PhD. Study Program: Chemical Engineering and Technologies:

Inorganic Technology and Non-metallic Materials – general information

Graduates of PhD study program in the area of Inorganic Technology and Non-metallic Materials gain deep knowledge on scientific methods of research related to preparation of new types of non-metallic inorganic materials, with special focus on glass, ceramics, and surface modification of a broad range of various materials, including biomaterials. Graduates are able to solve problems related to inorganic technologies, development and characterization of new materials. They have special knowledge in the area of glass, inorganic binders, ceramic and refractory materials and inorganic additives. They have deep theoretical knowledge in the field of thermodynamics and kinetics and are capable of solving challenging engineering problems in technical practice. Graduates understand methods of studying structures as well as materials characteristics. They speak foreign languages, actively use computer and information systems, are able to work actively in teams, plan their own development within their research field and execute project management. Gained knowledge represents an excellent basis for obtaining a job either in academic or industrial research and development.

What we offer:

  • Unique opportunity to participate in the research centre created by European project integrating significant international knowhow and experience with access to up to 1-year internships with FunGlass international partners at their home sites in Germany, Italy or Spain under supervision of world leading scientists,
  • individual training plans including not only scientific but also complementary competencies,
  • scholarships to cover living cost for 1 person during study,
  • access and training on high-end laboratories and equipment/techniques; for full list see https://www.funglass.eu/equipment/,
  • program of visiting scientists/lectures, workshops,
  • conferences, teambuilding activities
  • Slovak language classes, English competence program, PhD internal grants
  • More info: https://www.funglass.eu/study-programs/doctoral-study/

  To apply:

  • Send e-mail to phd.admission.funglass@tnuni.sk with chosen PhD. dissertation thesis topic (only 1) – you will get e-mail information about application process.
  • Application deadline: April 7th, 2024

 PhD admission interviews: April 22nd – 26th, 2024

 Registration for study on site (in Trenčín, Slovakia):    October 31st, 2024

Dissertation topics 2024/2025 2nd round:

Supervisor: prof. D. Galusek, FunGlass, Slovakia

Co – supervisor: Dr. A. Talimian, FunGlass, Slovakia

Abstract: Multication oxide glasses (MOG), also known as high-entropy glasses (HEGs), are characterized by a high fracture toughness of 1.2-1.5 MPa m0.5; such a high fracture toughness improves the mechanical durability of multication oxide glasses. Also, MOGs exhibit high optical transparency, and introducing optically active elements can modify their optical properties.1 Given the combination of optical and mechanical properties of MOGs, the use of MOGs in various applications is expected. However, surface damage can occur at various stages of the glass lifecycle, which greatly reduces glass’s mechanical durability.2 Moreover, scratches and sharp contacts produce residual troughs after abrasion that can impact the visual aspect of glasses, deteriorating their transparency. The development of glasses with improved surface mechanical performance is key to extending their range of applications. Despite the fundamental importance of surface damage and scratch behavior, little is known about the propensity of MOGs to surface damage and the physics of scratching, limiting the ability to develop novel glasses with increased abrasion resistance.

The aim of this dissertation project is to (i) investigate the effects of glass composition on the structure and mechanical properties of MOG glasses and (ii) identify how the mechanical and structural features of MOG glasses control their response to surface damage. To this end, our strategy relies on (i) the careful design and synthesis of glasses with expected differences of properties following melt-quench and sol-gel methods, (ii) an extensive set of experimental characterizations to investigate glass structure and measure the mechanical properties, and (iii) investigating the correlations between the glass composition, structure and scratch behavior. In doing so, the experimental work will consist of the following parts:

  • Synthesis of multication oxide glasses by conventional methods, e.g., melt-quench and an alternative, e.g., sol-gel lactate route3.
  • Investigating the glass structure and physical properties at room temperature and upon heating
  • Evaluation of the mechanical properties of produced samples in terms of elasticity, crack resistance, and fracture toughness.
  • Measuring the scratch behavior and the response of the surface of produced samples to lateral stresses during scratch.

1 Guo. Y. et al, iSceince 24, 102735 (2021).

2 Wondraczeck, L. et al, Adv. Mater. 34,2109029 (2022).

3 He, J. et al, Acta Mater. 174, 418-426 (2019).

 Keywords: Polycationic glass, mechanical properties, fracture toughness, scratch resistance.

Abstrakt: Multikatiónové oxidové sklá (MOS), známe aj ako vysokoentropické sklá (HEG), sa vyznačujú vysokou lomovou húževnatosťou 1,2-1,5 MPa m0,5; takáto vysoká lomová húževnatosť zlepšuje mechanickú odolnosť multikatiónových oxidových skiel. MOS tiež vykazujú vysokú optickú priehľadnosť. Zavedením opticky aktívnych prvkov možno modifikovať ich optické vlastnosti.1 Vzhľadom na kombináciu optických a mechanických vlastností MOS sa očakáva využitie MOS v rôznych aplikáciách. V rôznych fázach životného cyklu skla však môže dôjsť k poškodeniu jeho povrchu, čo výrazne znižuje jeho mechanickú odolnosť.2 Okrem toho poškriabania a ostré kontakty vytvárajú povrchové defekty ako výsledok abrázie, ktoré môžu ovplyvniť vizuálne charakteristiky skiel, čím sa zasa znižuje ich priehľadnosť. Vývoj skiel so zlepšenými povrchovými mechanickými vlastnosťami je kľúčom k širšiemu spektru ich použitia. Napriek zásadnému významu poškodenia povrchu a správania sa pri poškriabaní je o náchylnosti MOS na poškodenie povrchu a fyzike poškriabania známe len veľmi málo, čo obmedzuje možnosť vývoja nových typov skiel s vysokou odolnosťou voči poškriabaniu.

Cieľom tohto projektu dizertačnej práce je (i) preskúmať vplyv zloženia skla na štruktúru a mechanické vlastnosti MOS skiel a (ii) určiť, ako mechanické a štrukturálne vlastnosti skiel MOS ovplyvňujú ich reakciu na povrchové poškodenie. Za týmto účelom sa stratégia riešenia projektu opiera o (i) návrh zloženia a syntézu skiel s očakávanými rozdielmi vo vlastnostiach vyplývajúcich zo spôsobu ich prípravy metódami konvenčného tavenia a sol-gél, (ii) rozsiahly súbor experimentálnych charakterizácií na skúmanie štruktúry skla a stanovenie mechanických vlastností a (iii) skúmanie korelácií medzi zložením skla, štruktúrou a jeho správaním pri poškriabaní. Experimentálna práca bude pozostávať z nasledovných častí:

– Syntéza polykatiónových skiel konvenčnými metódami, napr. ochladením z taveniny, ako aj alternatívnymi metódami, napr. metódou sol-gél s využitím laktátových prekurzorov3,

– Skúmanie štruktúry a fyzikálnych vlastností skla pri laboratórnej teplote a pri zahrievaní,

– Hodnotenie mechanických vlastností pripravených skiel z hľadiska ich pružnosti, odolnosti voči šíreniu trhlín a lomovej húževnatosti.

– Meranie správania sa pri poškriabaní a odozvy povrchu pripravených skiel na laterálne napätia počas poškriabania.

1 Guo. Y. et al, iSceince 24, 102735 (2021).

2 Wondraczeck, L. et al, Adv. Mater. 34,2109029 (2022).

3 He, J. et al, Acta Mater. 174, 418-426 (2019).

 Kľúčové slová: Polykatiónové sklá, mechanické vlastnosti; lomová húževnatosť, odolnosť voči poškriabaniu.

Supervisor: prof. D. Galusek, FunGlass, Slovakia

Co – supervisors: Dr. F. Muñoz, CSIC, Madrid, Spain; Dr. A. Talimian, FunGlass, Slovakia

Abstract: Cold sintering is a method which has been since its discovery in 2016 applied for densification of almost 100 different polycrystalline materials. It is an ultra-low energy sintering technique, where a ceramic powder is mixed with a suitable liquid (solvent) and then densified under intense uniaxial pressure and at temperatures usually not exceeding 350 ºC. Such approach resembles that of geological formation of rocks, and represents a substantial saving of energy in production of ceramic materials which, until now, is a highly energy demanding process. However, as for now, except of one study reporting on cold sintering of soda-lime glass, there are no studies dealing with application of this method to densification of glasses. This is of particular interest e.g. for bioactive glasses. These can be prepared by a variety of methods, starting from conventional melt-quench technique to sol-gel processes. However, to prepare a scaffold with desired porosity and mechanical strength, viscous flow sintering of bioactive glass powder is often used, though usually accompanied by crystallization of glass, which influences the bioactive properties of the scaffold. Cold sintering may thus be a promising method to densify bioactive glass powders without undesired crystallization, also due to high solubility of such glasses in aqueous media. The project of dissertation thesis is therefore aimed at the use of cold sintering in densification of silicate and phosphosilicate bioactive glasses. The experimental work will consist of the following parts:

  • Identification of suitable glass systems and solvents for cold sintering of bioactive compositions,
  • Optimisation of the conditions (temperature, pressure, holding time) of cold sintering,
  • Characterisation of sintered bodies, determination of chemical and structural changes of sintered glass,
  • Preliminary evaluation of biological properties of cold-sintered bodies (bioactivity, biocompatibility).

 Keywords: Cold sintering, bioactive glass, crystallization, bioactivity, biocompatibility.

Abstrakt: Studené spekanie je metóda, ktorá sa od svojho objavu v roku 2016 aplikovala na zhutnenie takmer 100 rôznych polykryštalických materiálov. Je to ultranízkoenergetická metóda spekania, pri ktorej sa keramický prášok zmieša s vhodnou kvapalinou (rozpúšťadlom) a potom zhutňuje pri aplikovanom axiálnom mechanickom tlaku pri teplotách, ktoré obvykle nepresiahnu 350 ºC. Takýto prístup pripomína geologické procesy tvorby hornín, a predstavuje podstatné úspory energie pri príprave keramických materiálov, ktorá je v súčasnosti energeticky vysoko náročným procesom. S výnimkou jedinej štúdie zaoberajúcej sa studeným spekaním sodno-vápenatého skla, neexistujú v súčasnosti žiadne štúdie zamerané na použitie tejto metódy pre spekaní skla. Táto metóda je pritom mimoriadne zaujímavá napríklad pre bioaktívne sklá. Tie je možné pripraviť rôznymi metódami, od konvenčného chladenia taveniny až po sól-gél procesy. Na prípravu implantátov s požadovanou pórovitosťou a mechanickými vlastnosťami sa často využíva spekanie viskóznym tokom, ktorý je však často sprevádzaný nežiadúcou kryštalizáciou týchto skiel s negatívnym dopadom na ich bioaktívne vlastnosti. Studené spekanie tak môže byť sľubnou metódou zhutňovania práškov bioaktívnych skiel bez kryštalizácie, aj kvôli ich vysokej rozpustnosti vo vodných médiách. Projekt dizertačnej práce je preto zameraný na využitie studeného spekania pri zhutňovaní kremičitanových a fosfo-kremičitanových bioaktívnych skiel. Experimentána práca bude pozostávať z nasledovných častí:

  • Identifikácia vhodných sklených systémov a rozpúšťadiel pre studené spekanie bioaktívnych zložení,
  • Optimalizácia podmienok (teplota, tlak, izotermická výdrž) studeného spekania,
  • Charakterizácia spekaných štruktúr, štúdium chemických a štruktúrnych zmien spekaného skla,
  • Základné zhodnotenie biologických vlastností za studena spekaných štruktúr (bioaktivita, biokompatibilita).

 Kľúčové slová: Studené spekanie, bioaktívne sklá, kryštalizácia, bioaktivita, biokompatibilita.

Supervisor: Dr. A. Talimian, FunGlass, Slovakia

Co – supervisor: prof. D. Galusek, FunGlass, Slovakia

Abstract: The intrinsic brittleness of oxide glasses constrains their technological application. The absence of microstructure in glasses precludes using diverse microstructure-controlled toughening mechanisms, such as crack bridging and deflection; the fracture toughness of commercialized glasses, i.e., silicate and borate, is consequently less than 1.0 MPa m0.5. Although the fracture toughness of oxide glasses can be increased by tailoring their chemical composition, such improvements are unlikely to achieve a breakthrough in glass application.1

Glasses have modifiable structures ranging from short-range order (SRO) to medium-range order (MRO). It has been shown that the toughness of glassy materials can be increased by modifying the atomic packing order and enhancing the degree of MRO without compromising the optical properties of glass.2 Such modifications of MRO can be obtained by producing crystal-like MRO clusters or para-crystallites that structurally resemble embryos below the critical nucleation size during glass crystallization. Although para-crystallization has been reported to produce glasses with a fracture toughness as high as 2.0 MPa m0.5 3, its applicability is limited because of the complexity of the thermomechanical process, particularly the application of high pressure. However, the crystallization behavior of glasses can be tailored by carefully designing chemical composition and heat treatment. This dissertation project aims to investigate (i) the role of glass compositions and processing parameters in the para-crystallization of alkali earth aluminosilicate glasses and (ii) the effects of para-crystallization on the mechanical performance of glasses. To this end, our strategy relies on (i) the careful design and synthesis of glasses with expected differences in crystallization behavior, (ii) an extensive set of experimental characterizations to assess the mechanisms at play and corresponding parameters during paracrystallization, and (iii) investigating the effects of para, nano, and micro-crystallization of glasses on their mechanical and optical properties. In doing so, the experimental work will consist of the following parts:

  • Synthesis of RO-Al2O3-SiO2 (R=Mg, Ca, Sr, Ba) glasses using conventional melt-quenching and innovative methods.
  • Investigating the glass structure, SRO and MRO, at room temperature and upon heating within the crystallization window.
  • Evaluation of the mechanical performance of produced samples in terms of elasticity, crack resistance, and fracture toughness.
  • Measuring the scratch behavior and the response of the surface of produced samples to lateral stresses during scratch.

1 To, T. et al, ACS Appl. Mater Interfaces 13,17753-17765 (2021).

2 Tang, H. et al, Nature 559, 605-610 (2021).

3 Tang, H. et al, Nat. Mater 22, 1189-1195 (2023).

 Keywords: Non-metallic glasses, Crystallization, Mechanical properties; Fracture mechanism

Abstrakt: Krehkosť oxidových skiel obmedzuje ich technologické využitie. Absencia mikroštruktúry v sklách vylučuje využitie rôznych mikroštruktúrou riadených mechanizmov húževnatenia, ako je premostenie a odklon trhlín. Lomová húževnatosť komerčne vyrábaných skiel, t. j. silikátových a boritanových, je preto nižšia ako 1,0 MPa m0,5. Hoci lomovú húževnatosť oxidových skiel možno zvýšiť modifikáciou ich chemického zloženia, je nepravdepodobné, že by sa takýmto spôsobom dosiahol zásadný prelom v aplikácii skiel.

Sklá majú modifikovateľnú štruktúru od usporiadania s krátkym dosahom (SRO) po usporiadanie so stredným dosahom (MRO). Ukázalo sa, že lomovú húževnatosť sklených materiálov možno zvýšiť modifikáciou atomárneho usporiadania a zvýšením stupňa MRO bez toho, aby to malo negatívny dopad na optické vlastnosti skla.2 Takúto modifikáciu MRO možno dosiahnuť vytvorením MRO klastrov podobných kryštálom, prípadne parakryštalitov, ktoré majú štruktúru podobnú zárodkom s veľkosťou menšou ako je kritická veľkosť nukleí počas kryštalizácie skla. Hoci sa uvádza, že parakryštalizáciou sa dajú pripraviť sklá s lomovou húževnatosťou až 2,0 MPa m0,5 3 , jej použitie je obmedzené z dôvodu zložitosti termomechanického procesu, najmä nutnosti aplikáce vysokého tlaku. Kryštalizačné správanie skiel však možno modifikovať úpravou chemického zloženia a optimalizáciou tepelného spracovania.

Cieľom projektu tejto dizertačnej práce je preskúmať (i) úlohu zloženia skla a procesných parametrov pri parakryštalizácii skiel hlinitokremičitanov alkalických zemín a (ii) vplyv parakryštalizácie na mechanické vlastnosti skiel. Na tento účel sa stratégia riešenia opiera o (i) návrh zloženia a syntézu skiel s očakávanými rozdielmi v kryštalizačnom správaní, (ii) rozsiahly súbor experimentálnych charakterizácií na posúdenie relevantných mechanizmov, ako aj zodpovedajúcich parametrov počas parakryštalizácie a (iii) skúmanie účinkov parakryštalizácie, nanokryštalizácie a mikrokryštalizácie skiel na ich mechanické a optické vlastnosti. Experimentálna práca bude pozostávať z nasledujúcich častí:

– Syntéza skiel RO-Al2O3-SiO2 (R=Mg, Ca, Sr, Ba) pomocou konvenčných metód tavenia ako aj inovatívnych metód prípravy.

– Skúmanie štruktúry skla, SRO a MRO, pri laboratórnej teplote a pri zahrievaní v teplotnom intervale kryštalizácie.

– Vyhodnotenie mechanických vlastností pripravených vzoriek z hľadiska pružnosti, odolnosti voči šíreniu trhlín a lomovej húževnatosti.

– Meranie správania sa pri poškriabaní a odozvy povrchu pripravených skiel na laterálne napätia počas poškriabania.

1 To, T. et al, ACS Appl. Mater Interfaces 13,17753-17765 (2021).

2 Tang, H. et al, Nature 559, 605-610 (2021).

3 Tang, H. et al, Nat. Mater 22, 1189-1195 (2023).

Kľúčové slová: Nekovové sklá, kryštalizácia, mechanické vlastnosti; mechanizmus lomu

Supervisor: Dr. M. Michálková, FunGlass, Slovakia

Co – supervisor: Dr. J. Kraxner, FunGlass, Slovakia

Abstract: The primary objective of this undertaking is to create a novel form of optoelectronic materials called luminescent phosphor-in-glass (PiG). These materials are designed to be both cost-effective and highly efficient, with customizable luminescence properties. The material itself consists of a glass matrix and luminescent particles, with the phosphor being based on YAG and doped with rare earth elements such as Eu3+, Eu2+, Dy3+, Tb3+, Ce3+, or transition metals like Mn4+/Cr3+. By utilizing additive manufacturing, multiple layers of different phosphors can be combined within a single glass matrix, resulting in improved optical properties for the final product. Moreover, the 3D-printed objects will undergo densification via viscous flow, which reduces preparation costs.

Keywords: viscous flow of glass, glass, ceramic, luminescence

Abstrakt: Hlavným cieľom tohto projektu je vytvoriť novú generáciu optoelektronických materiálov typu fosfor v skle (PiG). Tieto materiály sú navrhnuté tak, aby boli nákladovo efektívne a vysoko účinné a aby sa ich luminiscenčné vlastnosti dali prispôsobiť. Samotný materiál pozostáva zo sklenenej matrice a luminiscenčných častíc, pričom luminofor je založený na YAG a je dopovaný prvkami vzácnych zemín, ako sú as Eu3+, Eu2+, Dy3+, Tb3+, Cealebo prechodnými kovmi, napríklad Mn4+/Cr3+. Využitím aditívnej výroby je možné kombinovať viacero vrstiev rôznych luminoforov v rámci jednej sklenenej matrice, čo vedie k zlepšeniu optických vlastností konečného výrobku. Okrem toho 3D vytlačené objekty prejdú zhutnením prostredníctvom viskózneho toku, čo znižuje náklady na prípravu.

Kľúčové slová: viskózny tok skiel, sklo, keramika, luminiscencia

Supervisor: Dr. D. Galusková, FunGlass, Slovakia

Co – supervisors: Dr. H. Kaňková, FunGlass, Slovakia; Dr. M. Holá, MU Brno, Czechia

Abstract: A challenge addressed by this PhD project is development of glassy materials reflecting the silicate-based matrix of commercial standards containing e. g. Li, Pb, U and other elements in higher amounts. Glassy materials with amounts starting from 500 ppm up to higher weight %, with elements requested for analysis of the strategic raw materials.

Activities:

  • Optimalization of melting method and preparation of in-house reference glass materials for analysis of the strategic raw material.
  • Verification of suitability of physical and chemical properties of prepared glasses as reference materials.
  • Verification of homogeneity and elemental distribution of prepared glasses and its applicability for the analytical methods (laser ablation mass spectrometry LA-ICP-MS…).

Skills: in preparation of materials by melting/sintering, in elemental analysis (determination of the chemical composition)

Keywords: Standard, melting, chemical analysis

Abstrakt: PhD projekt sa zameriava na vývoj sklených materiálov s matricou obdobnou ako pri komerčných štandardoch, ale s obsahom napr. Li, Pb, U… a iných prvkov vo vyšších množstvách. Tieto materiály pripravené tavením pokryjú rozsah koncentrácií od 500 ppm až po vyššie hmotnostné %, a zároveň budú zahŕňať prvky nevyhnutné pri analýze strategických surovín.

Aktivity:

  • Optimalizácia metódy tavenia a príprava série in-house referenčných sklených materiálov pre analýzu strategických surovín.
  • Overenie vhodnosti fyzikálnych a chemických vlastností pripravených skiel ako referenčných materiálov.
  • Overenie homogenity a distribúcie prvkov u série pripravených in-house referenčných sklených materiálov a ich využiteľnosti pre analytické metódy (laserová ablácia v kombinácii s hmotnostnou spektrometriou LA-ICP-MS…)

Zručnosti: príprava materiálov tavením a spekaním, prvková analýza (stanovenie chemického zloženia).

Kľúčové slová: Štandard, tavenie, chemická analýza

Supervisor: Dr. R. Dagupati, FunGlass, Slovakia

Co – supervisors: Dr. G. Galleani, Dr. M. Žitňan, FunGlass, Slovakia

Abstract: Positive thermal quenching is the process of quenching the photoluminescence (PL) intensity of rare earth ions (RE3+) doped luminescent materials as temperature rises. Due to the vibrations intensifying with temperature to encourage the dominance of nonradiative multiphonon transition probability, this phenomenon is commonly observed in the majority of luminescent materials. Such phenomenon severely restricts the usage of luminescent materials in the high-temperature area, which finally leads to system failure and deterioration of device performance. It can be overcome by using luminescent material with negative thermal expansion (NTE) characteristics because cell parameters of the crystals shrink at elevated temperatures. Such shrinkage may induce the decrease of distance between the sensitized ions (RE3+) and the activated ions (RE3+) to improve the energy transfer (ET) efficiency, resulting in the enhancement of luminescence intensity. However, such a three-dimensional compression may also promote the dissipation of the excitation energy in all directions of crystal sublattice to the lattice/surface defects, which deteriorates the luminescent emission of RE3+ ions. At present, only a few NTE host materials are demonstrated to be suitable for RE3+ ions doping, and their luminescence performance is usually too poor to fulfil their practical applications. The current PhD topic focuses on investigating inorganic materials with thermo-enhanced luminescence properties for the development of luminescent thermometers.

Keywords: Photoluminescence, luminescent materials, negative thermal quenching,                      luminescent thermometers

Abstrakt: Pozitívne termálne zhášanie je proces zhasínania intenzity fotoluminiscencie (PL) luminiscenčných materiálov dopovaných iónmi vzácnych zemín (RE3+) pri zvyšovaní teploty. Vzhľadom na to, že vibrácie sa s teplotou zintenzívňujú a podporujú tak dominanciu neradiačného multifonónového prechodu, tento jav sa bežne pozoruje vo väčšine luminiscenčných materiálov. Takýto jav výrazne obmedzuje použitie luminiscenčných materiálov v oblasti vysokých teplôt, čo v konečnom dôsledku vedie k systémovému zlyhaniu a zníženiu funkčnosti zariadenia. Toto obmedzenie je možné prekonať použitím luminiscenčného materiálu s negatívnymi charakteristikami tepelnej rozťažnosti (NTE), pretože parametre buniek kryštálov sa pri zvýšených teplotách zmenšujú. Takéto zmrštenie môže vyvolať zmenšenie vzdialenosti medzi senzibilizovanými iónmi (RE3+) a aktivovanými iónmi (RE3+) s cieľom zlepšiť účinnosť prenosu energie, čo vedie k zvýšeniu intenzity luminiscencie. Takáto trojrozmerná kompresia však môže tiež podporiť rozptyl excitačnej energie vo všetkých smeroch kryštálovej podmriežky do mriežkových/povrchových defektov, čo zhoršuje luminiscenčnú emisiu iónov RE3+. V súčasnosti sa ukázalo, že len niekoľko hostiteľských materiálov NTE je vhodných na dopovanie iónmi RE3+ a ich luminiscenčný výkon je zvyčajne príliš slabý na to, aby sa dali použiť v praxi. Predložená téma doktorandského štúdia sa zameriava na výskum anorganických materiálov s termo-zosilnenými luminiscenčnými vlastnosťami pre vývoj luminiscenčných teplomerov.

Kľúčové slová: Fotoluminiscencia, luminiscenčné materiály, negatívne termálne zhášanie, luminiscenčné teplomery

Supervisor: assoc. Prof. R. Klement, FunGlass, Slovakia

Abstract: The main goal of the PhD thesis project is preparation and detailed characterization of novel multicomponent/high-entropy transparent ceramics materials (garnet/pyrochlore structure) with multi-wavelength excitation and emission properties for the photonics applications. The transparent ceramics with desired properties will be prepared by pressure assisted sintering techniques, such as hot pressing and spark plasma sintering. The work requires combination of experimental approaches/techniques: materials preparation, microstructural characterization, phase composition analysis, detailed study of optical properties (transmission and photoluminescence (PL), including time-resolved PL spectroscopy).

 Keywords: Transparent ceramics, garnet structures – [A]3{B}2(C)3O12, pyrochlore structure A2B2O7, luminescence, phosphors, inorganic scintillators, magneto-optical materials, filters, imaging.

Abstrakt: Hlavným cieľom dizertačnej práce je príprava a detailná charakterizácia multi-zložkových/vysoko-entropických transparentných keramických materiálov (s granátovou/pyrochlórovou štruktúrou) so širokospektrálnymi absorpčnými a emisnými vlastnosťami. Transparentné keramické materiály s požadovanými vlastnosťami budú pripravené pomocou tlakom asistovaných metód spekania, ako sú žiarové lisovanie a spark plasma sintering. Práca vyžaduje kombináciu experimentálnych postupov: príprava materiálu, mikroštruktúrna charakterizácia, analýza fázového zloženia, detailné štúdium optických vlastností (trasmisných a fotoluminiscenčných (PL), zahrňujúc časovo-rozlíšenú PL spektroskopiu).

 Kľúčové slová: Transparentná keramika, granátová štruktúra – [A]3{B}2(C)3O12, pyrochlórová štruktúra A2B2O7, luminiscencia, luminofory, anorganické scintilátory, magneto-optické materiály, filtre, zobrazovanie.

Supervisor: Dr. S. Chen, FunGlass, Slovakia

Co – supervisor: Dr. F. Kurtuldu, FunGlass, Slovakia

Abstract: The objective of this PhD research is to create 3D scaffolds that have superior mechanical properties and biofunctions, such as angiogenesis, immunomodulation, and antimicrobials. The 3D scaffolds will be modelled after natural bone and will be made through an additive manufacturing technique using bioactive glass nanoparticles (BGN) and microparticles or microspheres that are infused with various therapeutic ions. The applicant will gain hands-on experience in glass melting, sol-gel synthesis, flame spheroidization and digital light processing (DLP) as part of the fabrication process. The BGN will be used to fill the gaps between the microspheres and powder particles, which will enhance the mechanical properties of the scaffolds. The microspheres and nanoparticles will be laced with therapeutic ions such as copper, cobalt, cerium, and zinc to bring about pro-angiogenic (cobalt), antimicrobial (copper, zinc), and immunomodulatory (cerium, copper) effects. The 3D-printed scaffolds will be analysed for textural properties, mechanical properties, bioactivity, biocompatibility, and biofunctions. The improved scaffolds are expected to have a higher surface roughness, better mechanical properties, and pro-angiogenic, antimicrobial, and immunomodulatory effects.

Keywords: 3D printing, bone-mimicking scaffolds, bioactive glass, therapeutic ions, biocompatibility.

Abstract: Cieľom tohto doktorandského výskumu je vytvoriť 3D štruktúry, ktoré majú zlepšené mechanické vlastnosti a bio-funkcie, ako je angiogenéza, imunomodulácia a antimikrobiálna rezistencia. 3D štruktúry budú modelované na základe prírodnej kosti a budú vyrobené aditívnou výrobnou technikou s použitím bioaktívnych sklenených nanočastíc (BGN) a mikročastíc alebo mikrosfér, obsahujúce rôzne terapeutické ióny. Uchádzač získa praktické skúsenosti s tavením skla, syntézou sól-gél, plameňovou syntézou a 3D tlačou pomocou (DLP – digital light processing) v rámci výrobného procesu. BGN sa použije na vyplnenie medzier medzi mikrosférami a práškovými časticami, čím sa zlepšia mechanické vlastnosti 3D štruktúr. Mikrosféry a nanočastice budú obohatené o terapeutické ióny, ako sú meď, kobalt, cér a zinok, aby sa dosiahli proangiogénne (kobalt), antimikrobiálne (meď, zinok) a imunomodulačné (cér, meď) účinky. 3D vytlačené štruktúry sa budú analyzovať z hľadiska textúrnych vlastností, mechanických vlastností, bioaktivity, biokompatibility a požadovaných bio-funkcií. Očakáva sa, že pripravené implantáty budú mať vyššiu drsnosť povrchu, lepšie mechanické vlastnosti a proangiogénne, antimikrobiálne a imunomodulačné účinky.

Kľúčové slová: 3D tlač, kosti podobné štruktúry, bioaktívne sklo, terapeutické ióny, biokompatibilita.

Supervisor: Dr. O. Sharifahmadian, FunGlass, Slovakia

Co – supervisor: assoc. prof. A. Pakseresht, FunGlass, Slovakia; Dr. Y. Castro, CSIC, Madrid, Spain; Dr. Hansjörg Weis, ACG Interpane Company, Germany

Abstract: Hydrophobic surfaces are becoming more and more necessary for a variety of applications, including glass windshields and self-cleaning windows. Therefore, the development and fabrication of durable hydrophobic coatings have received a lot of attention recently. However, the low wear resistance and inadequate UV-IR shielding of superhydrophobic coatings limit their practical applications. The objective of this study is to fabricate the novel multilayer oxide-based films on the glass substrate using physical vapor deposition (PVD) and plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) to control the transmittance, hydrophobicity, and tribological properties. Wettability, optical properties, surface chemistry, structural variations, mechanical, and tribological properties of the films will be characterized and evaluated. It is expected that the interaction of various metal oxide layers will enhance the self-cleaning properties, low emissivity, and wear resistance of the glass.

 Keywords: Plasma, optical properties, wear resistance, hydrophobicity

Abstrakt: Hydrofóbne povrchy sú čoraz potrebnejšie pre rôzne aplikácie vrátane čelných skiel a samočistiacich okien. Preto sa v poslednom čase venuje veľká pozornosť vývoju a výrobe odolných hydrofóbnych povlakov. Nízka odolnosť voči opotrebovaniu a nedostatočné UV-IR tienenie superhydrofóbnych povlakov však obmedzujú ich praktické aplikácie. Cieľom tejto štúdie je vyrobiť nové viacvrstvové vrstvy na báze oxidov na sklenenom substráte pomocou fyzikálneho naparovania (PVD) a plazmou zosilneného chemického naparovania (PECVD) na kontrolu priepustnosti, zmáčavosti a tribologických vlastností. Je potrebné charakterizovať a vyhodnotiť zmáčavosť, optické vlastnosti, povrchovú chémiu, štrukturálne zmeny, mechanické a tribologické vlastnosti filmov. Očakáva sa, že interakcia rôznych vrstiev oxidov kovov zvýši samočistiace vlastnosti, nízku emisivitu a odolnosť skla voči opotrebovaniu.

 Kľúčové slová: Plazma, optické vlastnosti, odolnosť proti opotrebovaniu, hydrofóbnosť

Supervisor: Dr. A. Mehta, FunGlass, Slovakia

Co – supervisor: assoc. prof. Dr. M. Janek, FCHPT STU Bratislava, Slovakia; Dr. J. Kraxner, FunGlass, Slovakia

Abstract: Recently, metal oxide and inexpensive, stable electrodes have been investigated as potential high-performance photoactive-conductive electrodes. Several parameters could be addressed in preparing conductive electrodes, such as the high cost, the complex structures, and the time-consuming procedure. The brown mud or red sludge is a highly alkaline waste product generated in aluminum production from bauxite in the Bayer process, which is rich in iron oxide. Employing industrial waste such as brown mud for solid oxide electrode preparation by additive manufacturing is a great challenge contributing also to the environmental aspect of this waste. The purpose of this dissertation project is to demonstrate a material modification strategy for preparing photoactive/conductive structures applicable also as electrodes using two 3D printing techniques: Direct Ink Writing (DIW) and Fused Deposition Modeling (FDM) with a high concentration of Fe3O4. In the first stage, the material behavior will be verified in the form of the slurry prepared using alkali-based solvents, and then from the gel-based system. In the second stage, the DIW method will be used to extrude various structures of the electrodes from optimized systems investigated in the first stage. For comparison, the FDM technique will be used to print conductive structures produced from the composite filaments with optimized polymer / solid content ratios, while red mud waste-based glasses with high content of Fe3O4will be used for the printable composite filament production. The printed structures in different shapes will be used for verification of photoactive / conductive electrode functionality to determine the effects of material removal rate (MRR), electrode wear rate (EWR), wear ratio (WR), average surface roughness (Ra) and other testing parameters. Overall, this dissertation project will trigger more research in producing conductive filaments via upcycling of waste materials by utilizing a 3D printing technique, aiming to produce required components with a more complex geometry using computer aided design for photoactive / conductive environmentally friendly applications.

Keywords: Photoactive-conductive electrodes, 3D printing, photo-electrocatalytic reactions.

Abstrakt: Oxidy kovov sa v poslednom čase vďaka ich cenovej dostupnosti využívajú na výrobu stabilných elektród na vývoj pokročilých materiálov. Pri príprave vodivých elektród však stále existuje priestor na zlepšenie. To zahŕňa zníženie výrobných nákladov, minimalizáciu času prípravy a dosiahnutie zložitejších tvarov konečných elektród.
Priemyselný odpad, ako je hnedý alebo červený kal, je vysoko alkalický vedľajší produkt, ktorý vzniká pri výrobe hliníka z bauxitu Bayerovým procesom. Tento odpad je bohatý na obsah oxidu železa. Jednou z hlavných výziev je využiť tento odpad na prípravu elektród prostredníctvom aditívnej výroby, a tak prispieť k ochrane životného prostredia znížením množstva odpadu.
Cieľom tohto dizertačného projektu je demonštrovať stratégiu modifikácie materiálov na vytvorenie fotoaktívnych a vodivých štruktúr, ktoré možno použiť aj ako elektródy. Na tento účel sa použijú dve techniky 3D tlače, Direct Ink Writing (DIW) a Fused Deposition Modeling (FDM) zmesí s vysokou koncentráciou Fe3O4.
V prvej fáze sa bude optimalizovať príprava vhodnej suspenzie. V druhej etape sa metódou DIW vytlačia rôzne štruktúry elektród z optimalizovaných systémov skúmaných v prvej etape. Na porovnanie sa technika FDM použije na tlač vodivých štruktúr vyrobených z kompozitných vlákien/filamentov s optimalizovanými pomermi obsahu vhodného polyméru a pevných látok.
Na výrobu tlačiteľných kompozitných vlákien sa použijú sklá na báze odpadu z červeného kalu s vysokým obsahom Fe3O4. Vytlačené štruktúry rôznych tvarov sa použijú na overenie funkčnosti fotoaktívnych/vodivých elektród. Určí sa tak vplyv rýchlosti úberu materiálu, rýchlosti opotrebovania elektród, pomeru opotrebovania, priemernej drsnosti povrchu a ďalších testovacích parametrov.
Celkovo tento projekt podnieti ďalší výskum v oblasti výroby vodivých vlákien prostredníctvom upcyklácie odpadových materiálov s využitím techniky 3D tlače. Jeho cieľom je vyrábať požadované komponenty so zložitejšou geometriou pomocou počítačom podporovaného navrhovania pre fotoaktívne/vodivé aplikácie šetrné k životnému prostrediu.

Kľúčové slová: Fotoaktívna vodivá elektróda, 3D tlač, foto-elektrokatalytická reakcia

Supervisor: Dr. A. Dasan, FunGlass, Slovakia

Co – supervisor: prof. E. Bernardo, UNIPD Padova, Italy; Dr. J. Kraxner, FunGlass, Slovakia

Abstract: The increasing challenges posed by waste glass disposal and the growing demand for sustainable material solutions have spurred the exploration of innovative approaches to upcycling waste glass. This Ph.D. study addresses this critical issue by investigating the integration of binder jetting (BJ) 3D printing technology to create sustainable and functional materials from waste glass. The research highlights the potential industrial applications of upcycled materials, such as construction, architecture, and sculpture, while prioritizing sustainability and cost-efficiency.

To achieve the goal, the study mainly involves:

  • Processing various non-recyclable waste glass into fine powder particles, including microspheres suitable for BJ 3D printing.
  • Special attention will be given to developing and utilizing environmentally friendly binders (e.g., water-based).
  • The exploration of 3D design strategies, and the optimization of 3D printing parameters to maximize structural integrity.
  • The use of industrial wastes and fillers (e.g., red mud, fly/volcanic ash, etc.,) as additives to improve the properties of the glass-based 3D components.

 Keywords: Waste glass upcycling, 3D printing, 3D design.

Abstrakt: Problematika likvidácie odpadového skla je čoraz náročnejšia a požiadavky na udržateľné materiálové riešenia sa zvyšujú. V dôsledku toho sa skúmajú inovatívne spôsoby recyklácie odpadového skla. Cieľom tejto doktorandskej štúdie je riešiť tento kritický problém skúmaním integrácie technológie 3D tlače pomocou Binder Betting (BJ) na vytvorenie udržateľných a funkčných materiálov z odpadového skla. Výskum sa zameriava na potenciálne priemyselné využitie upcyklovaných materiálov vrátane stavebníctva, architektúry a sochárstva, pričom prioritou je udržateľnosť a nákladová efektívnosť.

Na dosiahnutie cieľa štúdia zahŕňa najmä:

  • Spracovanie rôznych nerecyklovateľných odpadových skiel na jemné práškové častice vrátane mikroguľôčok vhodných pre BJ 3D tlač.
  • Osobitná pozornosť sa bude venovať vývoju a využitiu spojív šetrných k životnému prostrediu, t. j. na báze vody.
  • Skúmanie stratégií 3D dizajnu a optimalizácia parametrov 3D tlače s cieľom maximalizovať štrukturálnu integritu.
  • Používanie priemyselných odpadov a plnív, ako je červený kal, popolček/vulkanický popol atď. ako prísad na zlepšenie vlastností 3D komponentov na báze skla.

 Kľúčové slová: Upcyklácia odpadového skla, 3D tlač, 3D dizajn

Assigned topics 2024/25- 1st round:

5. Enhancing the Utility of Silicon-Based Composites with Cerium Oxide Nanoparticles for Cancer Treatment and Tissue Engineering / Kompozity na báze Si dopované nanočasticami oxidu céru na zlepšenie ich vlastností pre využitie v liečbe nádorov a tkanivovom inžinierstve

7. Development and processing of MOX-hybrid structures for efficient photocatalytic materials / Vývoj a príprava MOX-hybridných štruktúr pre účinné fotokatalytické materiály

8. Increasing the conversion during dry reforming of methane via PLASMA CATalysis: Turning greenhouse gases into value-added products / Zvýšenie konverzie suchého reformovania metánu plazmovou katalýzou: Premena skleníkových plynov na produkty s pridanou hodnotou

10. 3D printed composites using wide-bandgap semiconductors for photocatalytic decomposition of polutants in waste water / 3D tlačené kompozity využívajúce polovodiče s veľkou šírkou zakázaného pásu na fotokatalytický rozklad polutantov v odpadovej vode

12. Covalently functionalized nanoparticles with photosensitizers for photodynamic therapy application / Fotosenzitizérmi funkcionalizované nanočastice pre aplikácie vo fotodynamickej terapii
13. Bioactive oxynitride glasses for biomedical applications / Bioaktívne oxynitridové sklá pre biomedicínske aplikácie

15. Multifunctional biopolymer-based structures enriched with ion-doped mesoporous silica composites for biomedical applications / Multifunkčné štruktúry na báze biopolymérov obohatené o iónmi dopované mezoporézne kremičité kompozity určené pre biomedicínske aplikácie
16. New and Modern Thermal barrier coatings based on high entropy ceramic oxides / Nové a moderné tepelné bariérové povlaky na báze vysoko entropických keramických oxidov

18. Enhancing optical properties through antireflective superhydrophobic coatings prepared by PVD and PECVD techniques / Zlepšenie optických vlastností prostredníctvom antireflexných superhydrofóbnych povlakov pripravených technikami PVD a PECVD

21. Advanced multi-material structures by AMTs for future applications in the biomedical sector / Pokročilé multimateriálové štruktúry pripravené pomocou aditívnej výroby pre aplikácie v biomedicínskom sektore
22. Innovative decarbonization pathway in the glass industry by selective batching / Inovatívny spôsob dekarbonizácie v sklárskom priemysle prostredníctvom optimalizovanie vsádzky