Zakład Teorii Ośrodków Ciągłych

Transkrypt

1 Pracownia Mechaniki Analitycznej i Teorii Pola (dr Wasyl Kowalczuk) Pracownia Fizyki Polimerów (dr hab. Paweł Sajkiewicz, prof. IPPT) Zespół Badawczy Nanofotoniki (prof. dr hab. Wojciech Nasalski) Zespół Badawczy Akustoelektroniki (dr hab. Piotr Kiełczyński, prof. IPPT) Kierunki badawcze: - Mechanika ośrodków ze strukturą - zastosowanie metod teorii ośrodków ciągłych, metod geometrii przestrzeni fazowej i teorii grup. Nieliniowe efekty kwantowe w nanostrukturach. Rola więzów nieholonomicznych w dynamice ciał. - Fizyczne podstawy transportu bezmasowych gazów kwantowych (fonony, fermiony). - Nieliniowe zagadnienia w dyfuzji i propagacji fal. - Modelowanie kinetyki kształtowania się nanoskopowej struktury krystalicznej w polimerach. - Formowanie, struktura i właściwości nanowłókien polimerowych otrzymywanych metodą elektroprzędzenia jako rusztowań w hodowli komórek in vitro. - Fotonika i plazmonika ośrodków nano-meta-materiałowych. - Sensory ultradźwiękowe do badania właściwości fizycznych materiałów.

2 Pracownia Mechaniki Analitycznej i Teorii Pola Mechanika analityczna ośrodków z mikrostrukturą Cel: zbadanie dynamiki ciał afinicznie sztywnych (deformowalnych jednorodnie) z istotnie nieholonomicznymi więzami ruchu bezobrotowego. Metoda: geometryczna realizacja więzów nałożonych na ruch afiniczny w opisie d Alembertowskim i z zastosowaniem twierdzenia Lusternika (wakonomicznym - variational axiomatic kind). Wyniki: dla przypadku więzów ruchu bezobrotowego otrzymano równania ruchu w opisie d'alembertowskim i wakonomicznym. Perspektywy: zastosowanie w dynamice molekularnej i jądrowej, dynamice przemieszczania pęcherzyków gazu i innych wtrąceń w płynach o dużej lepkości, w procedurach aktywnego sterowania z wykorzystaniem serwomechanizmów. Więzy ruchu bezobrotowego: Rozkład biegunowy: Równania ruchu w opisie: d'alembertowskim symetryczna część afinicznych równań ruchu, wakonomicznym więzy wprowadzone bezpośrednio do zasady wariacyjnej: Gołubowska B., Kovalchuk V., Sławianowski J.J., J. Geometry and Physics, 78, 59-79, 2014 (25 pkt.)

3 Pracownia Mechaniki Analitycznej i Teorii Pola Nieliniowe efekty transportu gazów kwantowych Cel: zbadanie makroskopowych równań transportu wynikających z kinetycznej teorii gazów w zastosowaniu do hydrodynamiki radiacyjnej i gazu fononów. Metoda: maksymalizacja entropii Boltzmanna prowadząca do zamykania układu równań momentowych i otrzymania równań hydrodynamiki. Wyniki: wyprowadzono równania hydrodynamiki radiacji fermionów. Zbadano propagację fal słabej nieciągłości w gazie fononowym z nieliniowym związkiem dyspersyjnym. Porównano z danymi doświadczalnymi. Perspektywy: rozszerzenie na teorię hydrodynamiki gazu fononów z układem równań momentowych uwzględniających wyższą liczbę momentów, dwoma czasami relaksacji i nieliniowym związkiem dyspersyjnym. Nieliniowy związek dyspersyjny: Propagacja fali słabej nieciągłości: Larecki W., Banach Z., Physica D, 266, 65-79, 2014 (35 pkt.) Banach Z., Larecki W., Nonlinearity, 26, , 2013 (35 pkt.) 3-parametrowy model empiryczny

4 Pracownia Fizyki Polimerów Modelowanie kinetyki kształtowania się nanoskopowej struktury krystalicznej w polimerach Cel: określenie rozkładu grubości nanoskopowej kryształów płytkowych kontrolowanego kinetyką zarodkowania i wzrostu ze stopu polimeru w warunkach izotermicznych. Metoda: modyfikacja kinetycznej teorii zarodkowania i wzrostu oraz teorii Kołmogorova- Avramiego-Evansa kinetyki krystalizacji dla przejść fazowych ciecz-kryształ z różnymi grubościami kryształów płytkowych. Wyniki: kinetyka krystalizacji silnie uzależniona od grubości płytek. Grubość powstających kryształów płytkowych znacząco rośnie ze wzrostem temperatury, co prowadzi do wzrostu stabilności termicznej materiałów polimerowych (topnienie w wyższej temperaturze). Perspektywy: rozwinięcie modelu dla procesów nieizotermicznych, w tym z dużymi szybkościami chłodzenia stopu. Zastosowanie do przewidywania struktury, modelowania oraz projektowania procesów przetwórstwa polimerów. Kryształ płytkowy - sfałdowany łańcuch polimeru Gibbs free energy l 1 l 2 l 3. 8 plate-like crystals Misztal-Faraj B., J. Materials Res., 28, , 2013 (30 pkt.) melt T Temperature Przejścia fazowe stoppłytki krystaliczne l i Temperature, T (K) ipp l opt l min nucleation l max no nucleation Plate thickness, l (nm) T m Wpływ temperatury krystalizacji ipp na zakres grubości zarodkowania płytek Kinetyka krystalizacji ipp - model płytkowy; T=396K

5 Pracownia Fizyki Polimerów Struktura i właściwości nanowłókien formowanych metodą elektroprzędzenia jako rusztowań w hodowli komórek Cel: określenie zależności pomiędzy warunkami elektroprzędzenia nanowłókien a ich strukturą i właściwościami z perspektywy zastosowań jako podłoża hodowli komórek. Metoda: elektroprzędzenie, mikroskopia optyczna, elektronowa i fluorescencyjna, DSC, rozproszenie rentgenowskie, tensometria, badania biologiczne in vitro. Wyniki: efektywny zakres warunków elektroprzędzenia, optymalny skład nanowłókien. Perspektywy: zastosowanie rozpuszczalników o małej toksyczności w elektroprzędzeniu oraz innych polimerów i kopolimerów biozgodnych, np. nowego kopolimeru: telecheliczny poliuretan/phb. Formowanie włóknin i membran z nanowłókien uwalniających leki. Badania o potencjale wdrożeniowym w inżynierii biomedycznej i terapii. Fibroblasty 3T3 na włókninach PCL z optymalną zawartością żelatyny (20%) SEM i FM Kołbuk D., Sajkiewicz P., Maniura-Weber K., Fortunato G., Europ. Polymer J., 49, , 2013 (35 pkt.) Alhazov D., Gradys A., Sajkiewicz P., Arinstein A., Zussman E., Europ. Polymer J., 49, , 2013 (35 pkt.) Kołbuk D., Sajkiewicz P., Denis P., Choińska E., Bull. Polish Acad.Sci.,Techn.Sci., 61, 3, , 2013 (25 pkt.)

6 Zespół Badawczy Nanofotoniki Fotonika i plazmonika ośrodków nano-meta-materiałowych Cel: analiza procesów nanowizualizacji optycznej z wykorzystaniem transformacji momentu pędu. Metody: Teoretyczne: ścisłe rozwiązania równań Maxwella, promienie zespolone, Numeryczne: ścisła metoda fal sprzężonych (RCWA), metody optyki geometrycznej, Eksperyment: nanowizualizacja w polu bliskim i dalekim metodami SNOM, AFM i Confocal. Wyniki: A. Ścisłe rozwiązania pola wektorowych paczek falowych, sprzężenia międzypolaryzacyjne momentu pędu. Otrzymano ściśłe wyrażenia analityczne pola wektorowych paczek falowych spełniające pełny układ równań Maxwella; udowodniono, że takie paczki falowe stanowią wektory własne operatorów odbicia i transmisji nanostruktury, z wartościami własnymi w postaci uogólnionych współczynników Fresnela; wykazano, że spełnienie tych zależności warunkuje efekt sprzężenia międzypolaryzacyjnego (XPC) pola ze strukturą. Efekt ten prowadzi, przy zachowaniu całkowitego momentu pędu (AM) fotonu, do wzajemnej konwersji składowych AM pola: spinowej (SAM) i orbitalnej (OAM) [1]. Rozkład poprzecznych składowych pola o polaryzacji kołowej CR (lewa kolumna) i CL (prawa kolumna) wązkich wiązek Laguerra- Gaussa (elg), odpowiednio w rzędzie: elg 1,3 i elg 0,5 ; górny rząd natężenie pola, dolny rząd faza pola. Promień przekroju wiązek równy długości fali. Pole wiązek spełnia ściśle pełny układ równań Maxwella [1]; symulacje numeryczne RCWA ścisłego rozwiązania na podstawie wcześniejszych prac autora. [1] Nasalski W.: Opt. Lett. 38, 809, 2013 (45 pkt.); Applied Phys. B: Lasers and Optics, 115, 2014 (30 pkt.)

7 B. Numeryczne symulacje rozkładu pola optycznego w elementach nanofotoniki i plazmoniki. Udokumentowano numerycznie działanie efektu XPC w nanostrukturze złożonej z periodycznie rozłożonych koncentrycznych falowodów w kształcie stref Fresnela; wykazano generację wirów optycznych, występowanie ponadnormatywnej transmisji (EOT) i efektu ogniskowania pola na takiej strukturze [2]; ponadto, przeprowadzono symulacje procesów odbicia, transmisji i absorpcji pola optycznego na jednowymiarowej siatce dyfrakcyjnej wygrawerowanej w warstwie srebra [3]. Wektor Poytinga S w płaszczyźnie ogniskowej pola generowanego falą płaską na periodycznej strukturze komórek Fresnela; od lewej: całkowity wektor S, poprzeczna i podłużna składowe pola [2]. Roszkiewicz A. and Nasalski W.: [2] Bull. Pol. Ac. Tech. Sci. 61, 855 (2013), [3] J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 46, (2013). C. Nanowizualizacja elementów mikroelektroniki, nanofotoniki i struktur biologicznych. Kontynuowano pomiary nanowizualizacji w modach Confocal, AFM i SNOM dla zespołów IPPT PAN (ZWM, ZMFP, ZTOC), IG PAN, Wydziału Chemii UJ i Jagiellońskiego Centrum Rozwoju Leków; dokumentacja wyników pomiarów: nanophotonics.html. Nanowizualizacja nieciągłości struktury tellurku kadmu Nanowizualizacja komórki śródbłonka myszy Perspektywy: prace nawiązują ściśle do najnowszych trendów w fotonice i plazmonice, stanowią wstęp do nanopułapkowania, nanosamoorganizacji, fotolitografii i modyfikacji paneli słonecznych.

8 Zespół Badawczy Akustoelektroniki Sensory ultradźwiękowe do badania właściwości fizycznych materiałów Cel: wyznaczanie parametrów termodynamicznych cieczy pod dużym ciśnieniem. Metoda: pomiar lepkości z zastosowaniem falowodów fal powierzchniowych Love a i Bleusteina-Gulyaeva. Pomiar prędkości fali ultradźwiękowej w cieczy pod dużym ciśnieniem. Wyniki: wyznaczono izotermy prędkości, gęstości, lepkości, ściśliwości adiabatycznej i izotermicznej, ciepła właściwego pod stałym ciśnieniem, rozszerzalności cieplnej, parametru nieliniowości akustycznej B/A w zakresie ciśnień do 600 MPa. Wyznaczenie tych parametrów jest trudne metodami klasycznymi. Perspektywy: rozszerzenie na badanie właściwości biopaliw (biodiesel), zastosowania w optymalizacji wtryskiwaczy paliwa w silnikach diesla, konserwację żywności. Kiełczyński P., Szalewski M., Balcerzak A., Wieja K., Rostocki A.J., Siegoczyński R.M., Ptasznik S., LWT - Food Sci. Technol., 57, , 2014 (40 pkt.) Kiełczyński P., Szalewski M., Balcerzak A., Rostocki A.J., Tarakowski R., Ptasznik S., J. American Oil Chemists Soc., 90, , 2013 (30 pkt.) Kiełczyński P, Szalewski M., Balcerzak A. Malanowski A., Rostocki A.J., Kościesza R., Tarakowski R., Ptasznik S., Siegoczyński R.M, High Press. Res., 33, , 2013 (25 pkt.) Kiełczyński P, Szalewski M., A. Balcerzak, A.J. Rostocki, A. Malanowski, Tarakowski R., Ptasznik S., High Pressure Res., 33, , 2013 (25 pkt.) Kiełczyński P., Szalewski M., Balcerzak A., Wieja K. et. al., IEEE International Ultrasonics Symposium, Prague, Velocity [m/s] Pressure [MPa] DAG Oil Velocity Velocity [m/s] Temperature [in Celsius]

9 Zespół Badawczy Akustoelektroniki Sensory ultradźwiękowe do badania właściwości fizycznych materiałów Cel: opracowanie Metody Odwrotnej do jednoczesnego wyznaczania lepkości η oraz gęstości ρ cieczy. Metoda: zastosowano metodę powierzchniowej fali Love a. Wyniki: Zadanie Odwrotne sformułowano jako Zagadnienie Optymalizacyjne z minimalizacją odpowiednio skonstruowanej funkcji celu. Uzyskano wyniki z dużą dokładnością pomiarów. Perspektywy: rozszerzenie metody na ciecze lepkosprężyste (algorytmy ewolucyjne), zastosowania w przemyśle petrochemicznym, w trudnych warunkach pomiarów (płuczki wiertnicze), stopione polimery: C. Liquid Falowód fali Love a Cu na stali + ciecz Minimum funkcji celu

10 Ogólnie: Prace badawcze w Zakładzie prowadzone są z zastosowaniem metod teorii ośrodków ciągłych oraz metod teorii pola do: badania fizycznych podstaw mechaniki ośrodków ze strukturą, w tym z mikro- i nanostrukturą, badania kinetyki kształtowania się struktury, badania oddziaływań struktury z polami zewnętrznymi w różnych warunkach termodynamicznych, optymalizacji struktury materiałów do zastosowań praktycznych w nanotechnologiach biomedycznych, optoelektronice, budowie sensorów właściwości fizycznych materiałów.