Jak zapobiec degradacji materiałów w warunkach ekstremalnych temperatur, a jednocześnie zachować ich zdolność do przekształcania ciepła w energię elektryczną? Z takim pytaniem zmierzył się zespół badaczy z Wydziału Inżynierii Materiałowej PW, który zbadał, jak zachowują się różne bariery dyfuzyjne w kontakcie ze skutterudytami – jednymi z najciekawszych materiałów termoelektrycznych. Naukowcy zaprojektowali cztery typy barier metalicznych na bazie kobaltu, z dodatkiem niklu, wolframu lub chromu (Co–W, Co–Ni–W, Co–Cr, Co–Ni–Cr), a następnie wytworzyli je metodą metalurgii proszków przy użyciu techniki Pulse Plasma Sintering (PPS).

W dalszej części przeprowadzono analizę mikrostruktury i strefy międzyfazowej złącza przy użyciu mikroskopii elektronowej (SEM) i spektroskopii energorozdzielczej (EDS), a stabilność właściwości termoelektrycznych oceniano poprzez mapowanie potencjału Seebecka. Wyniki jednoznacznie wskazały, że układ Co–Ni–Cr charakteryzuje się wysoką gęstością oraz najniższą reaktywnością i wysoką stabilnością elektryczną nawet po długotrwałym wygrzewaniu.

Badania potwierdzają, że właściwy dobór składu i parametrów procesu może znacząco poprawić trwałość i niezawodność połączeń w modułach termoelektrycznych, co ma kluczowe znaczenie dla ich zastosowań w energetyce, przemyśle i transporcie.

Grafitowy azotek węgla (g-CN) to nowy typ nanomateriału węglowego o wyjątkowych właściwościach i dużym potencjale aplikacyjnym, który budzi jednak poważne obawy związane z jego oddziaływaniem na środowisko oraz potencjalnym narażeniem zawodowym. Istnieją doniesienia, że grafitowy azotek węgla może kumulować się w płucach, jednak jego toksyczność inhalacyjna pozostaje wciąż słabo poznana.

W niniejszym badaniu wykazano, że inhalacja nanopłytek grafitowego azotku węgla (g-CN) oraz jego wariantu domieszkowanego siarką (S-g-CN) wywołuje stan zapalny w płucach oraz zwiększa produkcję surfaktantu płucnego w pęcherzykowych komórkach nabłonkowych typu II. Towarzyszy temu wzrost poziomu ekspresji transporterów lipidów w makrofagach pęcherzykowych, które próbują usuwać nadmiar surfaktantu z przestrzeni pęcherzykowej.

Dalsze analizy wykazały, że internalizacja (wchłanianie) g-CN i S-g-CN zakłóca procesy fagocytozy lipidów i ich metabolizmu w makrofagach pęcherzykowych, co w efekcie prowadzi do odkładania się białek i fosfolipidów w tkance płucnej. Co istotne, zaobserwowano, że czysty g-CN wykazuje wyższą toksyczność inhalacyjną niż jego wariant domieszkowany siarką, co sugeruje że domieszkowanie grafitowego azotku węgla siarką może ograniczać jego szkodliwy wpływ na układ oddechowy.

Podsumowując, badanie to wykazało, że inhalacja nanopłytek grafitowego azotku węgla prowadzi do odkładania surfaktantu płucnego w płucach, dostarczając tym samym cennej wiedzy dla oceny toksyczności inhalacyjnej tego nanomateriału.

Ilościowe obrazowanie fazowe (QPI, ang. Quantitative Phase Imaging) obejmuje grupę zaawansowanych technik obrazowania i pomiaru mikroobiektów biologicznych. W szczególności mierzone są monowarstwy komórek i wycinki tkanek bez barwienia, polegając wyłącznie na ich geometrii i naturalnym rozkładzie współczynnika załamania, którego niewielkie różnice wynikają z lokalnej gęstości białek w preparatach. 

W pracy przedstawiamy nową metodę na weryfikację dokładności pomiaru różnych systemów QPI z wykorzystaniem specjalnej struktury kalibracyjnej (fantomu), zaprojektowanej na podstawie obrazów komórek eukariotycznych. Dzięki takim fantomom naśladującym prawdziwe struktury biologiczne użytkownicy QPI mają możliwość porównania i obiektywnej oceny jakości pomiarów w swoich urządzeniach, w tym walidacji algorytmów przetwarzania i obróbki danych. Struktury reprezentowane w fantomie mogą zostać przystosowane pod konkretny problem biologiczny, co umożliwia odpowiedź na pytanie „czy detekowana różnica w pomiarach może być markerem zmian w próbce”, np. po podaniu leku lub do stwierdzenia zakażenia. Wykorzystanie sztucznych komórek minimalizuje również ryzyko pracy z cennym lub niebezpiecznym materiałem biologicznym, np. w opracowaniu układów QPI nowej generacji oraz do oceny potencjalnych zastosowań klinicznych. 

Kluczowym wyzwaniem w erze NISQ (ang. Noisy Intermediate-Scale Quantum) jest znalezienie użytecznych obwodów kwantowych zgodnych z obecnymi ograniczeniami sprzętowymi. Wariacyjne algorytmy kwantowe (VQA, ang. Variational Quantum Algorithms) oferują potencjalne rozwiązanie poprzez ustalenie architektury obwodu i optymalizację parametrów poszczególnych bramek w zewnętrznej pętli. Jednak optymalizacja parametrów może stać się obliczeniowo niepraktyczna, a ogólna wydajność algorytmu silnie zależy od początkowo wybranej architektury obwodu.

W celu automatycznego projektowania użytecznych architektur obwodów opracowano kilka algorytmów wyszukiwania architektury kwantowej (QAS, ang. Quantum Architecture Search). W przypadku samej optymalizacji parametrów zaobserwowano, że efekty szumu mogą znacząco wpływać na skuteczność optymalizatora i końcowe wyniki, co stanowi ważny obszar badań. Jednak wpływ szumu na proces wyszukiwania architektury – który może być równie istotny – jest słabo poznany.

Niniejsza praca podejmuje to zagadnienie, wprowadzając algorytm wyszukiwania architektury kwantowej oparty na nauczaniu progresywnym z użyciem uczenia ze wzmocnieniem – CRLQAS (ang. Curriculum-based Reinforcement Learning QAS), zaprojektowany z myślą o wyzwaniach związanych z realistycznym wdrażaniem VQA.

Algorytm uwzględnia:

• trójwymiarowe kodowanie architektury oraz ograniczenia dynamiki środowiska w celu efektywnego przeszukiwania przestrzeni możliwych obwodów,
• mechanizm przerywania epizodów, który kieruje agenta ku znajdowaniu krótszych obwodów,
• nowy wariant algorytmu SPSA (ang. Simultaneous Perturbation Stochastic Approximation) jako optymalizatora umożliwiającego szybszą zbieżność.

Aby usprawnić eksperymenty, opracowaliśmy zoptymalizowany symulator dla naszego algorytmu, który znacznie poprawia wydajność obliczeniową podczas symulacji obwodów kwantowych z szumem, wykorzystując formalizm macierzy przeniesienia Pauliego w bazie Pauli-Liouville’a.

Eksperymenty numeryczne skoncentrowane na zadaniach z chemii kwantowej wykazują, że CRLQAS przewyższa istniejące algorytmy QAS w kilku aspektach, zarówno w środowiskach bezszumowych, jak i w obecności szumu.

Oddziaływanie pomiędzy wzbudzeniami materii skondensowanej a polem elektromagnetycznym rezonatorów optycznych stanowi fascynujący obszar badań podstawowych i leży u podstaw nowoczesnych technologii fotonicznych oraz kwantowych. W niniejszej pracy, zarówno eksperymentalnie, jak i teoretycznie, zaprezentowano intrygującą koncepcję stanów złożonych powstających w wyniku silnego sprzężenia dwóch odmiennych kwazicząstek z tym samym modem optycznej wnęki rezonansowej. W szczególności zbadano magnony – kwanty fal spinowych wzbudzane w płytce kryształu antyferromagnetycznego – oraz fonony, czyli kwanty drgań sieci krystalicznej, wzbudzane w osobnej próbce izolującego materiału. Obie płytki wspólnie tworzyły wnękę optyczną typu Fabry’ego–Pérota w zakresie częstotliwości terahercowych. W badaniu wykazano powstawanie hybrydowych polarytonów fononowo-magnonowych oraz możliwość ich strojenia poprzez zmianę odległości między płytkami. Co istotne, efekt hybrydyzacji utrzymywał się nawet przy odległościach rzędu kilku milimetrów. Wyniki eksperymentalne zinterpretowano zarówno w oparciu o klasyczny model elektrodynamiczny, jak i przy użyciu elektrodynamiki kwantowej. Opis kwantowy pozwolił na ilościowe określenie stopnia hybrydyzacji, powiązanego z topologicznym zachowaniem wektora fazowego pola elektrycznego, co pozostaje zgodne z przewidywaniami klasycznego modelu. Prezentowane wyniki uzyskano w temperaturze pokojowej oraz przy zastosowaniu wnęk optycznych o wymiarach milimetrowych, co otwiera drogę do projektowania realistycznych, częstotliwościowo strojonych urządzeń terahercowych opartych na hybrydyzacji wzbudzeń elementarnych materii o elektrycznym (fononika) i magnetycznym momencie dipolowym (spintronika).

Opracowana przez nas metoda otrzymywania niestechiometrycznych czteroskładnikowych nanokryształów Ag-In-Zn-S, pozwala na kontrolę ich składu i w konsekwencji, na kontrolę koloru emitowanego światła. Otrzymywane nanokryształy charakteryzują się wysokimi wydajnościami kwantowymi fotoluminescencji i niespotykanymi długimi czasami jej zaniku. Otrzymane nanokryształy Ag-In-Zn-S o różnym składzie, modyfikowane ligandami zdolnymi do wychwytu elektronów zostały przez grupę współpracujących fizyków poddane pogłębionym badaniom absorpcji, fotoluminescencji i czasu zaniku emisji w różnych temperaturach. W wyniku tych prac zaproponowano mechanizm fotoluminescencji, polegający na rekombinacji wewnątrz przerwy energii wzbronionych, pomiędzy zdelokalizowanymi elektronami i zlokalizowanymi dziurami. To nowy mechanizm, stanowiący alternatywę dla powszechnie przyjętego w literaturze donorowo-akceptorowego mechanizmu promienistej rekombinacji rozpatrywanego dla tego typu nanostruktur. 

W technologii reaktywnego druku atramentowego (ang. reactive inkjet printing, RIP) wykorzystuje się specjalne tusze, które utwardzają się po zmieszaniu. W naszym badaniu proces ten przebiegał w bardzo nietypowy sposób — krople dwóch różnych tuszów zderzały się ze sobą jeszcze w powietrzu (tzw. in-flight coalescence, IFC-RIP), a dopiero potem opadały na powierzchnię, gdzie tworzyły materiał. Takie podejście umożliwia bardzo precyzyjne dozowanie i mieszanie składników w idealnych proporcjach, co pozwala uzyskać jednorodne, dobrze kontrolowane materiały.

W ramach projektu finansowanego przez NCBR opracowano serię specjalnych tuszów opartych na układach mocznikowo-uretanowych. Dzięki nim udało się uzyskać materiały o bardzo zróżnicowanych właściwościach mechanicznych — od twardych i sztywnych, przez kruche, aż po bardzo elastyczne (wydłużające się nawet ponad 900% przed zerwaniem).

Zebrane dane powiązaliśmy z modelami matematycznymi, które pozwalają przewidywać, jakie właściwości będzie miał materiał w zależności od składu tuszów. Najlepsze rezultaty dał model oparty na tzw. udziałach grup chemicznych, czyli określeniu, jakie fragmenty cząsteczek odpowiadają za konkretne cechy gotowego materiału. 

Wyniki naszych badań pokazują, że zmieniając stosunek używanych tuszów, można uzyskać materiały o stopniowo zmieniających się właściwościach – tzw. materiały gradientowe. Co istotne, informacja o tym, jakie właściwości mechaniczne uzyskamy przy danym składzie tuszów, może pochodzić bezpośrednio z opracowanego przez nas modelu matematycznego. Dzięki temu możliwe jest szybkie i świadome projektowanie nowych materiałów o konkretnych, z góry zaplanowanych cechach. Otwiera to ciekawe możliwości w projektowaniu nowoczesnych, funkcjonalnych struktur w jednym kroku produkcyjnym.

Przedstawiamy metodę umożliwiającą dokładne przewidywanie harmonicznych energii swobodnych Helmholtza dla kryształów molekularnych w warunkach wysokoprzepustowych (high-throughput). Osiągnięto to poprzez opracowanie wydajnego obliczeniowo podejścia, które wykorzystuje regresję procesów gaussowskich (Gaussian Process Regression) opartą na lokalnych otoczeniach atomowych. Koszt trenowania modelu z wykorzystaniem potencjałów ab initio został znacznie zredukowany dzięki zastosowaniu potencjału empirycznego do początkowej optymalizacji parametrów modelu oraz doboru zbiorów treningowych i walidacyjnych. Dopiero potem model został transferowany i trenowany z użyciem danych opartych na teorii funkcjonału gęstości (DFT), z uwzględnieniem korekcji dyspersyjnych. Nasze rozwiązanie zostało przetestowane na zbiorze 444 struktur krystalicznych węglowodorów, obejmującym 38 polimorfów oraz 406 struktur zmierzonych w różnych warunkach lub pochodnych tych polimorfów. Osiągnięto wysoką dokładność predykcji i wydajność, uzyskując średnie bezwzględne odchylenie poniżej 0,04 kJ/mol na atom w temperaturze 300 K, przy trenowaniu modelu na zaledwie 60 strukturach krystalicznych. Ponadto, wykazaliśmy skuteczność i dokładność opracowanego podejścia, obliczając rozszerzalność cieplną krystalicznych węglowodorów aromatycznych w ramach przybliżenia quasi-harmonicznego oraz przewidując, jak zmiany objętości sieci wpływają na stabilność różnych polimorfów.

Niniejszy artykuł przedstawia kompleksowe badanie dotyczące syntezy cienkowarstwowego stopu wysokiej entropii (HEA, ang. High-Entropy Alloy) TiCrFeCoNi metodą impulsowego rozpylania magnetronowego (PMS, ang. Pulsed Magnetron Sputtering). Badania koncentrują się na wpływie różnych częstotliwości modulacji na właściwości materiałowe otrzymanych powłok. W pracy zastosowano nowatorskie podejście oparte na entropii Shannona jako narzędziu do oceny złożoności i jednorodności cienkowarstwowych stopów wysokiej entropii, co dostarcza nowych informacji na temat procesu syntezy w różnych warunkach termodynamicznych. Wstępna charakterystyka stopu, oparta na obliczonych parametrach takich jak entropia mieszania, entalpia mieszania i inne, stanowi punkt wyjścia do głębszego zrozumienia procesu powstawania i stabilności stopu. Metodologia eksperymentalna obejmuje syntezę targetu magnetronu, konfigurację układu rozpylania, proces syntezy próbek oraz ich wszechstronną charakterystykę. Wykorzystano m.in. analizę EDS, analizy powierzchniowe i przekrojowe z użyciem mikroskopii skaningowej (SEM) oraz pomiary właściwości mechanicznych metodą nanoindentacji. Wyniki wskazują, że częstotliwość modulacji znacząco wpływa na przebieg wyładowań plazmowych, a tym samym na skład chemiczny, mikrostrukturę i właściwości mechaniczne cienkich warstw HEA. Analiza EDS potwierdziła skuteczną syntezę zakładanej kompozycji stopu, a analizy SEM ukazały wpływ częstotliwości modulacji na morfologię i strukturę filmu. Pomiary właściwości mechanicznych ujawniły różnice w twardości i module Younga pomiędzy badanymi próbkami. Badanie to podkreśla kluczową rolę parametrów PMS, w szczególności częstotliwości modulacji, w kontrolowaniu procesu syntezy cienkowarstwowych stopów wysokiej entropii, torując drogę do optymalizacji ich właściwości dla zaawansowanych zastosowań materiałowych.

W niniejszej pracy wprowadzamy Frechet Music Distance (FMD) – nową metrykę oceny dla generatywnych modeli muzyki symbolicznej, inspirowaną metryką Frechet Inception Distance (FID) stosowaną w wizji komputerowej oraz Frechet Audio Distance (FAD) wykorzystywaną w generatywnym audio. FMD oblicza odległość między rozkładami osadzeń (ang. embeddings) referencyjnej i wygenerowanej muzyki symbolicznej, uchwytując abstrakcyjne cechy muzyczne. Metrykę FMD zweryfikowano na różnych zbiorach danych i modelach. Wyniki wskazują, że FMD skutecznie odróżnia jakość modeli, dostarczając metryki specyficznej dla dziedziny generowania muzyki symbolicznej oraz ustanawiając powtarzalny standard dla przyszłych badań w zakresie modelowania tego typu muzyki.

Celem niniejszego badania jest analiza wpływu zjawiska gwałtownego wrzenia (ang. flash boiling) na globalne struktury rozpylania n-heptanu, powstające przy użyciu wielootworowego wtryskiwacza, w szerokim zakresie temperatur paliwa i ciśnień otoczenia oraz przy różnych ciśnieniach wtrysku. Ma to na celu stworzenie solidnych podstaw dla nowego submodelu zdolnego do odwzorowania rozwoju rozpylania w warunkach gwałtownego wrzenia, z wykorzystaniem Lagrange'owskiej metody dyskretnych kropli (DDM, ang. Discrete Droplet Method). Eksperymenty koncentrowały się zarówno na jakościowej analizie struktur rozpylania, jak i na ilościowych parametrach, takich jak osiowa penetracja strugi i kąt rozpylania. Na podstawie danych eksperymentalnych i literaturowych zaproponowano nowy submodel połowy kąta stożka rozpylania (HOCA, ang. Half of the Cone Angle), a także skalibrowano gęstość liczby pęcherzyków, aby dokładnie symulować rozwój i zapadanie się strugi w warunkach gwałtownego wrzenia. Do wtrysku n-heptanu zastosowano komercyjny sześciootworowy wtryskiwacz, pracujący przy trzech ciśnieniach wtrysku (5, 10 i 15 MPa), w trzech temperaturach początkowych paliwa (60, 90 i 120°C), do komory o stałej objętości wypełnionej powietrzem przy ciśnieniu od 0,01 do 0,1 MPa (bezwzględnym). Zaobserwowano, że niezależnie od ciśnienia wtrysku, wpływ gwałtownego wrzenia na globalne parametry rozpylania był podobny. Jednak ze względu na silniejszy pęd osiowy, globalny kąt rozpylania był mniejszy przy wyższych ciśnieniach wtrysku. Zaobserwowane zmiany parametrów rozpylania posłużyły do opracowania nowego, prostego wzoru na kąt rozpylenia oraz do kalibracji submodelu gęstości pęcherzyków, który został zaimplementowany do solvera AVL FIRE™. Model przewidywał poszerzenie kąta rozpylenia w pobliżu dyszy oraz dokładnie odwzorowywał zapadanie się strugi. Nie udało mu się jednak uchwycić wzmocnionej propagacji centralnej części zapadniętego czoła strugi, co wiązano z brakiem uwzględnienia kondensacji pary w modelu.

Delikatne biomateriały, które poddaje się modyfikacjom powierzchni, wymagają bardzo delikatnych metod, aby nie uszkodzić ich struktury ani nie zmienić kluczowych właściwości. Przykładem takich materiałów są uszczelniane kolagenem protezy naczyniowe wykonane z poliestru. Do ich funkcjonalizacji – czyli nadania dodatkowych właściwości – można wykorzystać powłoki z tzw. polikatecholamin (PCA). Tego typu powłoki wpływają na ważne cechy biomateriału, takie jak jego zdolność do wiązania wody (hydrofilowość), aktywność biologiczna, działanie przeciwbakteryjne czy zdolność do wiązania leków. Proces tworzenia powłoki można przyspieszyć, stosując utleniacze, rozpuszczalniki organiczne lub zmieniając warunki procesu. Niestety, takie czynniki mogą również negatywnie wpływać na samą powłokę PCA lub na materiał, który nią pokrywamy, w tym przypadku kolagen. W tym badaniu protezy naczyniowe uszczelnione kolagenem pokryto warstwą poli(L-DOPA) (PLD), używając do tego nowatorskiego przyspieszacza inspirowanego składem jonów w wodzie morskiej. Dla porównania zastosowano także inne metody: z nadjodanem sodu, mieszaniną jonów miedzi (Cu²⁺) i nadtlenku wodoru (H₂O₂), a także porównawczo metodę bez przyspieszacza. Następnie warstwa PLD posłużyła jako powierzchnia do wiązania antybiotyku. Tak przygotowane protezy poddano szczegółowej analizie (z użyciem m.in mikroskopii elektronowej SEM i FIB-SEM, spektroskopii FTIR i UV/Vis), a także oceniono ich właściwości funkcjonalne – mechaniczne, przeciwutleniające, wpływ na krew (hemolizę i krzepliwość), bioaktywność, stabilność w ludzkiej krwi i płynie ustrojowym (SBF), zdolność do wiązania i uwalniania antybiotyku oraz skuteczność działania przeciwbakteryjnego. Okazało się, że choć zastosowanie nadjodanu sodu zwiększa wytrzymałość protezy i zdolność wiązania leku, to jednocześnie podnosi ryzyko uszkodzeń czerwonych krwinek (hemolizy). Z kolei mieszanka Cu²⁺/H₂O₂ pogarszała właściwości mechaniczne protezy. Metoda z wykorzystaniem jonów inspirowanych wodą morską okazała się natomiast skuteczna, stabilna oraz bezpieczna zarówno dla materiału, jak i dla krwi. Wyniki sugerują, że dobór przyspieszacza do tworzenia powłoki PCA powinien być dokładnie przemyślany pod kątem wpływu na biologiczne właściwości wyrobu medycznego. Badanie pokazuje też, że metoda oparta na zastosowaniu inspirowanej wodą morską mieszanki jonów może być nie tylko skuteczna, ale i bezpieczniejsza niż tradycyjne metody wykorzystujące silne utleniacze.