Kierownik Zakładu:

Zlec. 203 Istotna nieliniowość i symetria w układach polowo-mechanicznych.

Zlec. 204 Teoretyczne i doświadczalne badania kształtowania się struktury nanoskopowej polimerów w różnych warunkach termodynamicznych.

Zlec. 205 Zastosowania metod optycznych w nanotechnologii.

Zlec. 206 Sensory ultradźwiękowe do badania własności fizycznych materiałów.

ZLECENIE NR 203 Istotna nieliniowość i symetria w układach polowo-mechanicznych.

1. CEL BADAŃ:
   • Zastosowanie teorii z cechowaniem do opisu nieliniowej dynamiki pól fizycznych i materii skondensowanej, głównie kontinuum z defektami. Jako grupy cechowania użyto grupy Poincarego, grupy przekształceń konforemnych w przestrzeni Minkowskiego oraz rozszerzeń zespolonych tych grup.
   • Opracowanie metod momentowych kinetycznej teorii bezmasowych gazów i płynów kwantowych. Koncentrowano się na zagadnieniach radiacji jak i na fononowym transporcie ciepła w dielektrykach i półprzewodnikach.
   • Badanie problemów farmakokinetyki, odporności na leki oraz analiza równania nieliniowego rządzącego dynamiką leków w organiźmie.
2. OPIS REALIZOWANYCH PRAC:

   Badano nieliniowe modele dynamiczne układów ciał deformowalnych w prosty, „usztywniony” sposób, w tym z dynamiką zakodowaną w sposób geodezyjny, bez wprowadzania potencjału, ale z odpowiednim tensorem odpowiedzialnym za inercyjne własności ciała.

   Uproszczone modele tego typu spełniają równania typu uogólnionej nieliniowej elektrodynamiki. Opracowano też kwantową dynamikę układów momentu pędu i afinicznego momentu pędu oraz przedyskutowano granicę klasyczną teorii kwantowej. Zbadano także modeleoparte na grupie przekształceń rzutowych.

   Rozważano nierównowagowy jednowymiarowy przepływ radiacyjny charakteryzowany energią, strumieniem ciepła i dewiatorem strumienia ciepła. Pokazano, ze w teorii pełnomomentowej przepływ jest niezależny od statystki jakiej podlegają cząstki i jest identycznydla fermionów, bozonów i cząstek klasycznych. Przeanalizowano zagadnienie propagacji fal słabej nieciągłości oraz przeprowadzonoporównanie wyliczonego frontu temperatury z danymi doświadczalnymi.

3. OPIS NAJWAŻNIEJSZYCH OSIĄGNIĘĆ:

   Opracowano serię publikacji poświęconych wyżej wymienionym zagadnieniom. Część z nich została opublikowana w roku sprawozdawczym. Na szczególne wyróżnienie zasługują publikacje w Mathematical Methods in the Applied Sciences, Discrete and Continuous Dynamical Systems-Series B, Acta Physica Polonica B oraz nasze wkłady książkowe do publikacji zagranicznych. Najważniejszym dotychczas otrzymanym osiągnięciem kinerycznej teorii gazów bezmasowych jest wykazanie, że hydrodynamika cząstek (raczej quasi-cząstek) kwantowych jest niezależna od ich charakterystyki spinowej.

4. WYKORZYSTANIE UZYSKANYCH WYNIKÓW:

   Uzyskane wyniki pozwalają na konstrukcję hierarchii teorii materii skondensowanej i teorii pola ze względu na założoną grupę symetrii,analizę rozwiązalności otrzymanych modeli, ze szczególnym uwzględnieniem rozwiązań izotropowych, analizę porównawczą między teoriąpola i teorią ośrodków, zwłaszcza z mikrostrukturą. W zakresie teorii przepływu gazów bezmasowych uzyskano wyniki pozwalające na porównanie z danymi doświadczalnymi, w tym wskazanie o niezależności procesu od charakteru cząstek. Wyciągnięto wnioski odnośniechemioterapii w chorobach nowotworowych.

ZLECENIE NR 204  Teoretyczne i doświadczalne badania kształtowania się struktury nanoskopowej polimerów w różnych warunkach termodynamicznych.

1. CEL BADAŃ:

   Poznanie mechanizmów kształtowania się struktury nadmolekularnej polimerów na poziomie nanoskopowym pod wpływem zmiennej temperatury i naprężenia. Badania teoretyczne kinetyki krystalizacji polimerów oraz kształtowania się struktury polimorficznej mają na celu formułowanie modeli kinetycznych przemiany struktury w procesach przetwarzania z różnymi szybkościami chłodzenia lub grzania. Celem badań doświadczalnych jest poznanie kształtowania się struktury nanowłókien otrzymywanych metodą elektroprzędzenia z polimerów o zastosowaniach  biomedycznych, w tym znaczenia charakteru powierzchni włókien i ich struktury  z punktu widzenia efektywności rusztowań do hodowli komórkowych w inżynierii tkankowej, a także weryfikacja modeli teoretycznych.

2. OPIS REALIZOWANYCH PRAC:

   Zadania badawcze:

   a) Modelowanie kinetyki przemian fazowych w polimerach (kontynuacja).

   b) Badania doświadczalne struktury polimerów o znaczeniu biomedycznym (kontynuacja).

   c) Symulacja dynamiki molekularnej stopów polimerów krystalizujących z zastosowaniem algorytmu ruchów kooperatywnych (kontynuacja).
   

   Rozwijano kinetyczny model krystalizacji płytkowej ze stopu, typowej dla polimerów z fałdowaniem się makrocząsteczek oraz dla cieczy o sztywnych anizotropowych molekułach. Przyjęto, że przejścia pomiędzy fazami płytkowymi o różnych grubościach nie występują z powodów kinetycznych. Dyskutowano wpływ warunków termodynamicznych na kinetykę zarodkowania i wzrostu. Wyznaczono zakres grubości kryształów powstających w wyniku nukleacji i zbadano zależność kinetyki krystalizacji od ich grubości.
   Prowadzono analizę wyników badań strukturalnych nanowłókien formowanych z roztworu metodą elektroprzędzenia celem znalezienia zależności pomiędzy strukturą a właściwościami otrzymanych włóknin z punktu widzenia zastosowania jako rusztowań do hodowli komórkowychin vitro. Badania prowadzono z użyciem polikaprolaktonu (PCL) w stanie czystym i z dodatkiem żelatyny lub kolagenu - środków zawierających sekwencję aminokwasów RGD, która prowadzi do zwiększenia adhezji komórek do podłoża. Podjęto badania nad mieszalnością polimerów w układach dwuskładnikowych polimer syntetyczny/biopolimer, w szczególności PCL/żelatyna. Badano krystalizację polimerów biodegradowalnych PHB i PLLA metodami DSC, mikroskopii optycznej i depolaryzacji światła.
   Kontynuowano prace nad wyznaczaniem charakterystyk statystycznych i kinetycznych układu giętkich łańcuchów polimeru metodą symulacji komputerowej z zastosowaniem algorytmu ruchów kooperatywnych. Opracowano procedury numeryczne z opcją dodatkowych więzów reprezentujących proces krystalizacji w układzie.

3. OPIS NAJWAŻNIEJSZYCH OSIĄGNIĘĆ:

   Uzyskano pełny model kinetyki przemiany kontrolowanej przez nukleację pierwotną i wtórną wzrostu kryształów płytkowych o różnych grubościach. W badaniach nad wpływem struktury nanowłókien w rusztowaniach na hodowlę komórek prowadzonych z użyciem PCL stwierdzono, że dodatek żelatyny lub kolagenu znacznie zwiększa adhezję komórek do podłoża ze względu na obecność sekwencji aminokwasów RGD we włóknach z zawartością biopolimeru.

4. WYKORZYSTANIE UZYSKANYCH WYNIKÓW:

   Kinetyczna teoria krystalizacji płytkowej może być zastosowana do modelowania ewolucji składu fazowego polimerów w różnych procesach przetwórstwa w warunkach nieizotermicznych, którym towarzyszy krystalizacja lub topnienie polimeru, i optymalizacji procesu. Wyniki badań nad wpływem struktury nanowłókien PCL z dodatek żelatyny lub kolagenu w rusztowaniach do hodowli komórkowych mogą znaleźć zastosowanie w inżynierii tkankowej.

ZLECENIE NR 205 Zastosowania metod optycznych w nanotechnologii.

1. CEL BADAŃ:

   Modelowanie działania elementów fotonicznych w procesach nanowizualizacji z wykorzystaniem metamateriałów i planarnych struktur plazmoniki.

2. OPIS REALIZOWANYCH PRAC:

   Opis realizowanych prac zgodny z opisem najważniejszych osiągnięć (poniżej).

3. OPIS NAJWAŻNIEJSZYCH OSIĄGNIĘĆ:

   a. Optymalizacja zjawisk absorpcji, odbicia, transmisji i kierunkowości przepływu energii w wielowarstwowych i periodycznych metalodielektrycznych strukturach plazmonowych, z uwzględnieniem rezonansowego pobudzania i sprzężenia plazmonów polarytonów powierzchniowych i modów wnękowych struktury; wykazanie szczególnej użyteczności takiej analizy w modelowaniu i optymalizacji koncentratorów optycznych w zakresie podczerwieni; prace stanowią rozwinięcie analizy tego problemu zawartej w dysertacji doktorskiej dr Agaty Roszkiewicz obronionej w IPPT PAN w 2012 roku.

   b. Przeprowadzenie, po raz pierwszy w Zespole Nanofotoniki, w pełni udanej nanowizualizacji struktury wewnętrznej komórki biologicznej (komórki nabłonka myszy) przy pomocy techniki SNOM.

   c. Uogólnienie na przypadek ścisły (nieprzyosiowy) otrzymanego w 2006 roku przyosiowego rozwiązania zagadnienia oddziaływania (typu cross-polarization (XPC); W. Nasalski, Phys. Rev. E74, 056613 (2006)) wektorowych wiązek falowych (typu elegant Laguerre-Gaussian (ELG)) ze strukturami planarnymi; wyprowadzenie kompletnej reprezentacji wektorowej pola paczek ELG w postaci ścisłego rozwiązania równań Maxwell’a; wykazanie, że takie paczki falowe stanowią wektory własne zagadnień odbicia i transmisji planarnej struktury wielowarstwowej z wartościami własnymi w postaci współczynników Fresnel’a takiej struktury; wykazanie identyczności warunków symetrii pola paczek falowych ELG i warunków symetrii macierzy odbicia i transmisji; rozwiązanie o podstawowym znaczeniu w wielu zagadnieniach plazmoniki, optokomunikacji, informatyki optycznej i nauki o metamateriałach.

4. WYKORZYSTANIE UZYSKANYCH WYNIKÓW:

   Do wykorzystania w dalszej pracy badawczej Zespołu.

ZLECENIE NR 206 Sensory ultradźwiękowe do badania własności fizycznych materiałów.

1. CEL BADAŃ:

   Celem prac prowadzonych w roku 2012 w Zespole Badawczym Akustoelektroniki było modelowanie i badania eksperymentalne działania sensorów ultradźwiękowych przeznaczonych do badania właściwości fizycznych ciał stałych (właściwości mechaniczne) i cieczy (parametry termodynamiczne). W badaniach użyto sensory ultradźwiękowe na fale objętościowe i fale powierzchniowe typu Love’a i Bleusteina-Gulyaeva.

2. OPIS REALIZOWANYCH PRAC:

   Głównym kierunkiem badań w Zespole Badawczym Akustoelektroniki w roku 2012 było wykorzystanie sensorów ultradźwiękowych do badania właściwości fizycznych materiałów. W tym roku badaliśmy olej roślinny DAG (diacylglycerol). Olej ten jest jednym z głównych składników olei roślinnych. W literaturze światowej brak jest danych na temat wysokociśnieniowych przemian fazowych tego oleju. Zmierzono zmiany lepkości oraz prędkości podłużnych fal ultradźwiękowych w funkcji ciśnienia hydrostatycznego oraz temperatury (izotermy lepkości oraz prędkości). Zaobserwowane skokowe zmiany lepkości i prędkości świadczą o występowaniu wysokociśnieniowej przemiany fazowej. Zmierzono ponadto przebieg zmian gęstości oraz ściśliwości adiabatycznej DAG-u w funkcji ciśnienia hydrostatycznego. Przeprowadzono także pomiary kinetyki zmian ciśnienia hydrostatycznego cieczy w czasie przemiany fazowej. Badania wysokociśnieniowe cieczy przeprowadzono we współpracy z Instytutem Fizyki Politechniki Warszawskiej oraz z Instytutem Biotechnologii Przemysłu Rolno-Spożywczego w Warszawie.
   W roku 2012 w Zespole Badawczym Akustoelektroniki kontynuowano także prace badawcze dotyczące Metod Odwrotnych wyznaczania parametrów sprężystych i geometrycznych cienkich warstw powierzchniowych i materiałów gradientowych. Opracowano Metodę Odwrotną wyznaczania nieznanej lepkości cieczy z pomiarów krzywych dyspersji fali Love’a.

3. OPIS NAJWAŻNIEJSZYCH OSIĄGNIĘĆ:

   Najważniejszym osiągnięciem Zespołu Badawczego Akustoelektroniki w roku 2012 było wykrycie metodami ultradźwiękowymi wysokociśnieniowego przejścia fazowego w oleju DAG. Zmierzono izotermy lepkości oraz prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej w oleju DAG w funkcji ciśnienia hydrostatycznego. Izotermy prędkości i lepkości wykazują nieciągłości co świadczy o występowaniu przemiany fazowej 1-go rodzaju. Zgodnie z wiedzą autorów wykrycie wysokociśnieniowych przemian fazowych w oleju DAG jest nowością w skali światowej.

4. WYKORZYSTANIE UZYSKANYCH WYNIKÓW:

   Prace prowadzone w Zespole Badawczym Akustoelektroniki mają charakter interdyscyplinarny i mogą one mieć bardzo duże znaczenie praktyczne w wysokociśnieniowych metodach konserwacji i przetwarzania żywności. Wyniki prowadzonych w Zespole Badawczym Akustoelektroniki prac mogą być zastosowane w wielu dziedzinach przemysłu (spożywczym, kosmetycznym, chemicznym i farmaceutycznym).