a chemie materiálů), související činnosti (zahraniční případně i domácí stáže, účast na konferencích) a pedagogická praxe. Zároveň je určen časový plán všech aktivit pro první ročník s výhledem na další roky studia. Plnění individuálního studijního plánu je každoročně vyhodnocováno a aktualizováno studentem a školitelem, následně je projednán oborovou radou, která jej schvaluje.
Během prvních pěti semestrů skládá doktorand zkoušky z povinného a povinně volitelných předmětů a intenzivně se zabývá studiem a analýzou poznatků v oboru stanoveném tématem disertační práce a jejich publikováním. Nejpozději do konce třetího roku studia skládá doktorand státní doktorskou zkoušku, jíž prokazuje široký rozhled a hluboké znalosti v oboru, souvisejícím s tématem disertační práce. Ve třetím a čtvrtém ročníku svého studia pokračuje doktorand ve výzkumné činnosti, publikuje dosažené cíle a zpracovává svoji disertační práci. Doktorandi ve čtvrtém roku studia předkládají do konce zimního zkouškového období svému školiteli rozpracovanou disertační práci. Hotovou disertační práci doktorand odevzdá do konce 4. ročníku studia. Součástí dizertační práce jsou výsledky publikované v mezinárodních impaktovaných časopisech, přičemž minimálně u jedné publikace je student prvním autorem.
Student prezenční formy doktorského studia je v průběhu studia povinen absolvovat pedagogickou praxi, tj. působit v procesu výuky. Student vykonává pedagogickou praxi v rámci výuky praktických a výpočtových cvičení nebo asistence při této výuce, případně konzultací bakalářských a diplomových prací jakožto školitel specialista. V případě, že doktorand absolvuje kurz celoživotního vzdělání Pedagogické minimum na jiné VŠ nebo součásti VUT v Brně, je mu na základě předložení certifikátu o absolvování pedagogická praxe prominuta. Skladbu pedagogických aktivit (cvičení, laboratorní cvičení, vedení projektů apod.) určí doktorandovi ředitel příslušného ústavu po dohodě se školitelem. Součástí studijních povinností v doktorském studijním programu je absolvování části studia na zahraniční instituci nebo účast na mezinárodním tvůrčím projektu s výsledky publikovanými nebo prezentovanými v zahraničí nebo jiná forma přímé účasti studenta na mezinárodní spolupráci.

Podmínkou přijetí ke studiu je potvrzení lékaře o zdravotní způsobilosti ke studiu. Studium je spojeno s prací v chemických a technologických laboratořích a provozech, kde mají studenti přístup k široké škále chemických látek, manipulují a přicházejí do přímého kontaktu s nimi. V rámci laboratorní praxe může být ohroženo nejen zdraví studenta, ale může být i studentem ohroženo zdraví ostatních osob. Proto se při posuzování zdravotní způsobilosti přihlíží kromě obecné zdravotní způsobilosti též k nemocem a chorobným stavům, které mohou být kontraindikací pro práci s chemickými látkami, případně představují pro tuto práci určitá omezení. Více informací o specifikaci nemocí a chorob je zveřejněno v elektronické přihlášce a na web stránkách pro uchazeče o studium http://www.fch.vut.cz/cs/zajemce-o-studium.html

Program navazuje na magisterské studijní programy v oblasti chemie, chemie a fyziky materiálů, případně materiálového inženýrství.

1. Jednosložkové alkalicky aktivované systémy

   Ve výzkumu alkalicky aktivovaných pojiv začínají být stále populárnější jednosložkové systémy („one-part“), kdy je aktivátor v pevném stavu předem smíchán s prekurzorem, takže při použití tohoto pojiva stačí jen přidat vodu, podobně jako u běžného portlandského cementu. Z praktického hlediska je vedle zažitých postupů přípravy výhodné i to, že odpadá skladování vysoce alkalických roztoků a manipulace s nimi. Určitými úskalími naopak jsou hygroskopičnost aktivátoru, jeho rozpouštění ve vodě, potenciálně odlišná kinetika vzniku reakčních produktů ve srovnání s běžnými kapalnými aktivátory, ale i nízká účinnost při alkalické aktivaci, neboť se většinou používají spíše aktivátory s nižším pH a pokud možno v co nejmenších dávkách kvůli ekonomickým, ale i ekologickým aspektům. Od dvousložkových systémů se jednosložkové dále liší i reologií a funkcí přísad. Práce je proto zaměřena zejména na raná stádia alkalické aktivace jednosložkových systémů (reologie, vývoj teploty, reakční procesy, funkčnost organických přísad) a optimalizací jejich složení také vzhledem k dlouhodobým vlastnostem. Součástí práce bude i studium mikrostruktury těchto systémů a identifikace vznikajících produktů.

   Školitel: Kalina Lukáš, doc. Ing., Ph.D.

2. Ne-fullerenové akceptory na bázi vysoce výkonných barviv a pigmentů pro organickou fotovoltaiku

   Práce se zabývá cílenou chemickou modifikací organických barviv a pigmentů, syntézou jejích polymerů a ko-polymerů. Dizajn molekul bude zaměřen na studium vlivu chemické modifikace na výsledné elektron-akceptorní vlastnosti materiálů pro aplikace v organické fotovoltaice

   Školitel: Krajčovič Jozef, prof. Ing., Ph.D.

3. Pokročilé materiály pro organické a hybridní solární články

   Práce se bude zabývat přípravou a charakterizací materiálů - organických polovodičů, které jsou perspektivní pro využití v oblasti organické a hybridní fotovoltaiky. V rámci práce budou metodami materiálového tisku a dalšími metodami připravovány a charakterizovány organické solární články a studovány jejich vlastnosti. Pozornost bude soustředěna především na charakterizaci optických a elektrických vlastností materiálů a solárních článků. Cílem je optimalizace vlastností solárních článků s ohledem na jejich konkrétní možnosti uplatnění. Předpokládá se zapojení doktoranda do mezinárodního výzkumného projektu se zaměřením na organickou fotovoltaiku.

   Školitel: Weiter Martin, prof. Ing., Ph.D.

4. Řízení prostorové distribuce hydrátů v nízkouhlíkových cementech

   Předmětem dizertační práce je výzkum hybridních alkalicky aktivovaných cementů (HAACs) nabízejících nízkouhlíková pojiva spojením portlandského cementu a alkalicky aktivovaných materiálů. Zlepšení jejich konkurenceschopnosti vyžaduje však zlepšení raných mechanických vlastností. Téma se proto zaměřuje na využití syntetických C-(A)-S-H gelů jako zárodků nukleace, které usnadňují tvorbu a prostorové rozložení hydratačních produktů, spolu s pokročilou mechanickou analýzou. Práce je součástí projektu GAČR, kde je nastavena kooperace dvou institucí, VUT bude syntetizovat C-(A)-S-H nanozárodky s různým obsahem hliníku označených pomocí těžkých kovů pro sledování jejich prostorové distribuce během hydratace pomocí chemického mapování. ČVUT na tyto výsledky naváže pomocí nanoindentace s identifikací vlastních mechanických vlastností složek HAAC pasty. To umožní mechanické modelování a porovnání s makroskopickými testy pevnosti, elasticity, smrštění a odolnosti proti trhlinám, což nakonec povede k komplexnímu pochopení vztahů mezi prostorovou distribucí vzniklých hydrátů a mechanickými chováním HAAC.

   Školitel: Šoukal František, doc. Ing., Ph.D.

5. Studium metod funkcionalizace 3D tištěných biokompozitních skefoldů pro regenerativní medicínu

   Motivace: Biokompozity na bázi termoplastické biopolymerní matrice a anorganického plniva umožňují svými vlastnostmi návrh materiálů pro výrobu biokompatibilních resorbovatelných skefoldů pro regeneraci kostní tkáně. FDM 3D tisk dnes poskytuje možnosti výroby sofistikovaných multimateriálových porézních struktur s řízenými fyzikálními vlastnostmi a to ve tvaru na míru konkrétní aplikace. Pro účinnou aplikaci skefoldu je třeba kromě biokompatibility a osteokondukce zajistit vhodné podmínky pro vaskularizaci nově vznikající tkáně. Další výzvou je zajistit řízené uvolňování růstových faktorů a případně dalších farmaceutik. Předmětem disertační práce je návrh materiálu 3D tištěného skefoldu a studium možností jejich následné funkcionalizace s ohledem na zajištění vaskularizace a řízeného uvolňování účinných farmaceutických látek. Práce bude prováděna na modelu femuru stehenní kosti. Mechanické vlastnosti budou predikovány pomocí výpočtových modelů a verifikovány základními mechanickými zkouškami na reálných vzorcích. Experimenty řízeného uvolňování účinných látek budou prováděny na vhodných modelových zástupcích. Testy interakce s buňkami budou prováděny ve spolupráci s vybranými pracovišti, testy vaskularizace pak s CEITEC VUT. V případě uspokojivých výsledků budou provedeny testy in vivo ve spolupráci s VETUNI. Globálním cílem práce je přispět k poznání v oblasti řízení vlastností skefoldů pro regenerativní medicínu kostní tkáně pomocí chemické a fyzikální struktury 3D tištěného kompozitu.

   Školitel: Přikryl Radek, Mgr., Ph.D.

6. Využití přírodních surovin pro syntézu reaktivních materiálů pro SLA 3D tisk

   Motivace: Příprava reaktivních monomerů na přírodní bázi obsahujících epoxidové a radikálově polymerovatelné funkční skupiny. V současné době se používají sloučeniny z petrochemických zdrojů obsahující reaktivní epoxidové skupiny (epichlorhydrin), popřípadě se k výrobě speciálních epoxidů používají nebezpečné a toxické sloučeniny jako například 3-chlorperoxobenzoová kyselina. Utilizace přírodních a dostupných zdrojů pro tento typ procesů (peroxidu vodíku a jeho derivátů) může zefektivnit přípravu konkrétních materiálových prekurzorů a zároveň vyhovět požadavkům nastupující legislativy zohledňující vyšší míru udržitelnosti chemického průmyslu. U takto připravených epoxy prekurzorů lze využít jejich reakce s různými deriváty nenasycených karboxylových kyselin k přípravě reaktoplastů. Některé z těchto kyselin, které lze získat ze zcela obnovitelných zdrojů, vykazují schopnost radikálově iniciované polymerace a mohou tak sloužit jako vhodné alternativy k současným komerčně využívaným monomerům. Motivací práce je výzkum aplikovatelnosti nukleofilní substituce karboxylové skupiny epoxy skupinou pro přípravu pryskyřic použitelných pro SLA 3D tisk. Předmětem disertační práce je studium chemických reakcí umožňujících přípravu výchozích látek spolu s jejich deriváty a jejich funkcionalizaci pro 3D tiskové technologie SLA. Součástí je i hodnocení dosažené chemické struktury, reologických vlastností pryskyřice a zejména termo-mechanických vlastností výsledného výtisku nebo odlitku. Nezbytnou součástí je i popis vlivu chemické struktury na výsledné parametry vytvrzeného materiálu. Cílem práce je přispět k poznání v oblasti produkce a vývoje reaktoplastových matric obsahujících podíl bio-složky.

   Školitel: Přikryl Radek, Mgr., Ph.D.

7. Zachycování oxidu uhličitého při výrobě portlandského cementu

   Předmětem dizertační práce bude výzkum možností zachycování oxidu uhličitého prostřednictvím karbonatace hořečnatých iontů v taveninách alkalických solí. Technologie CCS (Carbon Capture and Storage) založené na karbonataci hořečnatých minerálů a hornin nejsou doposud rozvinuté, protože efektivní karbonatace hořčíku v pevné fázi je možná pouze za vysokých teplot a tlaků. Alternativní možností výroby portlandského cementu je syntéza slínkových minerálů v tavenině alkalických solí, která probíhá za výrazně nižších teplot ve srovnání s konvenční technologií. Reaktivita hořečnatých a uhličitanových iontů v tavenině je výrazně vyšší a nabízí se tak spojení syntézy slínkových minerálů se současným zachycováním CO2 ve formě MgCO3.

   Školitel: Šoukal František, doc. Ing., Ph.D.