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 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 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,
  • FunGlass school (twice a year), summer schools (Montpellier), conferences,
  • Slovak language classes, English competence program.
  • More info: https://www.funglass.eu/study-programs/doctoral-study/

 

To apply:

  • Send e-mail to admission.funglass@tnuni.sk with chosen PhD. dissertation thesis topic (only 1) and your skype ID – you will get e-mail information about application process.
  • Application deadline: April 21st, 2023

PhD admission interviews: May 15-19th, 2023

Registration for study on site (in Trenčín, Slovakia):  October 31st 2023

Free topics:

Supervisor: prof. D. Galusek, FunGlass, Slovakia

Co – supervisor: Dr. Francisko Muñoz, CSIC Madrid, Spain

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).

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).

Supervisor: Dr. Akansha, FunGlass, Slovakia

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

Abstract: Upcycling is a way of adding value to ‘waste’. In some cases recycling processes can achieve these aims; however, energy and water savings can be made by avoiding reprocessing materials to a virgin state. In many cases, recycling also results in a downgrading of the material’s constitution. Further, unlike remanufacturing – a method of extending product lifecycles through reuse and refabrication of products in closed-loop cycles (in other words, contained within a single product line– the primary aim of upcycling is to refashion and integrate discarded components and materials into a new range of diverse products within open-loop cycles. Glass, which can be recycled without changing its chemical composition, is often recovered for manufacturing new products. Preparing glass–ceramic from waste materials has recently been a popular method. As a new material, glass–ceramics have  interesting properties, including high thermal stability, chemical resistance, and low leaching toxicity. So it has been used in many fields, like construction, filtration, catalyst carrier. In this regard, the study will focus on the development of high strength glass-ceramic membranes by the inorganic gel casting technique with a foaming process and application of various 3D techniques (SLA- Stereolithography, DIW-Direct Ink Writing) from discarded glasses, to determine the detailed properties of the prepared membrane with morphology, microstructure, chemical, and phase composition, mechanical properties, electrical properties, density, porosity, surface area, photocatalytic properties.

Abstrakt: Upcycling je spôsob, ako pridať novú hodnotu “odpadu”. V niektorých prípadoch sa tieto ciele dajú dosiahnuť recyklačnými procesmi, avšak to často predstavuje veľké nároky na energie a vodu a v mnohých prípadoch recyklácia vedie k zníženiu kvality materiálu. Hlavným cieľom upcyclingu je opätovné spracovanie a integrácia vyradených komponentov a materiálov do nového sortimentu. Sklo, ktoré možno recyklovať bez zmeny jeho chemického zloženia, sa často využíva na výrobu nových výrobkov. Príprava sklokeramiky z odpadových materiálov sa stáva poslednom čase obľúbenou metódou recyklácie skleného odpadu, ktorá má zaujímavé vlastnosti vrátane vysokej tepelnej stability, chemickej odolnosti. Preto sa využíva v mnohých oblastiach, ako je stavebníctvo, filtrácia alebo ako nosič katalyzátorov.

V tejto súvislosti Ph.D praca sa zameria na vývoj vysokopevných sklokeramických membrán technikou gel-casting spojená procesom spenenia a aplikáciou rôznych 3D techník (SLA – stereolitografia, DIW – metódou priamej tlače) z odpadových skiel s cieľom určiť podrobné vlastnosti pripravenej membrány: morfológiu, mikroštruktúru, chemické a fázové zloženie, mechanické, elektrické a fotokatalytické vlastnosti.

Supervisor: Dr. J. Kraxner, FunGlass, Slovakia

Co – supervisors: prof. E. Bernardo, UNIPD Padova, Italy, Dr. Akansha, FunGlass, Slovakia

Abstract: Wastewater is one of the main sources of human pathogenic microorganisms and at the same time, large amounts of micro-pollutants are released into underground waters, such as drugs/medicines, disinfectants, laundry detergents, pesticides, metals, antibiotics-resistant organisms and other organic contaminants. The main dissertation aims to develop glass / glass-ceramics highly effective and reliable filters. Moreover, a waste glass will be used for the preparation of 3D filtration membrane in nano-, micro- and macro-range, while a photocatalytic effect under visible-light will be achieved by the incorporation of photocatalytic elements, for example, TiO2 and Fe2O3. The preparation process aims to modify a borosilicate waste glass by alkali activation and flame synthesis technique to produce various spherical glass microspheres (precursors) for additive manufacturing process. Advanced green (unfired) 3D structure in macro scale will be constructed by the Additive Manufacturing Technology (3D print), which utilizes Stereolithography (SLA), Direct Ink Writing (DIW) and Fused Deposition Modelling (FDM), where we plan to the design new composite filament for this printing segment. 3D printing will be followed by the sintering process and followed the micro- and nano-porous structure development by heat-treatments and leaching procedures at different conditions.

Abstrakt: Odpadová voda je jeden z hlavných zdrojov ľudských patogénov a zároveň, uvoľňuje veľké množstvo mikro-škodlivín do podzemných zdrojov, ako sú napríklad zvyšky liekov, dezinfekčných a pracích prostriedkov, pesticídy, kovy, antibiotikám rezistentné mikroorganizmy a ďalšie organické škodliviny. Dizertačná práca je zameraná na vývoj sklených/sklo-keramických vysoko-efektívnych filtrov. Pri vývoji budú použité odpadové sklá, z ktorých budú pripravené 3D filtračné membrány s nano-, mikro-, a makro- pórovitosťou. Fotokatalytický efekt vo viditeľnej oblasti bude dosiahnutý inkorporáciou fotokatalytických prvkov ako napríklad TiO2 alebo Fe2O3.

Pokročilá surová 3D štruktúra v makro-škále bude pripravená pomocou aditívnej výrobnej technológie, ktorá je založená na stereolitografii (SLA), priamej tlači (DIW) a fúznom depozičnom modelovaní (FDM). Rôzna pórovitosť finálneho filtra sa bude dosahovať úpravou odpadového skla pomocou alkalickej aktivácie a rôznymi podmienkami pri 3D tlači, ďalej rôznymi podmienkami spekania a s následnými lúhovacími procesmi.

Closed topics:

Supervisor: Dr. A. Dasan, FunGlass, Slovakia

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

Abstract: Although digitally manufactured polymer, metal and ceramic parts are already successfully used in sectors such as aerospace, automotive and healthcare, fully transparent glass components are still in their infancy. However, the possibilities are exciting and the potential benefits immense since the technology has freedom of design capabilities; being aware of recent developments in this area is going to be crucial for industries specially when thinking about next-gen sensing, optical and photonic components. Since bringing new technology and new products to market, in an efficient and cost-effective method, is a key factor for the success of these industries, the development of innovative strategy for 3D glass systems with better 3D printing materials and technology is essential. The aim of the research topic is to develop optically transparent/translucent glass objects from existing or new materials by various additive manufacturing techniques for next-gen sensing, optical and photonic components.

The experimental part will consist of the following parts:

  • identification of suitable glass systems (waste glasses or new system)
  • optimisation of the cell topology (3D modeling)
  • identification of the preparation mechanism of the suspension for the selected AMTs fabrication techniques.
  • identification of the mechanism of the debinding and sintering process provided by the conventional heating process
  • study of glass viscous flow sintering

evaluation of physical and chemical properties of developed advanced 3D structures.

Abstrakt: Digitálne vyrábané polymérové, kovové a keramické súčiastky sa úspešne používajú v odvetviach, ako je letectvo, automobilový priemysel a zdravotníctvo. Avšak trasnparentné alebo translucentné sklené súčiastky sú ešte len v začiatkoch. Vývoj takýchto súčiastok predstavuje obrovský prínos, keďže táto technológia má voľnosť v možnostiach dizajnu. Kľúčovým faktorom k úspechu je uvedenie nových technológií a nových výrobkov na trh efektívnym a nenákladným spôsobom a preto je nevyhnutné vyvinúť inovačnú stratégiu pri príprave 3D sklených materiálov využitím technológie 3D tlače. Cieľom výskumnej témy je vyvinúť trasparentné/translucentné sklenené štruktúry z recyklovaných alebo nových materiálov prostredníctvom požitia rozných aditívnných technologií, pre senzorické, optické a fotonické komponenty novej generácie.

Experimentálna časť bude pozostávať z týchto častí:

  • identifikácia vhodných sklených systémov (odpadové sklo alebo nový systém)
  • optimalizácia topológie štruktúry (3D modelovanie),
  • identifikácia postupu prípravy suspenzie pre vybrané aditívne výrobné techniky,
  • identifikácia mechanizmu procesu výpalu organických zložiek a spekania,
  • štúdia spekania pomocou viskózneho toku,

hodnotenie fyzikálnych a chemických vlastností vyvinutých pokrokových 3D štruktúr.

Supervisor: Dr. S. Rana, FunGlass, Slovakia

Co – supervisors: prof. L. Wondraczek, FSU Jena, Germany, assoc. prof. J. Velázquéz, FunGlass, Slovakia

Abstract: PLASMA-CATalysis proposes a revolutionary approach to synergize biogas upgrading and Green House Gases (GHG) emissions abatement, setting the grounds for a new concept: GHG to fuels and chemicals.  Our aim is to develop a direct route to produce added value products from biogas mixtures via advanced catalyst design and non-thermal plasma catalysis. The urgent problem of global warming and the need to decarbonize the chemical industry in a circular economy context place PLASMA-CATalysis in a privileged position to become a pioneering approach to contribute towards the development of sustainable societies.

The topic of a PhD. work is focused on design a non-thermal plasma reactor and bimetallic and/or nanometallic supported silica and alumina catalysts with high metallic dispersion to study their effect on the dry reforming reactions. To allow structure-activity correlation and to evaluate the stability of the material after the plasma experiments, Both pre and post-plasma reaction materials will be characterized, based on (i) XRD for size and crystal phase, (ii) UV-Vis DRS for metal dispersion, (iii) TPR/TPO analysis for dispersion and metal support interaction, vii) Raman analysis for carbon deposition/structural information, (iv) NH3 TPD for acid strength and sides, (vi) N2 sorption for porosity and surface area.

Abstrakt: Katalýza pomocou plazmy predstavuje revolučný prístup v synergii zhodnocovania bioplynu a znižovania emisií skleníkových plynov (Green House Gases, GHG) a ponúka tak nový koncept premeny CHG na palivá a chemikálie. Naším cieľom je vyvinúť priamy spôsob výroby produktov s pridanou hodnotou zo zmesí bioplynu prostredníctvom nových katalyzátorov a netepelnej plazmovej katalýzy. Naliehavý problém globálneho otepľovania a potreba dekarbonizácie chemického priemyslu, v kontexte obehového hospodárstva, stavia PLAZMA-KATalýzu do revolučného postavenia, ktorý prispieva k rozvoju udržateľnej spoločností. Téma PhD práce je zameraná na návrh a zostrojenie netepelného plazmového reaktora. Ako aj na prípravu bimetalických a/alebo nanokovových katalyzátorov na báze oxidu kremičitého a oxidu hlinitého s vysokou  disperziou a následné štúdium ich vplyvu na reakciu suchého reformovania. Materiály sa budú charakterizovať pred aj po účinku plazmy, aby sa umožnila korelácia medzi štruktúrou a aktivitou, a aby sa vyhodnotila stabilita materiálu po styku s plazmou, na základe (i) RTG na zistenie veľkosti kryštálov a fázy, (ii) UV-Vis DRS pre disperziu kovov, (iii) TPR/TPO analýza interakcie disperzie a kovového nosiča, vii) Ramanova analýza pre depozíciu uhlíka/informácie o štruktúre, (iv) NH3 TPD pre určenie počtu a sily kyslých aktívnych  miest, (vi) sorpcia N2 pre pórovitosť a plochu povrchu.

Supervisor: Dr. R. Dagupati, FunGlass, Slovakia

Co – supervisors:  prof. L. Wondraczek, FSU Jena, Germany, assoc. Prof. J. Velázquez, FunGlass, Slovakia, Dr. Jiangkun Cao

Abstract: When it comes to industrial processes, sintering, metal alloy formation, catalytic reactions, the formation of new materials under extreme conditions, etc., the temperature is an important factor. In addition, it governs various physical and chemical intracellular interactions that occur in the life cycle of biological cells. For this reason, the ability to accurately measure temperature is critical in a wide range of applications ranging from military to environmental. Among different types of sensors, temperature sensors currently hold about 80% of the market share. These sensors are, however, primarily based on conventional contact sensors, which have limitations in a wide range of situations, such as nano- or submicrometer regimes, fast-moving objects inside cells, and corrosive environments etc. To overcome these intrinsic limitations, non-contact optical thermometry methods have been developed. One of them is ratiometric thermometry technique which is a versatile method and is widely used to determine the temperature based on measurement of the fluorescence intensities from two thermally (TC) and non-thermally coupled (NTC) energy levels in active ions (rare earth (RE) and transition metal (TM)) because it improves the accuracy, resolution, and reliability of the temperature measurements. Additionally, it reduces the influence of the experimental conditions, such as fluorescence loss and fluctuation of the pumping power. This technique mainly depends on the luminescent material and its temperature-dependent luminescence properties. Among all luminescent materials used for optical applications, nano/micro structured fluoride-based materials functionalized with rare earth (RE)/transition metal (TM) ions have superior luminescent properties. For instance, due to their efficient emissions in the biological window (BW) of tissue 650-950 nm (I-BW), 1000-1350 nm (II-BW), and 1500-1750 nm (III-BW), these materials are in high demand in bioimaging and medical diagnostics.  Therefore, the topic of a PhD. will be centered on the preparation of nano/microstructured fluoride-based luminescent material by conventional melt-quenching and chemical route techniques to optimize the direct and/or energy conversion (up and down-conversion) emissions of both, thermally and non-thermally coupled energy levels. The prepared materials will be systematically characterized by structural, thermal, and luminescent techniques focussing on the relationship between composition, structure, and properties through the adequate control of the processing parameters. This study will allow the optimization of the design of these materials with improved ratiometric thermometry properties.

Abstrakt: Teplota je dôležitým faktorom v mnohých priemyselných procesoch, ako je spekanie, tvorba kovových zliatin, katalytické reakcie, tvorba nových materiálov v extrémnych podmienkach atď. Okrem toho teplota ovplyvňuje rôzne fyzikálne a chemické vnútrobunkové interakcie, ktoré sa vyskytujú v životnom cykle biologických buniek. Z tohto dôvodu je schopnosť presne merať teplotu kritická v širokom spektre aplikácií, od vojenských až po environmentálne. Medzi rôznymi typmi snímačov majú snímače teploty v súčasnosti asi 80 % podiel na trhu. Tieto senzory sú však primárne založené na konvenčných kontaktných senzoroch, ktoré majú obmedzenia v širokom spektre situácií, ako sú nano- alebo submikrometrové oblasti, rýchlo sa pohybujúce objekty vo vnútri buniek a korozívne prostredie atď. Na prekonanie týchto vnútorných obmedzení boli vyvinuté metódy kontaktnej optickej termometrie. Jednou z nich je technika pomerovej termometrie, ktorá je všestrannou metódou a  používa sa na určenie teploty na základe merania intenzity fluorescencie z dvoch termálne (TC) a netermálne viazaných (NTC) energetických hladín v aktívnych iónoch vzácnych zemín a prechodných kovov, pretože zlepšuje presnosť, rozlíšenie a spoľahlivosť meraní teploty. Okrem toho znižuje vplyv experimentálnych podmienok, ako je nízka úroveň intenzity fluorescencie a kolísanie čerpacieho výkonu. Táto technika závisí hlavne od luminiscenčného materiálu a jeho teplotne závislých luminiscenčných vlastností. Spomedzi všetkých luminiscenčných materiálov používaných na optické aplikácie majú nano/mikroštruktúrované materiály na báze fluoridu funkcionalizované iónmi vzácnych zemín a/alebo prechodných kovov vynikajúce luminiscenčné vlastnosti. Napríklad vďaka svojim účinným emisiám v oblastiach vlnových dĺžok, transparentných pre biologické tkanivá 650-950 nm (I-BW), 1000-1350 nm (II-BW) a 1500-1750 nm (III-BW), tieto materiály sú veľmi žiadané v biozobrazovaní a lekárskej diagnostike. Preto sa PhD. téma zameria na prípravu nano/mikroštruktúrovaného luminiscenčného materiálu na báze fluoridu konvenčnými technikami schladzovania taveniny a chemickými metódami prípravy, aby sa optimalizovala priama emisia a/alebo energetická konverzia (up a down-konverzia) tepelne aj netepelne viazaných energetických hladín. Pripravené materiály budú systematicky charakterizované štrukturálnymi, tepelnými a luminiscenčnými technikami so zameraním na vzťah medzi zložením, štruktúrou a vlastnosťami cez ovplyvňovanie parametrov prípravy. Táto štúdia umožní optimalizáciu dizajnu týchto materiálov so zlepšenými pomerovými termometrickými vlastnosťami.

Supervisor: assoc. prof. J. Velazquez,  FunGlass, Slovakia

Co – supervisors: prof. L. Wondraczek, FSU Jena, Germany, Dr. O. Sisman, FunGlass, Slovakia

Abstract: Transparent conductive films (TCF) formed by a layer of transparent conductive oxide (TCO) have been widely used in various applications due to their specific properties. TCFs for photovoltaic applications are commonly prepared from inorganic and organic materials. Inorganic films are usually formed by a layer of transparent conductive oxide (TCO), most commonly indium tin oxide (ITO), which exhibits high values ​​of electrical conductivity as well as transparency. However, its disadvantage is the expensive costs associated with the scarcity of indium and its acquisition. A suitable alternative to ITO appears to be transparent conductive materials based on ZnO; such as aluminum doped zinc oxide (AZO) and gallium doped zinc oxide (GZO). During the preparation of thin films, especially with wet chemical methods, it is difficult to control the final content of single oxides. The incorporation of N2 represents an effective method of modulating the physical properties of metal oxides, such as the band-gap of the studied semiconductors. Lennon et al. successfully proved that N2 incorporated into AZO films showed better transmittance and electrical properties compared to synthesized AZO films. Thus, understanding the mechanism of N2 incorporation makes it possible to control and influence the conductivity and optical properties of TCO films. The work will deal with the study of the influence of N2 incorporation into AZO and GZO films synthesized by PVD and sol-gel methods and correlated it with the doping level of the ZnO films following a bottom-up approach. By using this approach, the bandgap engineering of the studied ZnO films will be done. The analysis will be performed in terms of structure, specific surface area, defects, etc. correlating them with optical and electrical properties for photovoltaic solar-cells applications.

Abstrakt: Transparentné vodivé filmy (TCF) tvorené vrstvou transparetného vodivého oxidu (TCO) zaujali, vďaka svojim špecifickým vlastnostiam, význámné miesto v rôznych aplikáciách. TCF pre fotovoltaické aplikácie sa štadnardne pripravujú z anorganických aj organických materiálov. Anorganické filmy sú zvyčajne tvorené vrstvou transparentného vodivého oxidu (TCO), najčastejšie oxidu india a cínu (ITO), ktorý vykazuje vysoké hodnoty elektrickej vodivosti, ako aj priehľadnosti. Jeho nevýhodou je však finančná náročnosť, spojená so samotným nedostatkom india a jeho získavaním. Vhodnou alternatívou ITO sa javia byť transparentné vodivé materiály na báze ZnO; ako oxid zinočnatý dopovaný hliníkom (AZO) a oxid zinočnatý dopovaný gáliom (GZO). Počas prípravy tenkých filmov, najmä pri mokrých chemických metódach, je náročné kontrolovať finálny obsah jendotlivých oxidov. Inkorporácia N2 predstavuje účinnú metódu modulácie fyzikálnych vlastností oxidov kovov, prostredníctvom modulácie zakázaného pásma (energetickej medzery) študovaných polovodičov. Lennon a spol. úspešne dokázali, že N2 inkorporované do AZO filmov, vykazovali lepšiu transmitanciu a elektrické vlastnosti v porovnaní so syntetizovanými AZO filmami. Pochopenie mechanizmu inkorporácie N2 umožňuje  kontrolovane riadiť a ovplyvňovať konduktivitu a optické vlastnosti filmov TCO. Práca sa bude zaoberať štúdiom vplyvu inkorporácie N2 do AZO a GZO filmov syntetizovaných PVD a sol-gel metódami a určí sa korelácia s množstvom ZnO. Bude sa analyzovať štruktúra, špecifický povrch, prítomnosť defektov atď., v súvislosti s optickými a elektrickými vlastnosťami vhodnými pre aplikácie fotovoltaických solárnych článkov.

Supervisor: Dr. M. Žitňan, FunGlass, Slovakia

Co – supervisor: Dr. S. Rana, FunGlass, Slovakia

Abstract: Human activity produces pollutants that enter the environment through rivers and oceans. This is clearly observed in the wastewater analysis in which the presence of pharmaceuticals, hormones and drugs in water treated in wastewater treatment plants is found. To overcome this situation, photocatalytic materials can be used to decompose organic molecules present in water by using UV light. In this sense, this kind of materials can decompose molecules of drugs, hormones, and drugs adsorbed on its surface.  Particularly, wide-bandgap semiconductors based on TiO2 and ZnO will be chosen due to their ability to absorb the UV light and therefore decompose the pollutants. The decomposition process will be monitored using model molecules that mimic the structure of pollutants. The selected molecules contain a chromophore, which decomposes due to photocatalysis. The concentration of the molecule will be monitored by colorimetry over time. At a given intensity of UV illumination, the process is affected by the size of the surface of the irradiated photocatalyst. The task is to prepare a photocatalyst in the desired crystal modification by hydrothermal and sol-gel methods and subsequent heat treatment. The work includes particle size and active surface measurement as well as optical characterization. In the following part, the task is the adjustment of powders into the form of composites with polymers applicable in 3D printing in the form of filaments for the application of additive manufacturing. An alternative is to apply the photocatalyst to the supporting 3D scaffolds. The goal of the topic is the optimization of 3D printable material for the effective decomposition of pollutants by photocatalyst.

Abstrakt: Ľudská činnosť produkuje znečisťujúce látky, ktoré sa do životného prostredia dostávajú cez rieky a oceány. Tento jav je zreteľne pozorovaný pri analýze odpadových vôd, pri ktorej sa zisťuje prítomnosť liečiv, hormónov a liečiv vo vode po úprave v čistiarňach odpadových vôd. Organických molekuly prítomné vo vode môžeme rozložiť fotokatalytickými materiálmi ožiarenými ultrafialovým (UV) svetlom. Tento druh materiálov rozkladá molekuly liečiv, hormónov a liečiv adsorbované na jeho povrchu. V práci použité materiály sú polovodiče so širokým bandgapom na báze TiO2 a ZnO v práškovej forme absorbujúce svetlo v UV oblasti. Proces rozkladu bude sledovaný pomocou modelových molekúl, ktoré napodobňujú štruktúru polutantov. Vybrané molekuly obsahujú chromofór, ktorý sa vplyvom fotokatalýzy rozkladá.  Koncentrácia molekuly bude sledovaná kolorimetricky v čase. Pri danej intenzite UV osvetlenia je proces ovplyvnený veľkosťou povrchu ožiareného fotokatalyzátora. Úlohou je pripraviť fotokatalyzátor v požadovanej kryštálovej modifikácii hydrotermálnou a sól-gél metódami  a následnou tepelnou úpravou. Súčasťou práce je meranie veľkosti častíc práškov, meranie ich aktívneho povrchu ako aj optická charakterizácia.  V nasledovnej časti je úlohou úprava práškov do formy kompozitov s polymérmi aplikovateľných v 3D tlači vo forme vytvorených filamentov pre nanášanie materiálu tavením (Fused deposition modelling). Alternatívou je nanášanie fotokatalyzátora na nosné 3D štruktúry. Cieľom témy je optimalizácia 3D tlačiteľného materiálu pre efektívny rozklad polutantov fotokatalyzátorom.

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

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

Abstract: Phosphor-converted WLED (pc-WLEDs = phosphor converted white LEDs) have been considered as a new generation of light source owing to their superior advantages of small size, energy savings, environmental protection, long service life, etc. One of the most significant challenges of pc-WLEDs is the thermal quenching of luminescence, in which the phosphor suffers from emission loss with increasing temperature during high-power LED operation. Thus, the interest and demand for phosphors with zero-thermal quenching or even anti-thermal quenching behaviour is rapidly growing especially for application in high brightness and power lighting devices.

The topic of a PhD. work is focused on the preparation of phosphors with zero-thermal quenching behaviour, and their detail structural and luminescence properties study, with special attention on mechanism of zero-thermal-quenching process.

Abstrakt: LED diódy emitujúce biele svetlo (pc-WLEDs) sú považované za novú generáciu svetelných zdrojov s mnohými výhodami, napr. malé rozmery, dlhá životnosť, energetická úspornosť, malá enviromentálna záťaž atď. Jednou zo signifikantných nevýhod je teplotné zhášanie luminiscencie (PL), produkovanej luminoforom konverziou excitačného žiarenia, pri vyšších teplotách, ktoré sú pomerne typické pre tento typ sveteľných zariadení. Z tohoto dôvodu záujem o luminofory s nízkym teplotným zhášaním PL významne rastie najmä pre aplikácie v pc-WLED s vysokou svietivosťou.

Práca je zameraná na prípravu luminoforov s nízkym (takmer nulovým) teplotným zhášaním luminiscencie a ich detailnú charakterizáciu z pohľadu štruktúry a luminiscenčných vlastností. Špeciálna pozornosť bude venovaná objasneniu mechanizmu procesu “nulového” teplotného zhášania luminiscencie.

Supervisor: assoc. prof. A. Pakseresht, FunGlass, Slovakia

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

Abstract: The concept of the new category materials high entropy ceramics (HECs) has been proposed several years ago, which is directly borrowed from high entropy alloys (HEAs).  High-entropy ceramics is an emerging class of high-entropy materials with higher properties in comparison with conventional ones. It leads to new materials, both as bulk and films, play important roles in technology in the decades to come. High-entropy carbides, boron carbides, borides, and oxides had been reported with superior wear, corrosion, oxidation and mechanical properties. This kind of material can be useful in thermal barrier coatings, thermoelectric, batteries and corrosion -resistant and – wear resistant coatings.

This work will focus on the processing and characterization of high-entropy powder ceramics, it means, the composition design, structure, chemistry, composite processing of powder, and evolution of microstructure and properties will be investigated.  In the second stage, the bulk samples will be synthesized by spark plasma sintering or hot-pressing method to produce high entropy bulk ceramics. All the samples will be characterized. The optimized sample with the higher properties will be granulated to use for thermal barrier application.

Abstrakt: Koncepcia vysoko-entropickej keramiky (HEC) bola navrhnutá pred niekoľkými rokmi a je odvodená od vysoko-entropických zliatin (HEAs). Vysoko-entropická keramika je nová trieda vysoko-entropických materiálov s lepšími vlastnosťami v porovnaní s konvenčnými. Vedie k príprave nových materiálov vo forme objemových materiálov alebo povlakov. Zistilo sa, že vysoko-entropické karbidy, silicidy, karbidy bóru, boridy a oxidy sa vyznačujú vynikajúcimi mechanickými vlastnosťami, dobrou odolnosťou voči oteru, oxidácií a korózií. Tento druh materiálu sa môže využiť v tepelných bariérových povlakoch, v batériach alebo ako antikorózny povlak.

Táto práca bude zameraná na prípravu  a charakterizáciu vysoko-entropickej keramiky. Práca bude zameraná aj na skúmanie základných vlastností týchto materiálov a vzťahov medzi ich chemickým zložením, podmienkami prípravy, mikroštruktúrou a mechanickými vlastnosťami. V druhej faze sa pripravia vysoko-entropické keramické oxidy pomocou žiarového lisovania alebo SPS metódy. Následne budú všetky pripravené vzorky charakterizované. Optimalizované zloženie sa použije pre prípravu TBC povlakov.

Supervisor: Dr. O. Sharifahmadian, FunGlass, Slovakia

Co-supervisors: Dr. Hansjörg Weis, AGC Interpane company, Germany, assoc. prof. A. Pakseresht, FunGlass, Slovakia

Abstract: Glass is one of the most popular and versatile building materials used today, due in part to its constantly improving solar and thermal performance. High amount of energy loss occurs in windows and doors, and that high percent of window heat loss occurs through the glass. The low-E coated glasses are the best option to minimize the amount of ultraviolet (fading agent) and infrared light (or heat energy) that can pass through the glass without compromising the amount of visible light that is transmitted. Recently, low-emissivity (low E) coatings have been developed by several technics such as Plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) and Physical vapor deposition (PVD) technics on the glasses. In this Ph. D project, a novel multi-layer and highly robust    SiN/Ag/SiC low-E coating will be fabricated and developed on the glass substrate by hybrid PECVD-PVD process. Optical properties, surface chemistry, structural variations, durability, and mechanical properties of the coatings must be characterized and evaluated. It is supposed to be scaled up the optimized deposition parameters to the industrial applications.

Abstrakt: Sklo je jedným z najobľúbenejších a najvšestrannejších stavebných materiálov, ktoré sa v súčasnosti používajú, a to aj vďaka neustále sa zlepšujúcim solárnym a tepelným vlastnostiam. V oknách a dverách dochádza k veľkým energetickým stratám, pričom vysoké percento tepelných strát okien vzniká cez sklo. Sklá s nízkoemisnou vrstvou sú najlepšou možnosťou, ako minimalizovať množstvo ultrafialového a infračerveného svetla, ktoré môže prejsť cez sklo, bez toho, aby sa znížilo množstvo prechádzajúceho viditeľného svetla. V poslednom čase boli na sklách vyvinuté nízko-emisné povlaky viacerými metódami, ako je napr. plazmou zosilnené chemické naparovanie (PECVD) a fyzikálne naparovanie (PVD). V rámci tohto doktorandského projektu sa hybridným procesom PECVD-PVD na sklenenom substráte vyrobí a vyvinie nový viacvrstvový a vysoko odolný nízko-emisný SiN/Ag/SiC povlak. Na pripravených povlakoch sa charakterizujú optické vlastnosti, chemické zloženie povrchov, mikroštruktúrne zmeny, trvanlivosť a mechanické vlastnosti. Predpokladá sa, že optimalizované depozičné parametre sa budú používať aj pre priemyselné aplikácie.

Supervisor: Dr. M. Michálek, FunGlass, Slovakia

Co – supervisors: prof. A. R. Boccaccini, FAU Erlangen, Germany, Dr. Fatih Kurtuldu, FunGlass, Slovakia

Abstract: Bone void fillers are a promising biomaterial solution in the treatment of musculoskeletal defects related to exposed fractures caused by trauma, bone tumours, and prosthesis implants, among others. Nowadays used bone cement despite good biocompatibility, osteoconduction, and complete resorption in vivo, however, poor bioactivity, rapid degradation and consequently inflammatory effects in the surroundings due to the acidic environment are the main drawbacks. Bioactive glass with its remarkable features could be the answer to how to overcome the above-mentioned issues. The composite fabrication (bioactive glass/cement) has been proposed as a solution and is a current interest in the proposed work. The bioactive glass can be prepared by glass melting or sol-gel technique. The latter mentioned could lead to the fabrication of Mesoporous Bioactive Glasses (MBG) with higher surface area and can be used as drug carriers instead of traditionally obtained glass melted powder. Moreover, they can be doped by therapeutic inorganic ions to enhance the biological response such as antibacterial (Cu), inflammatory (Zn) or higher radiopacity (Bi). The present research proposal seeks to fabricate a new injectable composite of mesoporous bioactive glass/cement bone filler with proper bioactivity, cytocompatibility, radiopacity, injectability, and drug loading for bone void-filling applications.

Abstrakt: Výplne kostných dutín sú sľubným riešením pri liečbe muskuloskeletálnych defektov spôsobených odhalenými úrazovými zlomeninami, kostnými nádormi a protézami, okrem iného. V súčasnosti používaný kostný cement má napriek dobrej biokompatibilite, osteokondukcii a úplnej resorpcii in vivo slabú bioaktivitu, rýchlu degradáciu a následne zápalové účinky v okolí v dôsledku kyslého prostredia. Bioaktívne sklo so svojimi pozoruhodnými vlastnosťami by mohlo byť odpoveďou na to, ako prekonať uvedené problémy. Ako riešenie sa navrhla výroba kompozitov (bioaktívne sklo/cement), ktorá je aktuálnym záujmom navrhovanej práce. Bioaktívne sklo možno pripraviť tavením skla alebo sol-gel technikou. Druhá uvedená metóda by mohla viesť k výrobe mezopórovitých bioaktívnych skiel (MBG) s väčším špecifickým povrchom a takto pripravené častice sa môžu použiť aj ako nosiče liečiv. Okrem toho môžu byť dopované terapeutickými anorganickými iónmi na zvýšenie biologickej odozvy, napríklad antibakteriálnej (Cu), proti zápalovej (Zn) alebo vyššej radioopacity (Bi). Cieľom výskumného návrhu je vyrobiť kompozit mezoporézneho bioaktívneho skla/cementového kostného plniva s vhodnou bioaktivitou, cytokompatibilitou, rádiopacitou, injekčnou schopnosťou a s možnosťou náplne liečiva na vypĺňanie poškodených kostných dutín.

Supervisor:  Dr. S. Chen, FunGlass, Slovakia

Co – supervisors: Dr. G. Clavijo, FunGlass, Slovakia, Dr. M. Michálek, FunGlass, Slovakia

Abstract: Bioactive glass, a material commonly used for bone regeneration, induce hydroxyapatite formation and binds firmly to bone tissue through mechanical interlocking, covalent, electrostatic and hydrogen bonds. Bone tissue divides into cortical and cancellous bone, where cancellous bone exhibits a fully interconnected “spongy” porous structure with up to 95% porosity and pore sizes between 300-1600 μm. The cortical bone has a complex layered porous structure consisting of: a) Haversian canals in the 30-100 μm range; b) Volkmann canals and osteocyte lacunae in the 5-15 μm range and c) small vascular channels and canaliculi in the 1-5 μm range. In this work, the combination of glass melting, flame synthesis, sol-gel and 3D printing techniques (Stereolithography and digital light processing) will be used to obtain bioactive glass (silicate, borosilicate and borate glasses) scaffolds with a hierarchical porous structure mimicking the natural bone.

Abstrakt: Bioaktívne sklo, materiál bežne používaný na regeneráciu kostí, vyvoláva tvorbu hydroxyapatitu a pevne sa viaže na kostné tkanivo prostredníctvom mechanického prepojenia, kovalentných, elektrostatických a vodíkových väzieb. Kostné tkanivo sa delí na kortikálnu a anulárnu kosť, pričom anulárna kosť vykazuje plne prepojenú “hubovitú” pórovitú štruktúru s pórovitosťou až 95 % a veľkosťou pórov medzi 300 – 1600 μm. Kortikálna kosť má komplexnú vrstevnatú pórovitú štruktúru pozostávajúcu z: a) Haversových kanálikov v rozsahu 30 – 100 μm; b) Volkmannových kanálikov a osteocytových lakún v rozsahu 5 – 15 μm a c) malých cievnych kanálikov a kanálikov v rozsahu 1 – 5 μm. V tejto práci sa na získanie bioaktívnych sklenených skeletov s hierarchickou poréznou štruktúrou napodobňujúcou prirodzenú kosť použije kombinácia techník ako je tavenia skla, plameňová syntéza, sól-gél. V tejto práci sa použije kombinácia tavenia skla, syntézy plameňom, sól-gélu a techník 3D tlače (stereolitografia a digitálne spracovanie svetla) na získanie bioaktívnych sklenených (kremičitanových, borosilikátových a boritanových) skeletov s hierarchickou pórovitou štruktúrou napodobňujúcou kosť.

Supervisor: Dr. Z. Vargas, FunGlass, Slovakia

Co – supervisor: Dr. E. Vidomanová, FunGlass, Slovakia

Abstract: Nowadays there is a great demand to develop highly sophisticated biomaterials with multiple functionalities capable of providing possible smart solutions to a variety of problems related to human health. The main goal of this work is focused on finding suitable combinations of biopolymers, mesoporous silica composites and therapeutic ions to develop a set of different multifunctional hybrid structures.

Polysaccharides (chitosan, alginate, carrageenans), as the most abundant source of natural polymers in the environment, have a variety of promising biomedical applications due to their unique properties, including anti-inflammatory, antibacterial, antimicrobial, haemostatic, anticoagulant, antioxidant and antitumoral effect. Accordingly, they will play an important role in the formation of biocompatible and degradable biopolymer-based structures, which could significantly impact on the sustainability and scalability of this project, leading to their potential future exploitation.

Another key factor will be dictated by the developed mesoporous silica composites, where size, morphology and surface functionality will determine the final properties of the entire system.

Thus, these biopolymer-based composite mixtures containing therapeutic ions will be used to produce:

  • Bioactive coatings, for example on titanium substrates or zirconia implants. Their production will be performed by dip coating technique, where different parameters will be tested.
  • 3D hybrid scaffolds that allow addressing health problems associated with different tissues (bones, teeth, cartilage, skin). They will be produced by freeze-drying and 3D printing, therefore, the effect of the preparation method on the final physicochemical and biological properties will be studied.

Abstract: V súčasnej dobe je veľký dopyt po vývoji dômyselných biomateriálov s viacerými funkciami, ktoré by boli schopné poskytnúť riešenia rôznych problémov súvisiacich s ľudským zdravím. Hlavným cieľom tejto práce je nájsť vhodné kombinácie biopolymérov, mezoporéznych kremičitých kompozitov a terapeutických iónov pri vývoji rôznych multifunkčných hybridných štruktúr.

Polysacharidy (chitosan, alginát, karagénany), ako najväčší zdroj prírodných polymérov, majú široké možnosti v biomedicínskom využití. K ich jedinečným vlastnostiam patria protizápalové, antibakteriálne, antimikrobiálne, hemostatické, antikoagulačné, antioxidačné a protinádorové účinky. V súlade s tým budú hrať dôležitú úlohu pri vytváraní biokompatibilných a rozložiteľných štruktúr na báze biopolymérov, ktoré budú mať potenciál k ďalšiemu využitiu.

Ďalším kľúčovým faktorom bude vyvinúť mezoporézne kremičité kompozity, ktoré budú určovať svojou veľkosťou, morfológiou a funkčnosťou povrchu konečné vlastnosti celého systému.

Tieto kompozitné zmesi na báze biopolymérov obsahujúce terapeutické ióny sa následne použijú na výrobu:

  • Bioaktívnych povlakov, napríklad na titánových substrátoch alebo zirkónových implantátoch. Ich výroba bude prebiehať „dip coating“ technikou, pri ktorej budú testované rôzne parametre.
  • 3D hybridných lešení, ktoré umožňia riešiť zdravotné problémy spojené s rôznymi typmi tkanív (kosti, zuby, chrupavky, koža). Vyrábať sa budú lyofilizáciou a 3D tlačou, pričom bude skúmaný vplyv spôsobu ich prípravy na výsledné fyzikálno-chemické a biologické vlastnosti.

Supervisor: Dr. Z. Neščáková, FunGlass, Slovakia

Abstract: Bone substitute biomaterials promote osseous tissue regeneration, however, their application in sites complicated by microbial infections, is limited. To overcome these circumstances, bioactive glass have been shown to have efficient mechanisms of repairing the bone and at the same time inhibiting the growth of a wide range of bacterial strains. The bioactive glass antibacterial activity is effective against a wide selection of aerobic and anaerobic bacteria, either in planktonic or sessile forms. Furthermore, bioactive glass is able to reduce the growth of pathogens in the biofilm environment. However many challenges are still open. The dissertation thesis will be focus on an extensive study of the antibacterial properties of bioactive glass or their composites against several bacterial strains and against pathogenic fungi. Special attention will be paid to the ability of bioactive glass to influence the adhesion and subsequent form of the biofilm in mono- and multi-stem biofilms. The synergy of the antibacterial effect with commercially used antimicrobial substances will also be studied.

Abstrakt: Biomateriály používané pri hojení a transplantácií kostí, účinne podporujú regeneráciu kostného tkaniva, ich aplikácia v miestach komplikovaných mikrobiálnymi infekciami je však obmedzená. Ukázalo sa, že bioaktívne sklá majú účinné mechanizmy regenerácie kosti a zároveň inhibujú rast rôznych bakteriálnych kmeňov. Antibakteriálna aktivita bioaktívneho skla je účinná proti širokému spektru aeróbnych a anaeróbnych baktérií, či už v planktonickej alebo adherovanej forme. Okrem toho je biosklo schopné znížiť rast a prežívanie patogénov vo forme biofilmu. Dizertačná práca bude zameraná na rozsiahle štúdium antibakteriálnych vlastností bioaktívnych skiel alebo ich kompozitov, proti viacerým bakteriálnym kmeňom a proti patogénnym hubám. Osobitná pozornosť bude venovaná schopnostiam bioaktívnych skiel ovplyvňovať adhéziu a následnú formu biofilmu v mono a multi kmeňových biofilmoch. Študovať sa bude aj  synergia antibakteriálneho účinku s komerčne používanými antimikrobiálnymi látkami.