No (1520)
Number of found documents:
1520
Published from
to
Volumetric Method for the Determining kg CO2 eq. and Energy Requirements for the Production of Power Tools at an Early Stage of Product Design
Sovják, Richard; Sobotová,, Lydia; Grall, Günter; Křenek, Ladislav
2022 - English
Emise kg CO2 eq. vznikají v různých fázích životního cyklu výrobku a mají významný vliv na globální oteplování. K posouzení těchto negativních vlivů slouží metoda Life Cycle Assessment (LCA), která umožňuje určit uhlíkovou stopu, energetické nároky na výrobu materiálů, výrobní procesy, transport, užití a konec životního cyklu. Tyto analýzy jsou časově náročné, nákladné na zaškolení a vyžadují hmotnostní a materiálové charakteristiky výrobků. Navržená metoda VEME (Objemová hodnotící metoda ecodesignu) využívá objemových vlastností výrobku a jeho strukturálního a materiálového složení. Pro dosažení cíle bylo analyzováno 134 kusů nářadí (vyrobeno 1989 až 2018) se začleněním do 10 typových skupin podle druhu nářadí. 3D skenováním byl určen objem výrobku s následnou materiálovou analýzou a po té byla použita metoda Oil Point Method (OPM), která je založena na LCA. Nářadí bylo posuzováno ve třech možných variantách konce životního cyklu (skládkování, spalování a recyklace 90 %). Ze získaných dat byla provedena simulace Monte Carlo pro každý vzorek nářadí n = 1 000 s 95% spolehlivostí. Byly stanoveny rovnice pro určení energetických požadavků na výrobu nářadí, emisí kg CO2 eq. (pro 11 světových zemí), údajů na balení a transport zboží. S 90% recyklací je možné uspořit až 32,4 % energie oproti skládkování. Ze všech 134 vzorků bylo 9,7 %, u kterých byla recyklace až o 6,2 % energeticky náročnější než skládkování. Důvodem jsou vysoké energetické nároky na recyklace materiálů. Nová metoda najde využití při navrhování výrobků v průmyslovém designu, ale i v oblastech ekonomického zhodnocení způsobu a místa výroby. Lze jej využít i pro rozšíření energetického štítkování výrobků, které by zahrnovalo energetickou náročnost výroby, transport a balení. Emissions of kg CO2 eq. occur at different stages of the product life cycle and have a significant impact on global warming. The method used to assess these negative impacts is Life Cycle Assessment (LCA), which enables the determination of the carbon footprint, energy requirements of materials production, manufacturing processes, transport, use, and end of life (EoL). These analyses are time-consuming, costly to train, and require mass and material characterisation of products. The proposed VEME (Volumetric Evaluating Method of Ecodesign) method uses the volumetric properties of the product and its structural and material compositions. To achieve the objective, 134 power tools (manufactured from 1989 to 2018) were analysed with the inclusion of 10 types of categories based on the type of tool. 3D scanning was used to determine the volume of the product followed by material analysis and then the Oil Point Method (OPM), which is based on LCA. Tools were evaluated in three possible EoL variants (Landfilling, Combustion, and Recycling 90%). From the data obtained, a Monte Carlo simulation was performed for each tool sample of n = 1,000 with 95% confidence. Equations were established to determine the energy requirements for tool production, emissions of kg CO2 eq. (for 11 world countries), packaging and transport data. With 90% recycling, energy savings of up to 32.4% are possible compared to landfill. Of the 134 samples, 9.7% were recycled, where recycling was up to 6.2% more energy intensive than landfilling. This is due to the high energy requirements of the recycling materials. The new method will find applications in product design in industrial design, but also in the areas of the economic evaluation of production method and location. It can also be used to extend the energy labelling of products to include the energy intensity of production, transport, and packaging.
Keywords:
Life Cycle Assessment; environmental impacts; emission CO2; industrial design; energy prediction; eco-design; circular economy; VEME method; LCA; Life Cycle Assessment; environmentální dopady; CO2 emise; průmyslový design; energetické předpovědi; eco-design; cirkulární ekonomika; VEME metoda; LCA
Available in a digital repository NRGL
Volumetric Method for the Determining kg CO2 eq. and Energy Requirements for the Production of Power Tools at an Early Stage of Product Design
Emise kg CO2 eq. vznikají v různých fázích životního cyklu výrobku a mají významný vliv na globální oteplování. K posouzení těchto negativních vlivů slouží metoda Life Cycle Assessment (LCA), která ...
Nová zařízení a materiály pro bioelektroniku
Ehlich, Jiří; Achilleas Savva, Ph.D; Cifra,, Michal; Salyk, Ota
2022 - English
Tato dizertace je syntézou hlavních projektů, kterým jsem se věnoval v průběhu mého doktorského studia. Projekty se rozvíjejí kolem širokého spektra témat, z toho důvodu byl zvolen široký a obecný název. Projekty popsané v této práci se zabývají vývojem elektronických zařízení s využitím v řadě bioelektronických aplikací. První část práce se věnuje vývoji, testování a aplikací platforem pro studium mikroorganismů schopných přímé výměny elektronů s elektronickými zařízeními. Druhá část práce se věnuje elektrické stimulaci kmenových buněk pro jejich řízenou diferenciaci. Dále se zabývá fundamentálním studiem potenciálně škodlivých faradaických reakcí, ke kterým dochází v průběhu stimulačních protokolů používaných v klinické praxi. Všechny popsané projekty sdílí společné teoretické a praktické základy vycházející z chemického inženýrství, elektrochemie a materiálových věd. Sjednocující faktor hrající zásadní roli a objevující se napříč všemi projekty je skupina reakcí souvisejících s redukcí kyslíku. Redukce kyslíku je nezbytná reakce odehrávající se v katodovém poločlánku zařízení pro stadium elektroaktivních mikroorganismů. Redukce kyslíku a následná produkce reaktivních forem kyslíku může mít diskutabilně větší vliv na diferenciaci kmenových buněk pomocí elektrické stimulace než samotná elektrická stimulace. V neposlední řadě reakce související s redukcí kyslíku byly hlavními reakcemi, které jsme pozorovali při aplikaci standardních stimulačních protokolů. Disertace prezentuje stručný teoretický úvod nezbytný pro pochopení prezentovaných projektů. Definuje cíle a prezentuje výsledky formou komentovaného seznamu vědeckých publikací. Rovněž nastiňuje budoucí směřování práce. Hlavní dosažené výsledky mohou být shrnuty následujícím způsobem: Prvním cílem bylo vyvinout platformu založenou na poli mikrobiálních palivových článků pro elektrochemickou charakterizaci elektroaktivních mikroorganismů. Po sérii testovacích prototypů byla vyvinuta platforma splňující všechny předem určené parametry. Platforma se osvědčila jako dostatečně přesná a spolehlivá pro zamýšlené biologické experimenty. Dalším cílem bylo vyrobit platformu pro řízenou diferenciaci kmenových buněk pomocí elektrické stimulace. Bohužel připravená platforma se ukázala jako nespolehlivá a nevhodná pro daný účel. To vedlo k neúspěšné snaze o diferenci kmenových buněk požadovaným směrem. Nakonec jsme se zabývali reakcemi souvisejícími s redukcí kyslíku na elektrodách připravených z nejčastěji používaných materiálů pro neurální stimulaci. Kyslík může být redukovaný na vodu a na peroxid vodíku v závislosti na katalytické aktivitě daného materiálu a charakteru stimulačního protokolu. Změřili jsme množství redukovaného kyslíku a produkovaného peroxidu v blízkosti stimulačních elektrod při aplikaci standardních stimulačních protokolů. Následně jsme porovnali katalytickou aktivitu všech materiálů vzhledem k množství redukovaného kyslíku a produkovaného peroxidu vodíku. Hlavním zjištěním bylo, že všechny elektrodové materiály a všechny testované stimulační protokoly vedou k redukci kyslíku, v některých případech až k lokální hypoxii a všechny materiály generují peroxid vodíku, některé až v řádech jednotek mM. Tyto zjištění považujeme za velmi významné, jelikož ovlivnění koncentrace kyslíku a generace peroxidu vodíku mohou mít výrazný vliv na tkáň v okolí elektrod. This dissertation represents a synthesis of projects I have been working on in the course of my Ph.D. studies. The projects evolve around a wide range of topics, which is the reason for the broad and general title. Projects described it the thesis involve the development of electronic tools which can be applied to several areas of bioelectronics: The first part of the thesis concerns platforms for the study of unique microorganisms capable of direct electron exchange with electronic devices. This involved design, fabrication, and application of such platforms. The second part of the thesis deals with electrical stimulation; its application to stem cells towards their directed differentiation, and fundamental studies of possibly harmful irreversible faradaic reactions happening in the course of broadly used electrical stimulation protocols applied in clinical practice. All the projects share core, common, theoretical, and practical foundation originating in chemical engineering, electrochemistry, and materials science. A unifying feature playing a major factor and appearing throughout all the projects would be a family of oxygen reduction reactions. Oxygen reduction is a necessary half-cell reaction taking place in the developed device studying electroactive microorganisms. Oxygen reduction and subsequent generation of reactive oxygen species might arguably play a significant role in the direct electrical stimulation of stem cells towards their differentiation. Lastly, oxygen reduction reactions were the main irreversible faradaic reactions we have been observing during standard electrical stimulation protocols. The thesis presents summarized theoretical background necessary to understand presented projects. Goals are defined. Results are introduced as a commented list of published scientific publications. Achieved outcomes are summarized and discussed. Also, a perspective into the future is given. Main results can be summarized as follows. First goal was to develop a platform for electrochemical characterization of electroactive microorganisms. The platform was based on 24 or 96-well Microbial Fuel Cell array. After two design iterations a prototype fulfilling all the intended requirements was developed, tested, and proven to be reliably working. Next, a multi-well platform of interdigitated electrodes was fabricated and used for electrical stimulation of stem cells. Unfortunately, the platform turned out to be unreliable and not working properly which resulted in the failed attempt to differentiate stem cells into a specific type of cells. Lastly, we have examined oxygen reduction reactions (ORRs) on electrodes made of typical materials used for neural stimulation electrodes. Oxygen can be reduced either to water or hydrogen peroxide. Both reactions can significantly reduce the quantity of dissolved oxygen near the electrode, creating hypoxic conditions harmful to neurons. Peroxide, meanwhile, can induce toxic reactions or act as a signaling molecule. We have examined the amount of reduced oxygen and produced peroxide by various stimulation protocols using amperometric sensors and compared electro-catalytic activities of studied materials. Main finding is that typical protocols lead to irreversible ORRs. Some electrode materials induce highly hypoxic conditions, others additionally produce hydrogen peroxide into the mM range.
Keywords:
Bioelectronics; Microbial Fuel Cell; Electrical stimulation; Stem cell differentiation; Oxygen reduction; Hydrogen peroxide evolution; Bioeletronika; Mikrobiální palivový článek; Elektrická stimulace; Diferenciace kmenových buněk; Redukce kyslíku; Evoluce peroxide vodíku
Available in a digital repository NRGL
Nová zařízení a materiály pro bioelektroniku
Tato dizertace je syntézou hlavních projektů, kterým jsem se věnoval v průběhu mého doktorského studia. Projekty se rozvíjejí kolem širokého spektra témat, z toho důvodu byl zvolen široký a obecný ...
Studium vlastností molekulárních fotoaktivních materiálů metodami výpočetní chemie
Truksa, Jan; Rapta, Peter; Toman, Petr; Salyk, Ota
2022 - English
V této práci jsou nejprve rychle nastíněny principy teorie funkcionálu elektronové hustoty (DFT), spolu s praktickými metodami hledání nejníže energeticky postavených struktur organických molekul a predikování jejich spektroskopických a elektronických vlastností. Poté jsou prezentovány výsledky teoretické analýzy geometrie a elektronové struktury dvou druhů molekul v kombinaci s experimentálními výsledky. Nejprve jsou diskutovány alloxazin, lumazin a jejich deriváty, souhrnně nazývané flaviny, které reprezentují molekulární materiály. Naproti tomu, struktury na bázi polythiofenu reprezentují polymerní materiály. V případě flavinů byla nejprve nalezena nejlepší možná korelace teoretických absorpčních spekter s experimentálními na základě výpočtů se třemi různými bázovými soustavami v kombinaci s funkcionálem B3LYP. Dobrá shoda byla nalezena pomocí metod B3LYP/6-31+G** a B3LYP/aug-cc-PVDZ, které dosáhly korelačních koeficientů 0.95 a 0.96. Naproti tomu soustava def2SVP dosáhla pouze 0.94. V tomto kontextu se tak metoda B3LYP/6-31+G** jeví jako nejefektivnější vzhledem k náročnosti na výpočetní kapacitu. Měřením absorpčních spekter vybraných flavinů ve směsi dimethylsulfoxidu (DMSO) a vody byla získána spektra jednotlivých izomerů – alloxazinové a isoalloxazinové formy. Reakce těchto molekul na změny koncentrace DMSO a vody bude předmětem dalšího studia. U polythiofenů byly studovány optické a elektrické vlastnosti na modelových oktamerech, zatímco geometrie a konformace adamantylovaných substitutentů byly z důvodu vysoké výpočetní náročnosti modelovány na trimerových molekulách. Bylo zjištěno, že thiofenový řetězec s postranními methyladamantylovými skupinami vykazuje vyšši rigiditu než řetězec substituovaný ethyladamantylem, což bylo později potvrzeno krystalografickou analýzou a skenováním povrchu pomocí mikroskopie atomárních sil. Byly nalezeny krystalické struktury s parametry srovnatelnými s poly(3-hexylthiofenem) (P3HT). Na základě tohoto výzkumu byly navržený nové páteřní řetězce pro možnou syntézu, jako hlavní doporučení se zde jeví snížení počtu substituentů, aby adamantylový postranní řetězec byl přítomen pouze na každém druhém či třetím thiofenu. Zde prezentované molekuly jsou zajímavými kandidáty pro využití v optoelektronice, a teoretické predikce dosahují dobrou shodu s experimentem, přestože jejich srovnání není vždy triviální, jako je tomu například u postranních řetězců polythiofenu. In this work, the principles of theoretical density functional theory are briefly discussed first, together with the method of searching for lowest-energy structures of molecules and predicting the spectroscopic and electronic properties. Afterwards, the results of the theoretical analysis of the geometry and electronic structure of two types of molecules is presented, combined with experimental results. First, the alloxazine and lumazine, considered together as flavins, and their derivatives represent molecular materials, while adamantyl substituted polythiophenes represent polymer materials. With respect to the flavins, different basis sets, together with the B3LYP functional, were used to find the best possible fit to experimental absorption spectra. Here, the B3LYP/6-31+G** and B3LYP/aug-cc-PVDZ methods proved to have the best correlation, with correlation coefficients 0.95 and 0.96, respectively, while the def2SVP set reached 0.94. In this context, the B3LYP/6-31+G** method seems to be the most cost-efficient. By measuring the absorption spectra of selected flavins in a mixture of dimethylsulfoxide (DMSO) and water, the spectra of flavin isomers – the alloxazine and isoalloxazine form were gained. The response of these molecules to changes in the concentration of DMSO and water will be the object of further study. For the polythiophenes, the electronic and optical properties were theoretically investigated using model octamers, while the conformations of the adamantylated side chains were considered using trimer molecules, due to a high computational complexity. Here, the methyladamantyl thiophene was found to have a more rigid structure compared to the ethyladamantyl substituted chain, which was later confirmed via crystallographic analysis and atomic force microscopy scans. Crystal structures were confirmed to be present, with lattice parameters comparable to poly(3-hexylthiophene) (P3HT). Inspired by this research, different polymer backbones based on polythiophene were considered for future synthesis. The main recommendation here is to lower the amount of side substituents, so that only one in two or one in three thiophenes bear an adamantylated side chain. Overall, the molecules presented here are interesting candidates for future use in optoelectronics, and the theoretical predictions generally agree with experimental results, although the comparison with experiment is not always trivial, e.g., in the case of the polythiophene side chains.
Keywords:
Computational Chemistry; Optoelectronic Materials; Spectroscopy; Visible Light Absorption; Density Functional Theory; Alloxazine; Lumazine; Polythiophene; Výpočetní chemie; Optoelektronické materiály; Spektroskopie; Absorpce viditelného světla; Teorie funkcionálu elektronové hustoty; Alloxazin; Lumazin; Polythiofen
Available in a digital repository NRGL
Studium vlastností molekulárních fotoaktivních materiálů metodami výpočetní chemie
V této práci jsou nejprve rychle nastíněny principy teorie funkcionálu elektronové hustoty (DFT), spolu s praktickými metodami hledání nejníže energeticky postavených struktur organických molekul a ...
Nízkoteplotní plastická deformace BCC kovů s vnitřním magnetickým uspořádáním
Holzer, Jakub; Máthis,, Kristián; Mrověc, Matouš; Gröger, Roman
2022 - English
Přestože plastická deformace kovů s prostorově střeďenou kubickou mřížkou za nízkých teplot je dnes dobře vysvětlena, vliv vnitřního magnetického uspořádání na mechanické vlastnosti a vliv plastické deformace na vnitřní magnetické uspořádání zůstávají z větší časti nevysvětleny. Cílem této práce je popsat nízkoteplotní plastickou deformaci -železa a chromu pomocí analýzy skluzových čar, elektronovou zpětně odraženou difrakcí a transmisní elektronovou mikroskopií (TEM). Vnitřní magnetické uspořádání chromu je zkoumáno pomocí magnetické neutronové difrakce v neutronovém centru na Institutu Paula Scherrera ve Švýcarsku. Vibrační magnetometrie je využita pro hledání změn v hmotnostní susceptibilitě, aby byly rozeznány různé magnetické stavy. Anomální skluz byl poprvé pozorován v deformovaném vzorku chromu. Dislokační síť zodpovědná za anomální skluz je charakterizována pomocí g·b analýzy v TEM. Síť protínajících se 1/2111 šroubových dislokací a jejich 100 spoje se tvoří na nízkozatížených {110} rovinách. Dvojčata vytvořená antidvojčatovým smykem byla pozorována v chromu, ale nikoliv v -železe. Tento jev je vysvětlen pomocí atomárních simulací využívajících semiempirické interakční potenciály. Magnetické domény v -železe byly studovány pomocí Kerrovy mikroskopie. Výsledky ukazují, že dvojčata mohou efektivně blokovat pohyb doménových stěn a nukleovat nové. While plastic deformation of body-centered cubic (bcc) metals at low temperatures is now well understood, the effect of internal magnetic order on mechanical properties and the effect of plastic deformation of internal magnetic order remain largely unexplained. The aim of this thesis is to elucidate the low-temperature plastic deformation of -iron and chromium with focus on magnetism. It is investigated by slip-trace analysis of deformed specimens, electron backscattered diffraction, and transmission electron microscopy (TEM) where necessary. The internal magnetic order in chromium is explored by means of magnetic neutron diffraction at SINQ facility of the Paul Scherrer Institute in Switzerland. The vibrating vample magnetometry is utilized to look for changes in mass susceptibility in order to discriminate between different magnetic states. The anomalous slip was found in a deformed chromium specimen for the first time. The dislocation network responsible for the anomalous slip is characterized by the g · b analysis in TEM, where a network of 1/2111 intersecting screw dislocations and their 100 junctions were observed to form on low-stressed {110} planes. Furthermore, twins produced by antitwinning shear were found in chromium, but not in -Fe. This phenomenon is explained using atomistic simulations employing semi-empirical interatomic potentials. The magnetism in -iron is studied by the vibrating sample magnetometry and the results are reconciled using the Jiles-Atherton model. The magnetic domains in -Fe were imaged by the Kerr microscopy and the results show that twins can effectively block the movement of domain walls and nucleate new ones.
Keywords:
-Fe; chromium; low-temperature deformation; twinning; antitwinning; anomalous slip; internal magnetic order; -Fe; chrom; nízkoteplotní plastická deformace; dvojčatění; antidvojčatění; anomální skluz; vnitřní magnetické uspořádán
Available in a digital repository NRGL
Nízkoteplotní plastická deformace BCC kovů s vnitřním magnetickým uspořádáním
Přestože plastická deformace kovů s prostorově střeďenou kubickou mřížkou za nízkých teplot je dnes dobře vysvětlena, vliv vnitřního magnetického uspořádání na mechanické vlastnosti a vliv plastické ...
Elektronicky konfigurovatelné přenosové struktury
Langhammer, Lukáš; Hospodka, Jiří; Vávra, Jiří; Šotner, Roman
2022 - English
Práce se zaměřuje na vývoj a výzkum v oblasti elektronicky rekonfigurovatelných přenosových struktur. Primárním cílem je návrh těchto struktur za užití moderních elektronicky řiditelných aktivních prvků. V práci je prezentováno množství elektronicky rekonfigurovatelných filtračních struktur, jež byly vytvořeny za užití různých návrhových metod. Důraz je dále kladen na možnost řídit některý z typických parametrů filtru pomocí řiditelných aktivních prvků. Práce dále obsahuje několik obvodových návrhů aktivních prvků či stavebních bloků s vhodně řešenou elektronickou řiditelností, tak, aby tyto prvky/bloky mohly být dále použity pro návrh elektronicky rekonfigurovatelných filtrů. Správnost návrhu jednotlivých zapojení je podpořena PSpice a Cadence simulacemi s modely na tranzistorové úrovni. Vybraná zapojení jsou dále realizována za pomocí dostupných aktivních prvků a podrobena experimentálnímu měření. The thesis is focused on the development and research in the field of electronically configurable transfer structures. The main goal is to design these structures using modern electronically adjustable active elements. The work presents a number of reconnection–less reconfigurable filtering structures, which were created with help of various design methods. Emphasis is also placed on the ability to control some of the typical filter parameters using controllable active elements. Furthermore, the work contains several topological circuit designs of active elements or building blocks with specifically implemented electronic controllability, so that these elements/blocks can be further used for the design of reconnection–less reconfigurable filters. The correctness of the design of individual proposed circuits is supported by PSpice and Cadence simulations with transistor–level models. Selected solutions are further implemented using available active elements and subjected to experimental measurements.
Keywords:
active element; analogue filter; current amplifier; current conveyor; current follower; electronic control; fractional–order filter; frequency filter; operational transconductance amplifier; reconnection–less reconfigurable filter; reconnection–less reconfiguration; variable gain amplifier; aktivní prvek; analogový filtr; elektronická řiditelnost; elektronicky rekonfigurovatelný filtr; filtr fraktálního řádu; kmitočtový filtr; proudový konvejor; proudový sledovač; proudový zesilovač; řiditelný filtr; řiditelný napěťový zesilovač; operační transkonduktanční zesilovač
Available in a digital repository NRGL
Elektronicky konfigurovatelné přenosové struktury
Práce se zaměřuje na vývoj a výzkum v oblasti elektronicky rekonfigurovatelných přenosových struktur. Primárním cílem je návrh těchto struktur za užití moderních elektronicky řiditelných aktivních ...
Pokročilé hydrofobní a hydrofilní povrchové úpravy pro nejadernou energetiku
Komarov, Pavel; Ctibor,, Pavel; Pawlowski, Lech; Čelko, Ladislav
2022 - English
V současnosti lze zaznamenat zvýšený zájem o studium pevných povrchů se specifickou smáčivostí (hydrofilní/superhydrofilní a hydrofobní/superhydrofobní) s ohledem na širokou škálu jejich potenciálních aplikací, mezi které patří například snížení aerodynamického odporu, ochrana proti námraze/odmrazování, korozní odolnost, ochrana proti biologickému znečištění, schopnost samočištění povrchů, apod. Způsoby přípravy takových povlaků však zahrnují sofistikované vícestupňové postupy, které jsou nákladné a neposkytují dostatečnou odolnost hydrofilního/hydrofobního chování takto modifikovaného povrchu. Předkládaná disertační práce je zaměřena na (i) vývoj technologického způsobu výroby hydrofilních/hydrofobních povlaků z materiálů odolných proti opotřebení s využitím technologie žárového nástřiku; a (ii) studium připravených povlaků, analýza jejich mechanických vlastností a kvality smáčivosti jejich povrchu. První část práce obsahuje úvod do teorie smáčivosti, volné povrchové energie, hydrofilních/superhydrofilních a hydrofobních/superhydrofobních povrchových úprav a přehled technologií žárových nástřiků. V rámci druhé, experimentální, části byly připraveny povlaky na bázi Al2O3, Cr2O3-SiO2-TiO2, YSZ a WC-Co-Cr a analyzováno jejich smáčivé chování s ohledem na topografii jejich povrchu. Dále byly studovány povlaky YSZ s lamelární a kolumnární mikrostrukturou, s ohledem na posouzení vlivu struktury povlaku na smáčivé chování. Prezentován je zde rovněž modifikovaný povlak s využitím vysokofrekvenčního plasmatu. V závěrečné fázi experimentů byly použity tři rozdílné prášky na bázi WC-Co-Cr pro výrobu povlaků odolných proti opotřebení s tzv. více stupňovou povrchovou topografií povrchu této aktivity. V rámci bylo zjištěno, že kombinace hrubého prášku s ultra jemnými (~500 nm) WC částicemi umožňuje vznik optimální povrchové topografie s velmi vysokou hydrofobností, kterou lze dále optimalizovat do superhydrofobního stavu pomocí dodatečné modifikace olejem na bázi Si. V poslední části práce byla u tohoto typu povlaku stanovena odolnost smáčivosti vzorků WC-Co-Cr pomocí testu odezvy na otěr v abrazivní suspenzi a testu odolnosti vůči kavitační erozi. Particular interest is given to solid surfaces with specific wetting behavior (hydrophilic/superhydrophilic and hydrophobic/superhydrophobic) due to their wide range of potential applications such as drag-reducing, anti-icing/de-icing, corrosion-resistant, anti-biofouling, self-cleaning, etc. surfaces. However, the production ways of such coatings are sophisticated multi-step procedures, which are expensive and do not provide sufficient robustness of the hydrophilic/hydrophobic wetting behavior. The doctoral thesis is focused on (i) the development of a technological way to fabricate hydrophilic/hydrophobic coatings from wear-resistant materials utilizing thermal spraying technology; (ii) a detailed investigation of deposited coatings, analysis of their mechanical properties and the robustness of their wetting behavior. The first part of the thesis represents a theoretical background on the wetting behavior, surface free energy, hydrophilic/superhydrophilic and hydrophobic/superhydrophobic coatings and thermal spraying technology. In the second part, Al2O3, Cr2O3-SiO2-TiO2, YSZ and WC-Co-Cr plasma-sprayed coatings were fabricated, and their wetting behavior was analyzed concerning their surface topography. Furtherly, several YSZ coatings with lamellar and columnar microstructures were studied to investigate the role of the microstructure on their wetting behavior. The effect of RF-plasma jet surface treatment is also presented. Finally, three different powder feedstocks of WC-Co-Cr were utilized to fabricate wear-resistant coatings with the so-called multi-scale surface topography. It was found that the combination of a coarse powder with ultra-fine (~500 nm) WC particles provides an optimal surface topography with a very high hydrophobicity that furtherly can be tuned into the superhydrophobic state after the additional Si-oil treatment. In the last part, the robustness of the wetting behavior of WC-Co-Cr samples was estimated by the slurry abrasion response test and the cavitation erosion resistance test.
Keywords:
wetting behavior; surface free energy; hydrophobic coatings; superhydrophobic coatings; thermal spray technology; surface topography; wear-resistance; smáčivost; povrchová volná energie; hydrofobní povlaky; superhydrofobní povlaky; technologie žárového nástřiku; povrchová topografie; odolnost proti opotřebení
Available in a digital repository NRGL
Pokročilé hydrofobní a hydrofilní povrchové úpravy pro nejadernou energetiku
V současnosti lze zaznamenat zvýšený zájem o studium pevných povrchů se specifickou smáčivostí (hydrofilní/superhydrofilní a hydrofobní/superhydrofobní) s ohledem na širokou škálu jejich potenciálních ...
Kruhově polarizované anténní řady na bázi SIW
Špůrek, Jan; Joler,, Miroslav; Mazánek, Miloš; Raida, Zbyněk
2022 - English
Tato disertační práce prezentuje nový koncept kruhově polarizovaných anténních řad na bázi vlnovodu integrovaného do substrátu. Hlavní devízou konceptu je modularita, kdy je základní stavební blok řady použitelný pro tvorbu komplexnějších řad a tento blok zároveň slouží jako šablona pro návrh komplexnější struktury. Anténní řada byla simulována a experimentálně ověřena pro frekvence 17 a 60 GHz. Na základě dosažených výsledků byla odvozena metodologie pro návrh a identifikovány klíčové oblasti návrhu. Následně práce představuje techniku zvýšení šířky pásma osového poměru kruhově polarizovaných anténních řad pomoci parazitních flíčků, které jsou umístěny nad zářiče v definované vzdálenosti. Anténní řada z první části práce byla použita v simulacích a experimentálním ověření pro frekvence 17 a 60 GHz, kdy byla tato řada rozšířena o parazitní strukturu, přidávajíc další vrstvu modularity do konceptu. This dissertation thesis presents a new concept of SIW-based circularly polarized antenna arrays. The main property of the concept is modularity where the base building block can be utilized to create more complex antenna arrays and at the same time it serves also as the template to design the more complex structure. The antenna array was simulated and experimentally verified for the frequencies of 17 and 60 GHz. Based on the obtained results, design methodology was derived, and key design areas were identified. Next, the thesis introduces a technique of increasing axial ratio bandwidth of circularly polarized antenna arrays by utilizing parasitic patches, which are placed above the radiating elements at defined distance. The antenna array from the first section of the thesis was used in the simulations and experimental verification for the frequencies of 17 and 60 GHz, where this array was extended with the parasitic structure, adding another level of modularity into the concept.
Keywords:
Antenna array; patch antenna; circular polarization; parasitic structures; substrate integrated waveguide; axial ratio; modularity; Anténní řada; flíčková anténa; kruhová polarizace; parazitní struktury; vlnovod integrovaný do substrátu; osový poměr; modularita
Available in a digital repository NRGL
Kruhově polarizované anténní řady na bázi SIW
Tato disertační práce prezentuje nový koncept kruhově polarizovaných anténních řad na bázi vlnovodu integrovaného do substrátu. Hlavní devízou konceptu je modularita, kdy je základní stavební blok ...
Declipping a dekvantizace audio signálů pomocí metod založených na řídkých reprezentacích
Záviška, Pavel; Šroubek,, Filip; Koldovský,, Zbyněk; Rajmic, Pavel
2022 - English
Audio signály jsou náchylné k různým typům poškození, přičemž jedním z nejčastějších a nejproblematičtějších druhů poškození je clipping. Tato dizertační práce se zaměřuje na rekonstrukci zvukových signálů poškozených nelineárním zkreslením s hlavním zaměřením na declipping a dekvantizaci a popisuje vědecký přínos v této oblasti s využitím metod založených na řídké reprezentaci. První část dizertační práce se zabývá problematikou declippingu a představuje několik přístupů založených na řídkých reprezentacích signálů. Součástí je jak originální výzkum, tak i převzaté algoritmy, které však byly v rámci této práce reimplementovány nebo modifikovány. Kvalita výstupů rekonstrukčních algoritmů je vyhodnocena jak pomocí ukazatele SDR, tak i s využitím percepčně založených metrik. V další části se práce zaměřuje na zakomponování psychoakustiky do problému declippingu pomocí váhování transformačních koeficientů s třemi navrženými způsoby konstrukce vah. Je zde dokázáno, že při správně zvolených vahách je možné výrazně zlepšit kvalitu rekonstrukce a vyrovnat se tak nejlepším algoritmům při zachování nízké výpočetní náročnosti. V poslední části práce je pozornost je také věnována metodám umožňujícím odchylku ve spolehlivé části signálu. V tomto směru práce zkoumá percepční vliv prostého nahrazení těchto spolehlivých vzorků, identifikuje jeho hlavní nevýhody a následně představuje metody, které kompenzují negativní efekty způsobené tímto nahrazením. Je ukázáno, že s využitím těchto technik je možné bez významného navýšení výpočetní náročnosti výrazně zlepšit dosaženou kvalitu rekonstrukce. Vybrané algoritmy jsou rovněž aplikovány na problém audio dekvantizace. Součástí práce jsou repozitáře obsahující implementace všech představených metod. Audio signals are susceptible to various types of quality degradation, with clipping being one of the most common and problematic distortions. This Thesis addresses the restoration of audio signals corrupted by nonlinear distortions and presents the contribution in the field of sparsity-based audio restoration algorithms, with the main focus on audio declipping and dequantization. The first part of the Thesis deals with the problem of audio declipping and presents several sparsity-based approaches, containing both the original research and adopted algorithms, which have been reimplemented or modified. The performance of the algorithms is evaluated using the Signal-to-Distortion ratio, as well as perceptually motivated metrics of sound quality. Then, attention is paid on incorporating psychoacoustic information into declipping by weighting the transform coefficients. Three possible constructions of the weights are presented and it is shown that with correctly chosen weights, it is possible to significantly improve the performance of the algorithms, which achieve state-of-the-art restoration quality with low computational complexity. Special focus is also paid on declipping methods that allow a deviation in the reliable part. In that direction, the Thesis studies the perceptual effects of plain replacement of the reliable samples, then identifies its main weaknesses and introduces methods to compensate the discovered negative effects. It is shown that using this technique, it is possible to enhance the performance of such declipping algorithms without a significant increase in computational complexity. Finally, selected declipping algorithms are adopted to the problem of audio dequantization. The Thesis is accompanied by repositories containing implementations of the presented methods.
Keywords:
Audio; clipping; quantization; declipping; dequantization; restoration; sparsity; inverse problems; optimization; psychoacoustics; Audio; clipping; kvantizace; declipping; dekvantizace; restaurování; řídkost; inverzní problémy; optimalizace; psychoakustika
Available in a digital repository NRGL
Declipping a dekvantizace audio signálů pomocí metod založených na řídkých reprezentacích
Audio signály jsou náchylné k různým typům poškození, přičemž jedním z nejčastějších a nejproblematičtějších druhů poškození je clipping. Tato dizertační práce se zaměřuje na rekonstrukci zvukových ...
Elektronicky konfigurovatelné přenosové struktury
Langhammer, Lukáš; Hospodka, Jiří; Vávra, Jiří; Šotner, Roman
2022 - English
Práce se zaměřuje na vývoj a výzkum v oblasti elektronicky rekonfigurovatelných přenosových struktur. Primárním cílem je návrh těchto struktur za užití moderních elektronicky řiditelných aktivních prvků. V práci je prezentováno množství elektronicky rekonfigurovatelných filtračních struktur, jež byly vytvořeny za užití různých návrhových metod. Důraz je dále kladen na možnost řídit některý z typických parametrů filtru pomocí řiditelných aktivních prvků. Práce dále obsahuje několik obvodových návrhů aktivních prvků či stavebních bloků s vhodně řešenou elektronickou řiditelností, tak, aby tyto prvky/bloky mohly být dále použity pro návrh elektronicky rekonfigurovatelných filtrů. Správnost návrhu jednotlivých zapojení je podpořena PSpice a Cadence simulacemi s modely na tranzistorové úrovni. Vybraná zapojení jsou dále realizována za pomocí dostupných aktivních prvků a podrobena experimentálnímu měření. The thesis is focused on the development and research in the field of electronically configurable transfer structures. The main goal is to design these structures using modern electronically adjustable active elements. The work presents a number of reconnection–less reconfigurable filtering structures, which were created with help of various design methods. Emphasis is also placed on the ability to control some of the typical filter parameters using controllable active elements. Furthermore, the work contains several topological circuit designs of active elements or building blocks with specifically implemented electronic controllability, so that these elements/blocks can be further used for the design of reconnection–less reconfigurable filters. The correctness of the design of individual proposed circuits is supported by PSpice and Cadence simulations with transistor–level models. Selected solutions are further implemented using available active elements and subjected to experimental measurements.
Keywords:
active element; analogue filter; current amplifier; current conveyor; current follower; electronic control; fractional–order filter; frequency filter; operational transconductance amplifier; reconnection–less reconfigurable filter; reconnection–less reconfiguration; variable gain amplifier; aktivní prvek; analogový filtr; elektronická řiditelnost; elektronicky rekonfigurovatelný filtr; filtr fraktálního řádu; kmitočtový filtr; proudový konvejor; proudový sledovač; proudový zesilovač; řiditelný filtr; řiditelný napěťový zesilovač; operační transkonduktanční zesilovač
Available in a digital repository NRGL
Elektronicky konfigurovatelné přenosové struktury
Práce se zaměřuje na vývoj a výzkum v oblasti elektronicky rekonfigurovatelných přenosových struktur. Primárním cílem je návrh těchto struktur za užití moderních elektronicky řiditelných aktivních ...
Vývoj systému pro digitální PCR
Gaňová, Martina; Lipov,, Jan; Jansová,, Eva; Neužil, Pavel
2022 - English
Mikrotechnologické a nanotechnologické metody se v posledních letech ukázaly jako účinný nástroj pro analýzu deoxyribonukleové kyseliny (DNA). Různé techniky vyvinuté k amplifikaci nukleových kyselin (NK) byli publikovány v posledním desetiletí, včetně mikrofluidních systémů. Polymerázová řetězová reakce (PCR) je v molekulární biologii široce používána k amplifikaci cílové NK in vitro. Počet skupin pracujících s PCR po celém světě je obrovský vzhledem k důležitému sociálnímu a ekonomickému dopadu této techniky, například v oblasti lékařské diagnostiky, kriminalistiky, zpracování potravin nebo environmentálních studií. V současné době pandemie koronavirového onemocnění 2019 se prokázala důležitost vývoje přístupnějších technologií pro diagnostiku virových onemocnění. Disertační práce popisuje vývoj dvou verzí platforem PCR pro detekci NK, kapkovou kvantitativní PCR v reálném čase (qPCR) a digitální PCR (dPCR). Klíčové komponenty obou platforem byly vyrobeny pomocí mikrotechnologických postupů pro úpravu povrchů a litografickou výrobu umožňující vývoj hydrofobních krycích skel nebo křemíkových mikročipů. Výsledky práce demonstrují návrh, sestavení a testování včetně optimalizace obou platforem. Technologie PCR je tvořena softwarovou částí, ovládanou programem LabView a hardwarovou častí sestávající ze systému řízení teploty a zobrazovacího systém florescence. Kapková qPCR byla prováděna v 0.3 µL kapky směsi obsahující cílový gen napipetovaný v objemu 2 µL kapky minerálního oleje. Kapky byly pipetovány na hydrofobní krycí sklo, které bylo umístěno na termoelektrický chladič (TEC) pod fluorescenční mikroskop, aby se provedlo teplotní cyklování. Změny fluorescence během cyklů byly zachyceny fotonásobičem a sledovány osciloskopem. Výsledky testování popisují také schopnost multiplexování vyvinuté techniky. V práci je představená amplifikace tří syntetických genů s využitím interkalačního fluorescenčního barviva pro simultánní detekci a kvantifikaci na základě jednoho fluorescenčního kanálu. Kapková technologie qPCR byla zásadní platformou pro další vývoj platformy dPCR. Platforma dPCR používá křemíkový mikročip s disperzí vzorku do mikrojamek o celkovém počtu 26 448, každá s průměrem 50 µm a objemem 59 pL. Mikročip naplněn vzorkem byl pokryt minerálním olejem a krycím sklem modifikovaným polydimethylsiloxanem a Parylenem C. Systém ohřevu/chlazení teplotního cyklování s TEC byl podobný jako u kapkové platformy qPCR. Fluorescenční zobrazovací systém používal k zachycení fluorescenčních obrazů polovodičovou kameru na bázi CMOS. Vyvinutá dPCR byla testována pro aplikace ve výzkumu humánní medicíny. Testovací vzorky DNA byly část syntetického genu viru, izolovaná genomická DNA viru a izolovaná genomická DNA ženy. Disertační práce popisuje vývoj systému dPCR, který je součástí nové techniky dPCR, která je cenově dostupnější a snadno použitelná s jednoduchým dávkováním vzorků, což jsou nejčastější problémy, proč si zatím mezi laboratořemi nenašla velkou popularitu. dPCR mikročip na bázi křemíku zlepšil výkon systému díky velkému počtu mikrojamek. Využití technologie dPCR vyniká ve vysoké citlivosti, v nízkém poměru signálu k šumu, dosahované přesnosti, v nízkém detekčním limitu a schopnosti multiplexování. In recent years, microtechnological and nanotechnological methods have proven to be a powerful analytical tools for deoxyribonucleic acid (DNA) analysis. There are reviewed different techniques developed over the last decade to amplify the nucleic acids (NA), including microfluidic systems. Polymerase chain reaction (PCR) is widely used in molecular biology to amplify target NA in vitro. The number of groups working on PCR worldwide is significant given the substantial social and economic impact of this technique, for example, in medical diagnostic, criminology, food processing, or environmental studies. Nowadays, the coronavirus disease 2019 pandemic proved the importance of developing more accessible technologies for diagnosing viral diseases. The thesis presents the development of two versions of PCR platforms for NA detection, droplet real-time quantitative PCR (qPCR) and digital PCR (dPCR). The critical components of both platforms were fabricated using the microtechnological procedures for surfaces modification and lithographic fabrication, allowing the development of hydrophobic cover glasses or silicon microchips. The results of the thesis demonstrate the design, assembly, and testing with optimization of both platforms. The PCR technology consists of a software part controlled by the LabView program and a hardware part consisting of a temperature control system and a fluorescence imaging system. The droplet qPCR was conducted in 0.3 µL of the master mix droplet containing the target gene encapsulated with 2 µL of mineral oil. The droplets were pipetted on the hydrophobic cover glass, placed on the thermoelectric cooler (TEC) under the fluorescence microscope to conduct thermal cycling. The fluorescence changes during thermal cycling were captured by photomultiplier tubes and monitored by oscilloscope. The results of the testing also present the multiplexing capability of the developed technique. Three synthetic genes using intercalating fluorescent dye for simultaneous detection and quantification based on a single fluorescence channel were introduced. The droplet qPCR technology was a crucial platform for further development of the dPCR platform. The dPCR platform employed a silicon microchip with microwell sample dispersion to the 26 448 microwells, each with a target diameter of 50 µm and a volume of 59 pL. The microchip loaded with the master mix containing the target DNA was covered by the mineral oil and cover glass modified by polydimethylsiloxane and Parylene C. The heating/cooling system of thermal cycling with the TEC was similar to the droplet qPCR platform. The fluorescent imaging system used a complementary metal-oxide-semiconductor (known as CMOS) camera to capture the fluorescent images. The developed dPCR was demonstrated for applications in human medical research. The synthetic virus DNA, isolated virus DNA, and female genomic DNA were tested. The thesis reveals the development of the dPCR system, which is a part of a new dPCR technique that is more affordable, easy to use with simple sample delivery, which are the most common problems why it has not yet found much popularity among laboratories. The silicon-based microchip dPCR improved the system performance due to a large number of wells. The employment of such dPCR benefits of high sensitivity, low signal to noise ratio, accuracy or lower detection limit, and multiplexing capability.
Keywords:
Droplet qPCR; dPCR; thermal cycling; fluorescence detection; microtechnology; nucleic acids analysis; DNA amplification; melting curve analysis.; Kapková qPCR; dPCR; teplotní cyklování; detekce fluorescence; mikrotechnologie; analýza nukleových kyselin; amplifikace DNA; analýza křivky tání.
Available in a digital repository NRGL
Vývoj systému pro digitální PCR
Mikrotechnologické a nanotechnologické metody se v posledních letech ukázaly jako účinný nástroj pro analýzu deoxyribonukleové kyseliny (DNA). Různé techniky vyvinuté k amplifikaci nukleových kyselin ...
NRGL provides central access to information on grey literature produced in the Czech Republic in the fields of science, research and education. You can find more information about grey literature and NRGL at service web
Send your suggestions and comments to nusl@techlib.cz
Provider
Other bases