Niemal 13 mln zł otrzymali nasi naukowcy w ramach kolejnej edycji programu Opus od Narodowego Centrum Nauki. W sumie dofinansowanie przyznano dziesięciu osobom z siedmiu wydziałów PWr.

Opus to konkurs o szerokiej formule, w którym o finansowanie projektów badawczych z zakresu badań podstawowych mogą ubiegać się badacze na każdym etapie kariery naukowej, niezależnie od wieku i poziomu doświadczenia.

Dzięki otrzymanemu grantowi mogą zbudować duże zespoły badawcze, realizować projekty wykorzystujące wielkie międzynarodowe urządzenia badawcze, a także podjąć współpracę z partnerami zagranicznymi. 

W 27. edycji granty otrzymało 357 projektów o wartości ponad 603,6 mln zł. W tym gronie znalazło się dziewięć osób z naszej uczelni, którym łącznie przyznano wsparcie w wysokości niemal 13 mln. zł.

Laureaci i laureatki programu Opus 27 z Politechniki Wrocławskiej

Prof. Teodor Gotszalk (Wydział Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów)

„Tranzystor z kropkami kwantowymi na sondzie: nowe ścieżki badania systemów kwantowych metodami mikroskopii bliskich oddziaływań – SQTMet”. Kwota dofinansowania: 1 979 200 zł.

Technologie obrazowania właściwości nanostruktur stymulują rozwój zaawansowanych technologii. Klasyczna mikroskopia bliskich oddziaływań (ang. scanning probe microscopy-SPM) należy do takich rozwiązań, jednak obrazowanie układów kwantowych wymaga, aby ostrze pomiarowe nie tylko skupiało na sobie oddziaływania dynamiczne, ale pełniło rolę nadzwyczaj czułego układu detekcji ładunku elektrycznego (elektrometru).

W projekcie prof. Teodora Gotszalka na ostrzu pomiarowym w roli elektrometru zintegrowany zostanie tranzystor jednoelektronowy pracujący w układzie kropek kwantowych. Tranzystor ten będzie wykonany w technologii osadzania warstw nieciągłych wspomaganej wiązką elektronową (ang. focused electron beam induced deposition-FEBID). Transport ładunku między nanoziarnami, pełniącymi rolę kropek kwantowych, będzie sterowany przez oddziaływanie elektrostatyczne z badaną nanostrukturą.

W ten sposób opracowana zostanie nowa technika badania właściwości nanostruktur kwantowych nazywana mikroskopią z jednoelektronowym tranzystorem (ang. scanning quantum dot transistor microscopy, SQTM). Pozwoli ona na uzyskanie rozdzielczości pomiaru odległości oraz ładunku elektrycznego odpowiednio poniżej 10 pm oraz 0,05 e. Taka rekordowa charakterystyka technologii SQTM pozwoli na badania ładunkowych struktur kwantowych przewidzianych do zastosowania w tzw. nanoelektronice jednoatomowej (ang. single atom nanoelectronics-SAN).

Projekt SQTMet będzie realizowany w ścisłej współpracy z Instytutem Mikroelektroniki i Fotoniki (IMiF) Sieci Łukasiewicz oraz partnerami zagranicznymi: Imperial College w Londynie (w zakresie pomiarów planarnych struktur jednoelektronowych) i National Physical Laboratory (w zakresie pomiarów nanowspółrzędnościowych).

Dr hab. inż. Grzegorz Pasternak, prof. uczelni (Wydział Chemiczny)

„Stymulowana bioelektrochemicznie synteza surfaktantów - w kierunku nowego procesu biosyntezy o zerowym zużyciu energii”. Kwota dofinansowania: 1 915 830 zł.

Dotychczasowe prace zespołu prof. Grzegorza Pasternaka obejmowały podstawowe zagadnienia mechanizmów przekształcania odpadów o charakterze hydrofobowym do energii elektrycznej. W toku badań naukowcy wykazali powiązanie powstawania biosurfaktantów i energii elektrycznej.

Celem kolejnego projektu jest optymalizacja tej nowej metody biosyntezy surfaktantów. Metody, która nie wymaga dostarczania prądu elektrycznego. Ich produkcja z wykorzystaniem klasycznych bioreaktorów wymaga dostarczania dużej ilości energii, która wykorzystywana jest do mieszania lub separacji biosurfaktantów z podłoża, a także dostarczania akceptora elektronów (np. tlenu). Aby sprostać tym wyzwaniom wykorzystane zostaną układy bioelektrochemiczne oparte na mikrobiologicznych ogniwach paliwowych. Mikrobiologiczne ogniwo paliwowe (MFC) to urządzenie, które wytwarza energię elektryczną za pomocą bakterii degradujących związki organiczne.

Proponowany proces pozwoli zatem na jednoczesną produkcję biosurfaktantów i energii elektrycznej. Zamiast tlenu jako akceptora elektronów zastosowane będą elektrody, co umożliwi precyzyjną kontrolę metabolizmu mikroorganizmów. Wydajność procesu poprawi się dzięki wysokoprzepustowemu podejściu, uwzględniającemu wymiar elektrochemiczny i unikalne cechy producentów biosurfaktantów.

Zbadane zostaną ich właściwości, struktura chemiczna i potencjalne zastosowania. Eksperymenty i modele oparte na uczeniu maszynowym zoptymalizują proces i wskażą jego ograniczenia przy skalowaniu technologii. Wyniki badań zespołu prof. Pasternaka pokazują, że biosynteza jest powiązana z produkcją energii elektrycznej, co może umożliwić monitorowanie procesu za pomocą pomiaru sygnału elektrycznego.

Badania, w dłuższej perspektywie, będą prowadzić do rozwoju nowych, samowystarczalnych energetycznie technologii biosyntezy, dzięki którym, surowiec do produkcji biosurfaktantów będzie również źródłem energii elektrycznej. Takie podejście doprowadzi do podniesienia ich konkurencyjności wobec konwencjonalnych surfaktantów.

Dr inż. Szymon Zelewski (Wydział Podstawowych Problemów Techniki)

„Mikroskopia fototermiczna w badaniach ekstremów transportu ciepła w półprzewodnikach nowej generacji (MicroTherm)”. Kwota dofinansowania: 1 714 580 zł.

Wszystkie urządzenia elektroniczne wykorzystują tylko ułamek dostarczonej energii elektrycznej do użytecznego działania, natomiast znaczna jej część jest tracona w postaci ciepła. Ze względu na intensywny rozwój materiałów półprzewodnikowych nowej generacji o obiecujących zastosowaniach, pewne zagadnienia związane z odprowadzaniem ciepła stały się bardziej istotne niż w przypadku materiałów obecnie stosowanych na skalę przemysłową, co często wynika z ich nietypowej struktury.

Dr inż. Szymon Zelewski w swoim projekcie MicroTherm zastosuje metody ultraszybkiej termometrii, realizowanej za pomocą technik laserowych typu pompa-sonda, do poznania parametrów związanych z transportem ciepła w nowych platformach materiałowych, jak kryształy dwuwymiarowe czy hybrydy organiczno-nieorganiczne.

Najważniejszym celem będzie zbadanie tych właściwości z dużą rozdzielczością przestrzenną, co jest istotne w celu powiązania właściwości materiału z niejednorodnością struktury i morfologią powierzchni. Będzie to możliwe dzięki użyciu konfiguracji mikroskopowych i eksperymentalnemu ograniczeniu głębokości modulacji temperatury oraz optycznie wzbudzanych fal akustycznych. Umożliwi to również zaobserwowanie potencjalnych odstępstw od prawa Fouriera opisującego transport ciepła oraz innych niespodziewanych efektów udokumentowanych w ostatnich latach dla nanostruktur w warunkach niskich temperatur.

Oprócz wartości poznawczej wyniki projektu mogą wyznaczyć nowe kierunki optymalizacji cienkowarstwowych struktur do zastosowań optoelektronicznych i termoelektrycznych. 

Dr inż. Grzegorz Dudzik (Wydział Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów)

„Nowe struktury laserów na ciele stałym jako miniaturowe, wysoce czułe detektory gazów dla spektroskopii laserowej”. Kwota dofinansowania: 1 598 360 zł.

W projekcie dr Grzegorz Dudzik zajmie się badaniami nad całkowicie nowymi konfiguracjami laserów na ciele stałym pompowanych diodowo (DPSSL), które same stają się czujnikami gazów, a nie jak do tej pory tylko źródłami światła laserowego do zastosowań w układach spektroskopii laserowej, zapewniając miniaturową, monolityczną i kompaktową budowę czujnika.

Detekcja gazu odbywa się we wnętrzu rezonatora laserowego, dzięki czemu koncentracja mierzonego gazu ukryta jest w zmianie generowanej częstotliwości lasera. Takie podejście zapewnia ogromny zakres dynamiczny pomiaru koncentracji gazów, w porównaniu do niektórych technik wykorzystujących bierne, optyczne wnęki rezonansowe.

Dodatkowo w projekcie zaproponowano pionierskie, nigdy niestosowane podejście do zwiększania czułości układów laserowej detekcji gazów, wykorzystując indukcję zjawiska orbitalnego momentu pędu materii, poprzez wytworzenie wirów optycznych w generowanej wiązce laserowej pozostającej w interakcji z mierzonym gazem.

Proponowany temat badawczy pod względem naukowym nie ma odpowiednika wśród obecnie rozwijanych technik laserowej detekcji gazów. Jednocześnie stanowi odpowiedź na rosnące zapotrzebowanie na miniaturowe, ultraczułe detektory gazów do zastosowań w ochronie i monitorowaniu środowiska, eksploracji kosmosu, diagnostyce medycznej, wykrywania wycieków, bezpieczeństwie przemysłowym i kontroli procesów, analizie chemicznej czy badaniach naukowych.

Spodziewane efekty pto realizacja nowatorskich czujników gazu jako monolitycznych, miniaturowych (20 mm długości), lekkich (kilka gramów), bardzo czułych (limit detekcji gazu na poziomie kilka/kilkanaście molekuł na miliard) struktur laserowych o ekstremalnie krótkiej drodze interakcji laser-gaz (kilka mm). Ponadto proponowane laserowe struktury sensorów są nieograniczone zakresem długości fal, na których dokonujemy detekcji, umożliwiając eksplorację zakresu THz, obecnie nieosiągalnego dla prawie wszystkich eksperymentalnych konfiguracji czujników wykorzystujących technikę laserowej spektroskopii gazów.

Dr inż. Konrad Gruber (Wydział Mechaniczny)

„RAPTOR - Rozwój wytrzymałych materiałów wysokotemperaturowych poprzez probabilistyczną optymalizację dla wytwarzania przyrostowego”. Kwota dofinansowania: 1 381 040 zł.

Celem projektu naszego naukowca jest opracowanie nowatorskiej metody odkrywania materiałów wysokotemperaturowych zoptymalizowanych pod kątem wytwarzania przyrostowego (druk 3D). Dr Konrad Gruber szczególny nacisk kładzie na redukcję kosztów i liczby eksperymentów wymaganych do odkrywania takich materiałów. Kluczowym elementem będzie tu wykorzystanie modeli probabilistycznych, takich jak optymalizacja Bayesowska, do eksploracji funkcji czarnoskrzynkowych. W kontekście badań materiałowych funkcja ta może opisywać zależność pomiędzy składem chemicznym, parametrami procesu wytwarzania i właściwościami wysokotemperaturowymi wytworzonych materiałów.

Badacz z W10 w projekcie zastosuje metodę PBF-LB/M (ang. Laser-based Powder Bed Fusion of Metals) do szybkiego wytwarzania próbek oraz metodę Hot-PIP (ang. Profilometry-based Indentation Plastometry in High-Temperatures) do efektywnego i precyzyjnego badania ich właściwości, co wyeliminuje konieczność wykonywania czasochłonnych testów wytrzymałościowych. Kluczowym elementem będzie iteracyjna pętla eksperymentalna, obejmująca przygotowanie nowych mieszanek materiałowych (PREP), wytwarzanie próbek (FAB), testowanie materiałów (CHAR) oraz aktualizację modelu probabilistycznego (OPT).

W efekcie mają zostać opracowane optymalne kompozycje materiałowe, które zapewnią najlepsze właściwości, takie jak wytrzymałość, wydłużenie, twardość czy porowatość. Choć w pętli eksperymentalnej projektu RAPTOR dr Gruber zastosuje nadstopy niklowe oraz metodę PBF-LB/M, wyniki projektu mogą znaleźć zastosowanie także w innych dziedzinach badań materiałowych i inżynierii.

Prof. Irena Žižović (Wydział Chemiczny)

„Re-kokrystalizacja z wykorzystaniem nadkrytycznego ditlenku węgla – nowatorski, ekologiczny proces tworzenia submikronowych kokryształów”. Kwota dofinansowania: 1 355 364 zł.

Około 90% nowych molekuł leków poddawanych badaniom klinicznym i 40% obecnie sprzedawanych leków należy do klas II i IV systemu klasyfikacji biofarmaceutycznej (BCS), które charakteryzują się słabą rozpuszczalnością w wodzie i niską biodostępnością. Jednym ze sposobów zwiększenia biodostępności leków jest ich kokrystalizacja z rozpuszczalnym w wodzie koformerem. Konwencjonalne technologie kokrystalizacji wykorzystują rozpuszczalniki organiczne, a dolna granica wielkości cząstek jest rzędu mikronów.

Dlatego w ramach projektu prof. Ireny Žižović zostanie opracowany nowy proces produkcji submikronowych kokryształów z wykorzystaniem nadkrytycznego ditlenku węgla (nkCO₂), a parametry procesu zostaną zoptymalizowane dla wybranych słabo rozpuszczalnych w wodzie leków oraz bioaktywnych substancji pochodzenia naturalnego. Duże kokryształy będą wytwarzane za pomocą prostej procedury mechanicznej bez użycia rozpuszczalników organicznych.

W kolejnym etapie kokryształy zostaną rozpuszczone w nkCO₂, a następnie ponownie skrystalizowane podczas dekompresji i chłodzenia. Proces jest oparty na zachowaniu oddziaływań elektrostatycznych w fazie nadkrytycznej. Przy odpowiednim doborze parametrów procesu, submikronowe kokryształy będą wytwarzane w postaci wolnej lub będą impregnowane na odpowiednich nośnikach, takich jak pianki z farmaceutycznych i innych biodegradowalnych polimerów oraz aerożeli.

Wyniki tych badań otworzą nowe możliwości w przemyśle farmaceutycznym i spożywczym.

Dr hab. inż. Magdalena Nemś, prof. uczelni (Wydział Mechaniczno-Energetyczny)

„Badanie wpływu przestrzennej struktury porowatej na wymianę ciepła w wysokotemperaturowym wymienniku ciepła wytworzonym w technologii przyrostowego druku 3D”. Kwota dofinansowania: 1 269 995 zł.

Rozwijające się technologie przyrostowego druku 3D w metalu dają nowe możliwości tworzenia skomplikowanych konstrukcji i struktur, które dotychczas nie były możliwe do osiągnięcia przy zastosowaniu tradycyjnych technik obróbki. W swoim projekcie prof. Magdalena Nemś zaproponowała zaprojektowanie oraz wykonanie wysokotemperaturowego, rurowego wymiennika ciepła, który będzie posiadał porowatą strukturę wewnętrzną i będzie w całości wydrukowany na drukarce 3D z aluminium, a w końcowej części projektu również ze stali.

Wymiennik posłuży jako absorber w parabolicznym kolektorze słonecznym, który pozwala na osiąganie temperatury powyżej 220°C dzięki koncentracji wiązki promieniowania słonecznego. Czynnikiem roboczym w układzie będzie powietrze.

Dotychczasowe wyniki prac badawczych wskazują na dużą poprawę sprawności cieplnej wymiennika rurowego, po zastosowaniu dodatkowych żeber. Jest to szczególnie istotne przy specyficznej wymianie ciepła w koncentratorach słonecznych, gdzie tylko połowa wymiennika jest nagrzewana do wysokich temperatur, a powszechnym problemem jest odbiór ciepła przez czynnik roboczy. Ze względu na to duża część zadań w projekcie będzie związana z przeanalizowaniem przeszło 100 różnych geometrii wewnętrznych absorbera, klasycznych żeber oraz struktur inspirowanych naturą. Dla wytypowanych rozwiązań zostanie wykonane modelowanie analityczne i numeryczne CFD. Ma to na celu określić wpływ danej geometrii na wymianę ciepła i procesy cieplno- przepływowe, w tym spadki ciśnienia spowodowane oporami przepływu. Dziewięć najlepszych struktur zostanie wydrukowanych i przebadanych eksperymentalne w celu walidacji modeli.

Projekt będzie realizowany przy wsparciu naukowców z ośrodka badawczego Plataforma Solar de Almeria w Hiszpanii.

Prof. Maciej Maśka (Wydział Podstawowych Problemów Techniki)

„Kwantowe ciecze spinowe i inne nietrywialne niskowymiarowe struktury spinowe”. Kwota dofinansowania: 1 143 994 zł.

W ostatnich dekadach fizycy zajmujący się materią skondensowaną odkryli „nieznany ląd” zaskakujących stanów materii, znacznie różniących się od tradycyjnych ciał stałych, cieczy i gazów. Okazało się, że kiedy temperatura jest wystarczająco niska, efekty termiczne zanikają, a kwantowo-mechaniczna natura składników materii zaczyna decydować o własnościach.

Pojawiły się więc nowe rodzaje emergentnego porządku i egzotyczne właściwości związane z topologią, symetrią, splątaniem, frustracją, frakcjonalizacją, itp. Przykładem jest stan zwany kwantową cieczą spinową, czyli faza materii posiadająca unikalne cechy, które sprawiają, że jest ona istotna zarówno dla badań teoretycznych, jak i potencjalnych zastosowań praktycznych. To właśnie kwantowa ciecz spinowa jest jednym z podstawowych obiektów, na które ukierunkowane będą badania prof. Macieja Maśki.

Projekt jest dwutorowy. W jednej części zakłada badanie konkretnych układów fizycznych o wysoce nietrywialnych własnościach (m.in. kwantowe ciecze spinowe), w drugiej opracowane zostaną numerycznych narzędzia, które pozwolą te badania przeprowadzić w efektywny sposób.

Obecność korelacji elektronowych i różnych rodzajów frustracji powoduje, że badanie tych układów jest trudne. Obliczenia analityczne, poza szczególnymi przypadkami, nie mogą być przeprowadzone, natomiast dla obliczeń numerycznych głównym wyzwaniem jest brak wiarygodnych algorytmów, które pozwoliłyby uzyskać wyniki z wymaganą dokładnością. Dlatego w ramach realizowanego projektu zaproponowane zostaną nowatorskie metody obliczeniowe, pozwalające sprostać stawianym wymaganiom. Mają one być oparte w szczególności o techniki nauczania maszynowego, których efektywność i dokładność pozwoli pokonać trudności wynikające z natury tych nietrywialnych stanów.

Realizacja projektu z jednej strony pozwoli zaprojektować i poznać właściwości układów fizycznych, które mogą mieć praktyczne zastosowanie m.in. w topologicznych komputerach kwantowych, z drugiej zaś dostarczy nowych, efektywnych narzędzi do numerycznej analizy układów, w których korelacje i frustracja ograniczają możliwość stosowania tradycyjnych podejść.

Dr hab. inż. arch. Jadwiga Urbanik, prof. uczelni (Wydział Architektury)

„Osiedla i zespoły mieszkaniowe Wrocławia w okresie 1918-1940, Republika Weimarska i Trzecia Rzesza”. Kwota dofinansowania: 487 704 zł.

W dzisiejszych czasach powstają głównie deweloperskie zespoły mieszkaniowe, o parametrach uzależnionych od zysku. Warto więc przyjrzeć się osiedlom budowanym w okresie międzywojennym, które istnieją do dzisiaj i są nadal użytkowane. Mimo ich postępującej degradacji i braku należytych działań konserwatorskich cieszą się wielką sympatią mieszkańców. Prof. Jadwiga Urbanik chce znaleźć, za pomocą naukowych metod, powody takiego stanu rzeczy. 

Jej celem będzie przedstawienie wpływu władz miasta na politykę osiedlową stolicy Dolnego Śląska w okresie międzywojennym oraz pokazanie specyficznych walorów budownictwa mieszkaniowego w przedwojennym Wrocławiu na tle sytuacji w ówczesnych Niemczech (działalność Werkbundu i Państwowego Towarzystwa Badawczego do spraw Ekonomiki w Budownictwie i Mieszkalnictwie - Reichsforschungsgesellschaft für Wirtschaftlichkeit im Bau- und Wohnungswesen – RFG, plan Ch. Dawesa), na tle problemów miasta dotyczących braku terenów pod zabudowę (konkurs na rozwój miasta i dyskusja nad pierwszym planem generalnym).

Ponadto zamierza przedstawić przeobrażenia dotyczące kształtowania zespołów, osiedli mieszkaniowych i mieszkań w okresie Republiki Weimarskiej i III Rzeszy we Wrocławiu, w odniesieniu do sytuacji społecznej ówczesnych Niemiec. 

W efekcie badań powstanie pierwsze syntetyczne opracowanie dotyczącego zabudowy mieszkaniowej Wrocławia w latach 1918-1940. Zebrany materiał posłuży też do zdiagnozowania przydatności wrocławskich osiedli z lat międzywojennych dla współczesnego miasta. Projekt zakończy się obszernym raportem, z którego będą mogli korzystać konserwatorzy, architekci, deweloperzy, studenci czy tez naukowcy. 

Dr hab. inż. Krzysztof Solak, prof. uczelni (Wydział Elektryczny)

Nasza uczelnia jest partnerem w projekcie „Badanie strukturalne i ocena stopnia degradacji wysokotemperaturowych taśm nadprzewodnikowych II generacji do zastosowań w nadprzewodnikowych ogranicznikach prądów zwarciowych”. 

Ze względu na interdyscyplinarność rozważanych zagadnień będzie on realizowany w konsorcjum złożonym z Instytutu Automatyki, Elektroniki i Elektrotechniki Uniwersytetu Zielonogórskiego oraz Katedry Energoelektryki na Wydziale Elektrycznym Politechniki Wrocławskiej.

Całością kieruje dr hab. inż. Paweł Szcześniak z Uniwersytetu Zielonogórskiego, a łączna kwota dofinansowania to 1 250 520 zł. Ze strony PWr prace koordynuje prof. Krzysztof Solak z Wydziału Elektrycznego. Naszej uczelni przyznano 489 793 zł.

Celem zaplanowanych badań w tym projekcie jest uzyskanie wiedzy o zmianach zachodzących w wysokotemperaturowych taśmach nadprzewodnikowych drugiej generacji (HTS 2G) z nadprzewodnikiem YBCO, pracujących w nadprzewodnikowych ogranicznikach prądu zwarciowego (NOPZ) na skutek wychodzenia nadprzewodnika ze stanu nadprzewodzącego w wyniku działania prądów zwarciowych i powodujących degradacje parametrów taśm HTS.

Nadprzewodniki wysokotemperaturowe, jako materiały ceramiczne, charakteryzują się małą wytrzymałością mechaniczną. Ciepło generowane w taśmach HTS w stanie rezystywnym musi być rozproszone w układzie chłodzenia. Proces wymiany ciepła pomiędzy taśmą HTS a ciekłym azotem przebiega ze zmienną intensywnością i zależy od różnicy temperatur taśmy i cieczy kriogenicznej. W taśmach może dochodzić do uszkodzeń mechanicznych oraz do zmiany wartości prądu krytycznego.

Zaplanowane kompleksowe analizy teoretyczne i symulacyjne w opracowanym modelu taśmy HTS oraz badania eksperymentalne doprowadzą do uzyskania nowej wiedzy w zakresie czynników wywołujących degradację taśm, zjawisk elektrycznych oraz efektów cieplnych powstających podczas ograniczania prądów zwarciowych.

Badania te mają istotne znaczenie dla opracowania rekomendacji i metod detekcji uszkodzeń w taśmach HTS pracujących w NOPZ.

Na Politechnice Wrocławskiej realizowane będą badania stanowiące połowę zaplanowanych zadań badawczych, czyli analiza zmian wartości parametrów dla kilku rodzajów taśm HTS przy różnych warunkach pracy, ustalenie rekomendacji dotyczących metod detekcji uszkodzeń w taśmach HTS 2G pracujących w NOPZ, badanie systemów zabezpieczeń taśm HTS przed działaniem prądów zwarciowych i rekomendacje metod zabezpieczenia taśm HTS w układach NOPZ, badanie wpływu degradacji taśm HTS (zmniejszenie prądu krytycznego) na współpracę NOPZ z automatyką zabezpieczeniową w sieciach średniego napięcia.