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.

GaN (azotek galu) to ważny technologicznie materiał dla wielu zastosowań optoelektronicznych, głównie ze względu na defekty punktowe w skali atomowej – zarówno pochodzenia domieszkowego, jak i natywnego. Defekty te mogą tworzyć emitery pojedynczych fotonów, szerokie pasma luminescencji oraz przewodnictwo typu n lub p. Wśród różnych domieszek szczególne zainteresowanie w ostatnich latach wzbudzają defekty indukowane przez chrom (Cr) i mangan (Mn), ponieważ niektóre z nich mają znaczenie dla współczesnych technologii diod elektroluminescencyjnych (LED) oraz spintroniki. Jednak natura tych atomowych centrów w GaN domieszkowanym Cr i Mn nie jest jeszcze w pełni poznana. Kompleksowa analiza termodynamiczna defektów indukowanych przez Cr i Mn jest kluczowa dla ich celowego projektowania w kryształach GaN. Dzięki mapowaniu stabilności defektów w zależności od parametrów wzrostu kryształu możliwe jest maksymalizowanie stężenia pożądanych defektów punktowych. W związku z tym przeprowadziliśmy badania defektów indukowanych obecnością chromu i manganu w GaN metodami ab initio, wykorzystując wysoce precyzyjne hybrydowe funkcjonały wymiany i korelacji, a także analizowaliśmy przemiany fazowe przy nadmiarowym wprowadzaniu tych domieszek za pomocą metody CALPHAD. Dodatkowo zbadaliśmy wpływ kodomieszkowania tlenem, który może być nieintencjonalnie wprowadzany podczas wzrostu kryształu. Nasza analiza rzuca światło na atomistyczną przyczynę nieintencjonalnego przewodnictwa typu n w GaN, która związana jest z obecnością defektu O_{N} (tlen zastępujący azot). W przypadku domieszkowania chromem, najczęściej powstającym defektem jest Cr_{Ga} (chrom zastępujący gal), z energią jonizacji E⁺/⁰ na poziomie E_{VBM} + 2.19 eV. Zwiększenie ciśnienia parcjalnego azotu sprzyja zwiększeniu stężenia defektów Cr_{Ga}. W przypadku domieszkowania manganem, w zależności od warunków wzrostu mogą powstawać różne centra związane z Mn, z których najczęściej występuje Mn_{Ga} (mangan zastępujący gal). Mn_{Ga} charakteryzuje się energiami jonizacji E²⁺/⁺, E⁺/⁰ i E⁰/⁻ na poziomach odpowiednio 0.56 eV, 1.04 eV i 2.10 eV powyżej wierzchołka pasma walencyjnego (VBM). Obecność tlenu sprzyja powstawaniu centrum Mn_{Ga}-V_{Ga} (Mn_{Ga} w połączeniu z wakancją galu), co tłumaczy szereg wcześniejszych obserwacji eksperymentalnych w GaN domieszkowanym manganem. Nasze badania dostarczają użytecznego narzędzia do inżynierii defektów punktowych w półprzewodnikach o szerokiej przerwie energetycznej, które może być bezpośrednio wykorzystane do projektowania optymalnych protokołów wzrostu kryształów.

Niniejsze badanie dotyczy identyfikacji barwników stosowanych w tkaninach koptyjskich z pierwszego tysiąclecia naszej ery, pochodzących z egipskich nekropolii. Tkaniny te stanowią istotne ogniwo łączące starożytne i średniowieczne tradycje artystyczne.

Z wykorzystaniem zaawansowanych technik analitycznych, takich jak wysokosprawna chromatografia cieczowa połączona ze spektrofotometrią UV–vis oraz spektrometrią mas z jonizacją poprzez elektrorozpraszanie (HPLC-UV–vis-ESI MS/MS), badaniom poddano barwniki naturalne obecne w czerwonych niciach pobranych z ośmiu tkanin datowanych na okres od III do VIII wieku n.e. i znajdujących się w zbiorach Muzeum Uniwersytetu Jagiellońskiego Collegium Maius.

Wyniki potwierdziły obecność marzanny oraz indyga (lub urzetu barwierskiego), a także czerwieni z szelaku (lac dye) i purpury tyryjskiej (znanej również królewską), ukazując różnorodność stosowanych barwników naturalnych. Zestawienie uzyskanych danych chromatograficznych z historycznymi pozwoliło zweryfikować datowanie tkanin. W wyniku prowadzonych badań ustalono także tożsamość bromowanej pochodnej indygotyny – produktu degradacji purpury tyryjskiej – oraz szlak jej fragmentacji, a także zidentyfikowano dotąd nieopisane markery innych barwników naturalnych, prawdopodobnie powstałe w wyniku ich starzenia. 

W jednym z próbek wykryto również syntetyczny barwnik – nową fuksynę – co świadczyć może o próbie poprawy walorów estetycznych tkaniny w XIX lub XX wieku. Dodatkowo, dzięki analizie HPLC-UV–vis-ESI MS/MS, wykazano, że użyty ekstrahent może reagować z barwnikami obecnymi na włóknie, wpływając tym samym na skład otrzymanej mieszaniny ekstrakcyjnej.

W artykule opisano opracowanie unikalnego materiału elektrokatalitycznego, uzyskanego poprzez obróbkę cieplną kompozytu będącego analogiem błękitu pruskiego – heksacyjano-kobaltanu kobaltu – unieruchomionego na zredukowanym tlenku grafenu (rGO). Proces pirolizy, czyli ogrzewania w temperaturze 500 °C, prowadzi do powstania materiału zawierającego centra katalityczne na bazie kobaltu, aktywne w elektrochemicznej reakcji redukcji tlenu w środowisku zasadowym. Właściwości fizykochemiczne tego materiału, zawierającego kobalt w różnych stanach utlenienia, zostały dokładnie zbadane z wykorzystaniem transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM), spektroskopii Ramana, spektroskopii fotoelektronów rentgenowskich (XPS) oraz różnych technik diagnostyki elektrochemicznej. Wyniki eksperymentalne wykazały, że materiał ten wykazuje porównywalną aktywność elektrokatalityczną (np. potencjał początkowy reakcji) w reakcji redukcji tlenu w środowisku zasadowym do aktywności nanocząstek platyny osadzonych na węglu Vulcan. Tworzenie się niepożądanych produktów ubocznych – takich jak nadtlenki – było nieco wyższe w przypadku pirolizowanego heksacyjano-kobaltanu na rGO niż w przypadku platyny na nośniku węglowym, co pokazano na podstawie pomiarów z obrotową elektrodą pierścieniowo-tarczową. Jednak nawet w najgorszym przypadku poziom nadtlenków nie przekraczał 15%, co potwierdza wysoką aktywność centrów kobaltowych połączonych mostkami cyjankowymi. Otrzymany materiał elektrokatalityczny, przygotowany termicznie, charakteryzuje się także wysoką stabilnością oraz odpornością na obecność alkoholi, takich jak metanol.

Nanoszkła, czyli nanomateriały szkliste otrzymywane poprzez konsolidację amorficznych nanoziaren pod ciśnieniem, mogą wykazywać znacznie zmienione właściwości – na przykład dużo lepszą plastyczność – w porównaniu do tradycyjnych szkieł o tym samym składzie, które zostały poddane podobnej obróbce ciśnieniowej. W niniejszej pracy, wykorzystując symulacje komputerowe metodami dynamiki molekularnej, zbadano wpływ wysokiego ciśnienia na strukturę i przewodnictwo cieplne nanoszkieł krzemianowych.

Co zaskakujące, w zakresie ciśnień od 8 do 16 GPa badane nanoszkła wykazują wyższe przewodnictwo cieplne niż szkła objętościowe poddane tym samym protokołom ciśnieniowym – mimo że nadal posiadają porowatość. Wyniki sugerują, że to średnia gęstość nanoszkieł jest głównym czynnikiem determinującym przewodnictwo cieplne, natomiast porowatość oraz inne właściwości mikrostrukturalne nie mają negatywnego wpływu na transport ciepła.

Nasze badanie pokazuje, że tego typu nanomateriały należą do klasy materiałów, których właściwości cieplne można dostrajać ("tuningować") poprzez inżynierię mikrostruktury – głównie dzięki doborowi rozmiaru cząstek i zastosowaniu wysokiego ciśnienia podczas obróbki.

Publikacja powstała na podstawie pracy inżynierskiej Antona Hula realizowanej na Wydziale Fizyki PW. Wybitnie zdolny student został uprzednio nagrodzony stypendium ministra za znaczące osiągnięcia naukowe, artystyczne lub sportowe na rok 2023/2024.

Prekursory węgla, chemicznie osadzane z fazy gazowej (CVD, chemical vapor deposition) na podłożach miedzianych (Cu) w temperaturach przekraczających 1000°C, stanowią obecnie standardową metodę przemysłową służącą do otrzymywania dużych powierzchni wysokiej jakości pojedynczej warstwy grafenu (SLG, single-layer graphene). Zastosowanie cząsteczek o wyższej reaktywności niż metan (CH₄) może pozwolić na obniżenie temperatury wzrostu, co z kolei może skutkować otrzymaniem grafenu wolnego od fałd i zmarszczek.

Kwestia kinetyki wzrostu grafenu przy użyciu innych węglowodorów niż metan interesuje zarówno środowiska naukowe, jak i przemysłowe. Zmierzyliśmy szybkości wzrostu zarodków grafenowych na foliach Cu(111), stosując jako prekursory C₂H₂, C₂H₄, C₂H₆ oraz CH₄ (każdy w mieszaninie z wodorem, H₂). Na podstawie uzyskanych danych kinetycznych wyznaczono entalpię aktywacji wzrostu grafenu (ΔH≠) dla poszczególnych związków: C₂H₂ (0,93 ± 0,09 eV); C₂H₄ (2,05 ± 0,19 eV); C₂H₆ (2,50 ± 0,11 eV); CH₄ (4,59 ± 0,26 eV). Węglowodory z grupy C₂Hy (gdzie y = 2, 4, 6) wykazują podobne zachowanie wzrostowe, natomiast metan wykazuje odmienną charakterystykę.

Symulacje z użyciem obliczeniowej mechaniki płynów (CFD, computational fluid dynamics) i teorii funkcjonału gęstości (DFT, density functional theory) sugerują, że różnice między C₂Hy a CH₄ wynikają z odmiennych wartości energii adsorpcji oraz czasu życia odpowiednich prekursorów węgla na powierzchni Cu(111). Łącząc wyniki eksperymentalne i symulacyjne, stwierdzono, że etapem ograniczającym szybkość wzrostu (RDS, rate-determining step) w przypadku CH₄ jest dysocjacja pierwszego wiązania C–H w fazie gazowej. Natomiast dla C₂Hy etapem ograniczającym jest pierwsze odłączenie wodoru od zaadsorbowanej cząsteczki, zachodzące przy udziale atomów wodoru zaadsorbowanych na powierzchni Cu(111).

Stosując acetylen (C₂H₂) jako prekursor węgla, udało się otrzymać wysokiej jakości monokrystaliczne warstwy SLG, pozbawione dodatkowych warstw (adlayer-free), na foliach Cu(111) w temperaturze 900°C.

Centra z udziałem metali przejściowych w półprzewodnikach o szerokiej przerwie energetycznej wykazują stan podstawowy o charakterze paramagnetycznym, co czyni je obiecującymi kandydatami do zastosowań w nanofotonice i przetwarzaniu informacji kwantowej. Szczególne zainteresowanie budzi obecnie odkrywanie defektów spinowych o właściwościach paramagnetycznych, które można kontrolować za pomocą metod optycznych.

W prezentowanej pracy badamy strukturę elektronową oraz właściwości magneto-optyczne centrów chromu (Cr) i manganu (Mn) podstawionych w strukturze wurcytu azotku glinu (AlN) i azotku galu (GaN). W tym celu wykorzystujemy zaawansowane obliczenia w ramach hybrydowej teorii funkcjonału gęstości (hybrid DFT), aby określić strukturę poziomów energetycznych, stabilność, optyczne sygnatury oraz właściwości magnetyczne tych centrów.

Energie wzbudzeń zostały wyznaczone za pomocą metody wymuszonego obsadzenia (constrained occupation) i dokładnie zweryfikowane przy użyciu metody oddziaływań konfiguracyjnych z kompletną przestrzenią aktywną (CAS-CI). Symulacje widm fotoluminescencyjnych wykazały, że centra Cr¹⁺ w AlN (Cr¹⁺₍Al₎) oraz Cr¹⁺ w GaN (Cr¹⁺₍Ga₎) są odpowiedzialne za obserwowaną wąską emisję kwantową w okolicach 1,2 eV.

Dodatkowo obliczyliśmy parametry rozszczepienia w zerowym polu magnetycznym (ZFS) oraz zaproponowaliśmy protokół optycznej polaryzacji spinowej dla Cr¹⁺₍Al₎ i Cr¹⁺₍Ga₎. Nasze wyniki pokazują, że te centra są obiecującymi kandydatami do zastosowań jako kubity spinowe w technologiach kwantowych.