Hybridní nanomateriály na bázi polymerů jako terče pro laserem řízenou urychlování iontů

• Název práce v češtině: Hybridní nanomateriály na bázi polymerů jako terče pro laserem řízenou urychlování iontů
• Název v anglickém jazyce: Hybrid polymer-based nanomaterials as targets for laser-driven ion acceleration
• Klíčová slova: nanočástice|polymery|plazmatické metody|laserem řízená urychlování iontů
• Klíčová slova anglicky: nanoparticles|polymers|plasma methods|laser driven ion acceleration
• Akademický rok vypsání: 2024/2025
• Typ práce: disertační práce
• Ústav: Katedra makromolekulární fyziky (32-KMF)
• Vedoucí / školitel: prof. Ing. Andrey Shukurov, Ph.D.
• Konzultanti: Daniil Nikitin, Ph.D.

Zásady pro vypracování

bude upřesněno, podrobnější informace [e-mail], [phone]

Seznam odborné literatury

Y. Huttel, Gas-Phase Synthesis of Nanoparticles, Wiley-VCH 2017, p. 395.
M. Tosca et. al. Plasma polymers as targets for laser-driven proton-boron fusion, Frontiers in Physics, 2023, 11, 1227140, doi: 10.3389/fphy.2023.1227140.
V. Istokskaia et. al. A multi-MeV alpha particle source via proton-boron fusion driven by a 10-GW tabletop laser, Comm. Phys. 2023, 6, 27, doi: 10.1038/s42005-023-01135-x.

Předběžná náplň práce

Laserem iniciované urychlování iontů získala v posledních letech velkou pozornost díky mnoha aplikacím vyžadujícím vysoké toky energetických částic (jaderná fyzika, materiálové vědy, propulzní motory, medicína). Například, laserem iniciovaná proton-borová (pB) fúze vzbuzuje velká očekávání, protože umožnuje produkci energetických alfa částic bez současné generace neutronů a s tím spojeného vzniku radioaktivních odpadů. Základem pro pB fuzi je ozařování materiálů bohatých na bor (B) a vodík (H) vysoce energetickými laserovými pulzy, které iniciují ionizací atomů a urychlovaní jejich jader do energií dostačující pro spuštění jaderné reakci protonu a boru doprovázenou generací energetických alfa částic. Na společenské a ekonomické úrovni se v dlouhodobém horizontu očekává přímá generace elektrické energie z energetických alfa částic, což má potenciál zmírnit destabilizující účinky neustále rostoucí potřeby energie. Mimoto realizace kompaktních laserem řízených zdrojů alfa částic by mohly případně nahradit v současné době používané zdroje radioizotopů využívaných pro lékařské účely.
Ukázalo se, že polymery, a to zejména uhlovodíkové polymery, představují levný a dostupný materiál bohatý na vodík využitelný, v kombinaci s borem, pro pB fúzi. Nicméně bylo zjištěno, že účinnost procesu je v tomto případě omezena silným odrazem laseru od hladkých povrchů terčů, což vede k nízké absorpci energie. Předpokládá se, že tento problém je možné vyřešit pomocí nanostrukturovaných a/nebo porézních materiálů, jelikož struktury srovnatelné s vlnovou délkou dopadového laseru (<1 mikrometr) by mohly vést k vícenásobnému rozptylu fotonů a tím i ke zvýšené absorpci laserového pulsu. Prace proto cílí na vývoj originálních nanostrukturovaných materiálů kombinujících polymery a anorganické sloučeniny včetně bor-obsahujících materiálů. Předpokládané znalosti uchazeče na úrovni ukončeného magisterského studia v oboru biofyzika a chemická fyzika.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Ion acceleration driven by lasers has become a hot topic in recent years, due to the multiple applications requiring an energetic and high-current source of charged particles (nuclear physics, materials science, propulsion engines, medicine). For example, laser-driven proton-boron (pB) fusion raises great expectations because it enables the production of energetic alpha particles without the simultaneous generation of neutrons and the associated generation of radioactive waste. The basis for pB fusion is the irradiation of materials rich in boron (B) and hydrogen (H) with high-energy laser pulses, which initiate the ionization of atoms and the acceleration of their nuclei to energies sufficient to trigger a proton-boron nuclear reaction accompanied by the generation of energetic alpha particles. On a societal and economic level, energetic alpha particles are expected to be used for direct generation of electrical energy, which has the potential to mitigate the destabilizing effects of ever-increasing energy demand. In addition, the realization of compact laser-driven sources of alpha particles could eventually replace the sources of radioisotopes currently used for medical purposes.
Polymers, especially hydrocarbon polymers, have been shown to represent cheap and available hydrogen-rich materials usable, in combination with boron, for pB fusion. However, it was found that the efficiency of the process is limited by the strong reflection of the laser from the flat surfaces of the targets, which leads to low energy absorption. It is believed that this problem can be solved by using nanostructured and/or porous materials, since structures comparable to the wavelength of the incident laser (< 1 micrometer) could lead to multiple scattering of photons and thus increased absorption of the laser pulse. Therefore, the planned research aims at the development of original nanostructured materials that combine polymers and inorganic compounds, including boron-containing materials. The applicant must hold a master’s diploma and have the necessary research abilities in the branch of Biophysics, Chemical, and Macromolecular Physics.