PhD. Study Program: Chemical Engineering and Technologies:

Inorganic Technology and Non-metallic Materials – general information

Graduates of PhD study program in the field 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 field 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 center 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 admission.funglass@tnuni.sk with chosen PhD. dissertation thesis topic (only 1) and you will get e-mail information about application process.
Application deadline: January 10^th, 2025

PhD admission interviews: January 27^th – January 31^st, 2025

Registration for study on site (in Trenčín, Slovakia): from September 2025

Dissertation topics 2025/2026:

1. Cold sintering of bioactive glasses / Studené spekanie bioaktívnych skiel

Supervisor: prof. D. Galusek, FunGlass, Slovakia

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

Abstract: Cold sintering is a method that 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 an approach resembles that of the geological formation of rocks and represents a substantial saving of energy in the production of ceramic materials, which, until now, is a highly energy-demanding process. However, as for now, except for one study reporting on cold sintering of soda-lime glass, there are no studies dealing with the application of this method to the densification of glass. This is of particular interest e.g. for bioactive glasses. These can be prepared using a variety of methods, from the conventional melt-quench technique to sol-gel processes.

Although viscous flow sintering is a well-established method for preparing ceramic scaffolds, glass crystallization may occur, which deteriorates the bioactive properties of the scaffold. Moreover, bioactive glasses are characterized by high solubility in aqueous media, which is beneficial for cold-sintering.

Cold sintering is thus a promising method to produce scaffolds made from bioactive glass powders without undesired crystallization. The project of the dissertation thesis is, therefore, aimed at the use of cold sintering in the production of bioglass scaffolds made of silicate and phosphosilicate bioactive glasses. The experimental work will consist of the following parts:

Identification of suitable solvents for cold sintering of bioactive glasses,
Optimization of the conditions (temperature, pressure, holding time) of cold sintering,
Characterization of sintered bodies, determination of chemical and structural changes of sintered glass,
Production of bioglass scaffolds and measuring their mechanical performance.
Preliminary evaluation of biological properties of cold-sintered bodies (bioactivity, biocompatibility).

Based on funding availability, short-term stays at partner institutions are anticipated.

Abstrakt: Spekanie za studena je metóda, ktorá sa od svojho objavu v roku 2016 použila na zhutňovanie takmer 100 rôznych polykryštalických materiálov. Ide o techniku spekania s veľmi nízkou energiou, pri ktorej sa keramický prášok zmieša s vhodnou kvapalinou (rozpúšťadlom) a potom sa zhutňuje pod intenzívnym axiálnym tlakom a pri teplotách zvyčajne nepresahujúcich 350 ºC. Takýto postup pripomína geologickú tvorbu hornín a predstavuje značnú úsporu energie pri výrobe keramických materiálov, ktorá je energeticky veľmi náročným procesom. Okrem jednej štúdie zaoberajúcej sa spekaním sodnovápenatého skla za studena, neexistujú žiadne štúdie zaoberajúce sa použitím tejto metódy na zhutňovanie skiel. Táto metóda by však mohla byť aplikovateľná, napr. pre bioaktívne sklá, ktoré sa pripravujú rôznymi metódami, od konvenčnej techniky ochladzovaním z taveniny až po prípravu metódou sól-gél.

Hoci je spekanie viskóznym tokom osvedčenou metódou prípravy pórovitých sklených štruktúr, môže pri ňom dôjsť ku kryštalizácii skla, čo znižuje bioaktivitu skeletu. Okrem toho sa bioaktívne sklá vyznačujú vysokou rozpustnosťou vo vodnom prostredí, čo je výhodné pre spekanie za studena.

Spekanie za studena je teda sľubnou metódou na výrobu skeletov z bioaktívnych sklenených práškov bez nežiaducej kryštalizácie. Projekt dizertačnej práce je preto zameraný na využitie spekania za studena pri výrobe pórovitých skeletov z kremičitanových a fosfosilikátových bioaktívnych skiel. Experimentálna práca bude pozostávať z nasledujúcich častí:

– Identifikácia vhodných rozpúšťadiel na spekanie bioaktívnych skiel za studena,

– optimalizácia podmienok (teplota, tlak, čas izotermickej výdrže) spekania za studena,

– charakterizácia spekaných telies, stanovenie chemických a štrukturálnych zmien spekaného skla,

– Výroba skeletov z bioskla a meranie ich mechanických vlastností.

– Predbežné hodnotenie biologických vlastností za studena spekaných telies (bioaktivita, biokompatibilita).

V závislosti od dostupnosti finančných prostriedkov sú možné krátkodobé pobyty na partnerských inštitúciách.

2. Oxynitride glass ceramics: crystallization kinetics, mechanical and optical properties / Oxynitridová sklokeramika: kinetika kryštalizácie, mechanické a optické vlastnosti

Supervisor: prof. D. Galusek, FunGlass, Slovakia

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

Abstract: Oxynitride silicate glasses are obtained by incorporating nitrogen atoms into the network of silicate glasses, which significantly affects their physical, chemical, mechanical, optical, and thermal properties. Oxynitride glasses are characterized by higher elastic modulus and micro-hardness than the parent silicate glass. The properties of oxynitride silicate glasses can be further improved by producing glass ceramics; this enables the obtaining of multi-component materials with lighter hierarchical structures that exhibit superior properties to their ceramic counterparts. However, very few studies have been conducted on oxynitride-based glass ceramics. Therefore, a comprehensive understanding of the correlation between crystallization behavior, microstructural features, and properties of oxynitride glass ceramics is lacking. Such a gap in knowledge has thus far prevented the development of novel oxynitride glass ceramics.

This dissertation project aims to reveal the correlations between chemical composition, processing, and properties of various oxynitride silicate glass ceramics. This knowledge will provide a science-based foundation to develop new glass ceramics with improved thermal, mechanical, and optical stimulation responses. To this end, our strategy relies on (i) the careful design and synthesis of oxynitride glasses with expected differences in crystallization behavior and measured properties, (ii) an extensive set of experimental characterizations to assess the mechanisms at play and corresponding parameters during crystallization, and (iii) investigating the effects of crystallization of glasses on their mechanical and optical properties. In doing so, the experimental work will consist of the following parts:

Synthesis of R-(Al)-Si-O-N (R=Mg, Ca, Sr, Ba) glasses and introducing alkali elements and nucleating agents.
Investigating the glass structure and thermal properties 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 testing.
Studying the crystallization effect on the transparency and optical properties of samples.

Based on funding availability, short-term stays at partner institutions are anticipated.

Keywords: Oxynitride glasses; Glass-ceramics; Crystallization kinetics; Mechanical properties

Abstrakt: Oxynitridové kremičitanové sklá sa získavajú začlenením atómov dusíka do štruktúry kremičitanových skiel, čo výrazne ovplyvňuje ich fyzikálne, chemické, mechanické, optické a tepelné vlastnosti. Oxynitridové sklá sa vyznačujú vyšším modulom pružnosti a mikrotvrdosťou ako východiskové kremičitanové sklo. Vlastnosti oxynitridových kremičitanových skiel možno ďalej zlepšiť prípravou sklokeramiky, čo umožňuje získať viaczložkové materiály s hierarchickou štruktúrou, ktoré vykazujú lepšie vlastnosti ako ich keramické náprotivky. Sklokeramike na báze oxynitridov sa však doteraz venovalo len veľmi málo štúdií. Preto chýba komplexné pochopenie korelácie medzi kryštalizačným správaním, parametrami mikroštruktúry a vlastnosťami oxynitridovej sklokeramiky. Takáto medzera v poznaní doteraz bránila vývoju nových oxynitridových sklokeramík.

Cieľom tohto projektu dizertačnej práce je pochopiť súvislosti medzi chemickým zložením, spracovaním a vlastnosťami rôznych oxynitridových kremičitanových sklokeramík. Tieto poznatky poskytnú vedecky podložený základ pre vývoj novej sklokeramiky s lepšími tepelnými a mechanickými vlastnosťami a odozvou na optickú stimuláciu. Za týmto účelom sa naša stratégia opiera o (i) starostlivý návrh a syntézu oxynitridových skiel s očakávanými rozdielmi v kryštalizačnom správaní a meraných vlastnostiach, (ii) rozsiahly súbor experimentálnych charakterizácií na posúdenie pôsobiacich mechanizmov a zodpovedajúcich parametrov počas kryštalizácie a (iii) skúmanie vplyvu kryštalizácie skiel na ich mechanické a optické vlastnosti. Experimentálna práca bude pozostávať z nasledujúcich častí:

Syntéza skiel R-(Al)-Si-O-N (R=Mg, Ca, Sr, Ba) a prídavok alkalických prvkov a nukleačných činidiel.
Skúmanie štruktúry a tepelných vlastností skla pri laboratórnej teplote v oblasti teplotného intervalu kryštalizácie.
Vyhodnotenie mechanických vlastností vyrobených vzoriek z hľadiska pružnosti, odolnosti voči šíreniu trhlín a lomovej húževnatosti.
Meranie správania sa pri poškriabaní a správanie sa povrchu pripravených vzoriek na laterálne napätia počas testov poškriabania.
Štúdium vplyvu kryštalizácie na priehľadnosť a optické vlastnosti vzoriek.

V závislosti od dostupnosti finančných prostriedkov sú možné krátkodobé pobyty na partnerských inštitúciách.

Kľúčové slová: Oxynitridové sklá; sklokeramika; kinetika kryštalizácie; mechanické vlastnosti

3. Preparation and characterization of luminescent glass-ceramic materials prepared by sintering in a viscous flow / Príprava a charakterizácia luminiscenčných sklo-keramických materiálov pripravených spekaním vo viskóznom toku

Supervisor: Dr. Monika Michálková, FunGlass, Slovakia

Co – supervisor: Dr. Marzieh Ghadamyari, 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⁺.

Light extraction efficiency in LED packaging can be improved by matching the phosphor (glass microsphere) refractive index with the encapsulant glass to minimize scattering. Therefore, the study will focus on analyzing various glass matrices, such as waste glass or in-house melted glass, and their impact on the optical properties of the PiG composite. The densification process will involve viscous flow at temperatures of up to 1000°C, which helps in reducing 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 Eu³⁺, Eu²⁺, Dy³⁺, Tb³⁺, Ce³alebo prechodnými kovmi, napríklad Mn⁴⁺/Cr³⁺.

Účinnosť LED možno zlepšiť prispôsobením indexu lomu luminoforu sklenenej matrici, aby sa minimalizoval rozptyl svetla. Štúdia sa preto zameria na analýzu rôznych sklenených matríc, ako je odpadové sklo alebo sklo utavené v našich laboratóriách, a ich vplyv na optické vlastnosti kompozitu PiG. Proces zhutňovania bude zahŕňať viskózny tok pri teplotách do 1000 °C, čo pomáha znižovať náklady na prípravu.

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

4. Additive manufacturing of phosphor-in glass structures for enhanced light-emitting applications / Aditívna výroba 3D sklenených štruktúr obsahujúcich luminofor pre aplikácie s vylepšenou emisiou svetla

Supervisor: Dr. M. Michálková, FunGlass, Slovakia

Co – supervisor: Dr. Mahmoud Mokhtar, FunGlass, Slovakia

Abstract: The primary objective of this project is to develop a new generation of phosphor-in-glass (PiG) optoelectronic materials. These materials are specifically engineered to be cost-effective and highly efficient, with customizable luminescence properties. The composition of the material comprises a glass matrix and luminescent particles, incorporating YAG-based phosphors doped with rare earth elements such as Eu³⁺, Eu²⁺, Dy³⁺, Tb³⁺, Ce³⁺, or transition metals such as Mn^4+/Cr³⁺.

Through additive manufacturing, it is feasible to integrate multiple layers of various phosphors within a single glass matrix, potentially enhancing the optical properties of the end product. The research will explore the influence of employing different additive manufacturing techniques, such as stereolithography (SLA), direct ink writing (DIW), fused deposition modelling (FDM), and binder jet fabrication process on the quality of the fabricated PiG materials and their optical properties. As a glass matrix various waste glasses and in-house melted glasses will be used. Additionally, it aims to comprehend how distinct interlayer arrangements and diverse geometric shapes of 3D PiG structures impact the photoluminescence and optical properties of the resultant materials.

Keywords: PiG, glass, ceramic, 3D printing, 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 Eu³⁺, Eu²⁺, Dy³⁺, Tb³⁺, Ce³alebo prechodnými kovmi, napríklad Mn⁴⁺/Cr³⁺.

Prostredníctvom aditívnej výroby je možné integrovať viacero vrstiev rôznych luminoforov do jednej sklenenej matrice, čo môže zlepšiť optické vlastnosti konečného výrobku. V rámci PhD témy sa bude skúmať vplyv použitia rôznych aditívnych výrobných techník, ako sú stereolitografia (SLA), priame písanie atramentom (DIW), tavné depozičné modelovanie (FDM) a 3D tlač binder jet, na kvalitu vyrobených PiG materiálov a ich optické vlastnosti. Ako sklenená matrica sa použijú rôzne odpadové sklá ako aj sklá utavené v našich laboratóriách. Okrem toho je cieľom pochopiť, ako odlišné usporiadanie vrstiev a rôzne geometrické tvary 3D PiG štruktúr ovplyvňujú fotoluminiscenciu a optické vlastnosti výsledných materiálov.

Kľúčové slová: PiG, sklo, keramika, 3D tlač, luminiscencia

5. Grain growth in multi-material ceramics: effects on mechanical and optical properties / Rast zŕn vo viaczložkovej keramike: vplyv na mechanické a optické vlastnosti

Supervisor: Dr. A. Talimian, FunGlass, Slovakia

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

Abstract: Despite the developments in the fabrication of transparent polycrystalline ceramics for various applications, from high-temperature windows to display covers of personal electronics, their catastrophic failure due to their brittle nature has limited their use. Among the different methods of improving the strength of ceramic materials, e.g., fine-grained microstructures or transformation toughening, the production of a surface compressive layer by fabricating laminar multi-material ceramics is the most effective method of improving the strength and reliability of ceramics. However, multimaterial laminar ceramics are characterized by poor optical transparency. Not only does the sudden change in material properties at the boundary of layers result in opacity due to light scattering, but it might also deteriorate the mechanical performance due to delamination and poor bonding of layers.

The columnar growth of grains, in a similar process to DIGM (diffusion induced grain migration), at the interlayer boundaries enables tailoring the characteristics of an intermediate zone between different layers, thereby overcoming the issues related to the mismatch in the optical and mechanical properties. Despite the expected benefits of columnar grain growth for laminar ceramics, its impact on the optical and mechanical performance of multimaterial laminar ceramics, and their optical and mechanical performance in particular, has remained almost unknown. This dissertation project aims to investigate (i) the role of parameters, such as chemical composition gradient or processing parameters, on the columnar growth of grain at the interlayer boundaries, and (ii) the effects of columnar grains on the optical and mechanical performance of laminar ceramics. To this end, the strategy relies on (i) a careful design and synthesis of laminar structures with expected differences in chemical composition and optical and mechanical properties, (ii) an extensive set of experimental characterizations to assess the mechanisms at play and corresponding parameters during the fabrication of laminar ceramics, e.g. sintering, and (iii) investigating the effects of columnar and faceted grains on the mechanical and optical properties of laminar ceramics. In doing so, the experimental work will consist of the following parts:

Fabrication of laminar ceramics using tape-casting, thermo-compressing, and sintering.
Investigating the grain growth and the impact of various parameters, e.g., chemical concentration gradient or sintering parameters.
Evaluation of the optical and mechanical performance of produced samples.
Measuring the impact of mechanical characteristics of the columnar grains on the final mechanical performance of samples.
Comprehensive analysis of the bonding of layers using simulation methods.

Based on funding availability, short-term stays at partner institutions are anticipated.

Keywords: Laminar ceramics, fracture toughness, grain growth, processing

Abstrakt: Napriek pokroku v oblasti prípravy priehľadnej polykryštalickej keramiky pre rôzne aplikácie, od vysokoteplotných okien až po kryty displejov spotrebnej elektroniky, ich katastrofické zlyhanie v dôsledku ich krehkosti obmedzuje ich použitie. Spomedzi rôznych metód zlepšovania pevnosti keramických materiálov, napr. prípravy materiálov s jemnozrnnou mikroštruktúrou alebo transformačného zhúževnatenia, je príprava laminovanej viaczložkovej keramiky s povrchovou kompresívnou vrstvou najúčinnejšou metódou na zvýšenie pevnosti a spoľahlivosti keramiky. Viaczložková laminovaná keramika sa však vyznačuje nízkou optickou priehľadnosťou. Skoková zmena materiálových vlastností na hranici vrstiev znižuje priehľadnosť v dôsledku rozptylu svetla, ale môže tiež zhoršiť mechanické vlastnosti v dôsledku delaminácie a nízkej adhézie vrstiev.

Stĺpcový rast zŕn v procese podobnom DIGM (difúziou indukovaná migrácia zŕn) na hranici vrstiev umožňuje modifikovať vlastnosti rozhrania medzi rôznymi vrstvami, čím sa prekonajú problémy spôsobené nesúladom optických a mechanických vlastností jednotlivých vrstiev. Napriek očakávaným výhodám stĺpcového rastu zŕn pre laminárnu keramiku, jej vplyv na optické a mechanické vlastnosti viaczložkovej laminárnej keramiky, najmä jej optické a mechanické vlastnosti, zostáva do veľkej miery neznámy. Cieľom tohto projektu dizertačnej práce je preskúmať (i) úlohu parametrov, ako je gradient chemického zloženia alebo parametre spracovania, na stĺpcový rast zŕn na hraniciach vrstiev a (ii) vplyv stĺpcových zŕn na optické a mechanické vlastnosti laminárnej keramiky. Stratégia na dosiahnutia týchto cieľov sa opiera o i) starostlivý návrh zloženia a syntézu laminovaných štruktúr s očakávanými rozdielmi v chemickom zložení a optických a mechanických vlastnostiach; ii) rozsiahly súbor experimentálnych charakterizácií na posúdenie pôsobiacich mechanizmov, ako aj zodpovedajúcich parametrov počas prípravy laminárnej keramiky, napr. spekania; a iii) skúmanie vplyvu stĺpcovitých a fazetovaných zŕn na mechanické a optické vlastnosti laminovanej keramiky. Experimentálna práca bude pritom pozostávať z nasledujúcich častí:

– Výroba laminovanej keramiky pomocou odlievania pások, tepelného lisovania a spekania.

– Skúmanie rastu zŕn a vplyvu rôznych parametrov, napr. gradientu chemickej koncentrácie alebo parametrov spekania.

– Hodnotenie optických a mechanických vlastností pripravených vzoriek.

– Meranie vplyvu mechanických vlastností stĺpcovitých zŕn na konečné mechanické vlastnosti vzoriek.

– Použitie simulačných metód pre komplexnú analýza spájania vrstiev.

V závislosti od dostupnosti finančných prostriedkov sú možné krátkodobé pobyty na partnerských inštitúciách.

Kľúčové slová:

Laminárna keramika, lomová húževnatosť, rast zŕn, spracovanie

6. Method development for evaluation of bio-activity of materials with laser ablation ICP-MS / Vývoj metódy hodnotenia bio-aktivity materiálov s využitím laserovej ablácie ICP-MS

Supervisor: Dr. H. Kaňková, FunGlass, Slovakia

Co – supervisors: Dr. D. Galusková, FunGlass, Slovakia

Abstract: The thesis project will focus on method/protocol development for the characterization and elemental mapping of corrosion products formed during leaching tests on materials for bio-applications (BG) including elemental imaging by laser ablation ICP-MS of single cells after BG testing. Applicability of proposed method/protocol will be verified by determining the distribution of dopants in the prepared 3D scaffolds before and after testing, mapping the composition of the hydroxyapatite (HAP) phase and the HAP-BG interface and scaffolds after tests the novelty of the PhD projects will be in linking the evaluation methods using data from the biological and chemical testing of materials at in vitro conditions.

Activities: – Preparation of materials for 3D printing.

– Preparation of 3D scaffolds.

– Characterization of 3D scaffolds using laser ablation ICP-MS.

– Leaching tests in different media.

– Mapping corrosion products using laser ablation.

– Mapping the distribution of elements in cells after scaffold testing

Keywords: laser ablation, scaffolds, 3D printing, HAP analysis, cell analysis

Abstrakt: Dizertačný projekt bude zameraný na vývoj metódy pre charakterizáciu a prvkové mapovanie produktov korózie vzniknutých v priebehu lúžiacich testov bio-aktívnych materiálov (BG), vrátane zobrazovania prvkov pomocou laserovej ablácie ICP-MS v bunkách po testovaní BG. Aplikovateľnosť navrhnutej metódy sa využije a overí na určenie distribúcie dopantov v pripravených 3D skafoldoch pred a po testovaní, mapovanie zloženia hydroxyapatitovej (HAP) fázy a rozhrania HAP – BG a pôvodného skafoldu. Prínos spočíva v prepojení a zjednotení vyhodnocovacej metódy využívajucej údaje z biologického a chemického testovania materiálov za in vitro podmienok.

Aktivity:

Príprava materiálov pre 3D tlač.
Príprava 3D skafoldov.
Charakterizácia 3D skafoldov pomocou laserovej ablácie ICP-MS.
Lúžiacie testy v rôznych médiách.
Mapovanie koróznych produktov pomocou laserovej ablácie.
Mapovanie distribúcie prvkov v bunkách po testovaní skafoldov

Zručnosti, požiadavky: laboratórna zručnosť, prvková analýza (ICP), 3D tlač

Kľúčové slová: laserová ablácia, skafoldy, 3D tlač, HAP charakterizácie, analýza buniek

7. Transparent ceramics with multi-wavelength excitation and emission properties / Transparentné keramické materiály so širokospektrálnymi absorpčnými a emisnými vlastnosťami

Supervisor: Doc. Ing. Robert Klement, PhD.

Co – supervisor:

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) doped by rare-earth (RE) and transition metal (TM) ions with multi-wavelength excitation and emission properties for the photonics applications. In order to increase the luminescence efficiency of prepared transparent ceramics materials, a new approach will be used to define the composition of host matrix. 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) dopovaných iónmi vzácnych zemín (RE) a prechodných prvkov (TM) so širokospektrálnymi absorpčnými a emisnými vlastnosťami. Aplikovaný bude nový prístup k definovaniu zloženia základnej matrice s cieľom zvýšiť luminiscenciu pripravených transparentných keramických materiálov. 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

8. Near-zero and negative thermal-quenching phosphors for NUV converted w-LEDs / Luminofory s nízkym a negatívnym teplotným zhášaním luminiscencie pre aplikácie v w-LED s NUV excitáciou

Supervisor: Doc. Ing. Robert Klement, PhD.

Co – supervisors: Dr. Anna Prnová

Abstract: Phosphor-converted WLED (pc-WLEDs = phosphor converted white LEDs) have been considered as a new generation of light sources 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 (negative 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 nearly zero-thermal and negative-thermal quenching behaviour, and their detail structural and luminescence properties study, with special attention on mechanism of zero-/negative-thermal-quenching process.

Keywords: phosphors, luminescence, zero- and negative thermal quenching

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 svetelných zariadení. Z tohoto dôvodu záujem o luminofory s nízkym a negatívnym teplotným zhášaním PL významne rastie najmä pre aplikácie v pc-WLED s vysokou svietivosťou.

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

Kľúčové slová: luminofory, luminiscencia, nulové a negatívne teplotné zhášanie luminiscencie

9. Luminescent guest materials in Metal-organic Frameworks for optical applications / Luminiscenčné hosťovské materiály v MOF štruktúrach pre optickú aplikáciu

Supervisor: Assoc. Prof. Jose J. Velazquez, PhD, FunGlass, Slovakia

Co – supervisors: Dr. Orhan Sisman, FunGlass, Slovakia

Abstract: Accelerating progress in the field of metal-organic frameworks (MOFs) is transforming them into a central subject of interdisciplinary research. MOFs are nanoporous hybrid materials composed of self-assembling organic-inorganic building blocks. Based on MOF crystalline systems, their parent MOF hybrid glasses also show interesting applications due to their increased porosity, which allows them to act as hosts for active dopants. For example, luminescent dopants or luminescence-based NPs that allow the construction of nanocomposites that can be used as more efficient up-converting (UC) or NIR systems for optical applications. Here we will explore the development of such materials for optical applications. To this purpose, the proposed topic will focus on the preparation and characterization of RE³⁺ based NPs (NaGdF₄, KLaF₄, etc…) that can be integrated with MOFs glasses (ZIF62, ZIF4). A comprehensible experimental approach will be used to develop these composites with optimised composition by combining them with specific thermally quenched luminescent centres as dopants (RE³⁺/TM). Finally, the resulting system will be characterized in terms of UC luminescence efficiency, or fluorescence intensity ratio (FIR) technique from the intensity of thermally and non-thermally coupled levels of these luminescent centres.

Keywords: MOFs Glasses, Photoluminescence, luminescent centers, Fluorescence Intensity ratio

Abstrakt: Zrýchľujúci sa pokrok v oblasti MOF (Metal Organic Framework) ich mení na ústredný predmet interdisciplinárneho výskumu. MOF sú nanopórovité hybridné materiály zložené zo samousporiadajúcich sa organicko-anorganických stavebných blokov. Materské MOF hybridné sklá založené na kryštalických systémoch MOF vykazujú zaujímavé aplikácie aj vďaka svojej zvýšenej pórovitosti, ktorá im umožňuje pôsobiť ako hostitelia aktívnych dopantov. Napríklad luminiscenčné dopanty alebo luminiscenčné nanočastice umožňujú konštrukciu nanokompozitov, ktoré možno použiť ako účinné up-konverzné (UC) alebo blízke infračervené systémy pre optické aplikácie. Projekt dizertačnej práce sa bude zaoberať vývojom takýchto materiálov pre optické aplikácie. Za týmto účelom sa navrhovaná téma zameria na prípravu a charakterizáciu nanočastíc na báze RE³⁺ (NaGdF₄, KLaF₄, atď…), ktoré možno integrovať so sklami MOF (ZIF62, ZIF4). Na vývoj kompozitov s optimalizovaným zložením sa použije komplexný experimentálny prístup v kombinácii so špecifickými termálne zhášanými luminiscenčnými centrami ako dopantmi (RE³⁺/TM). Nakoniec sa výsledný systém charakterizuje z hľadiska účinnosti luminiscencie UC alebo techniky pomeru intenzity fluorescencie (FIR) na základe intenzity tepelne a netepelne viazaných hladín týchto luminiscenčných centier.

Kľúčové slová: MOFs sklá, fotoluminiscencia, luminiscenčné centrá, pomer intenzity fluorescencie

10. Photocatalytic water splitting using photocatalysts prepared by 3D printing / Fotokatalytický rozklad vody pomocou fotokatalyzátorov pripravených 3D tlačou

Supervisor: Dr. M. Žitňan, FunGlass, Slovakia

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

Abstract: Clean energy production in a sustainable way is one of the most active research areas in response to global energy and environmental challenges. A promising method for converting solar energy into fuel is the solar splitting of water into hydrogen and oxygen using semiconductor photocatalysts. Photocatalytic water splitting using semiconductor powders is a proven method for small-scale production of renewable hydrogen. However, from an industrial point of view, existing photocatalytic water splitting technology is still not suitable for real applications due to its low Solar to Hydrogen (STH) efficiency. For instance, recycling the powder is expensive and challenging in terms of industrial scale. In addition, due to light scattering, in a photocatalytic reactor the entire powder dispersion is not equally exposed to the incident sunlight. Additively manufactured catalysts, such as 3D printed materials, in which the active material is immobilized in the 3D printed resolved structures, may be a suitable approach to the design of high-performance free-standing catalytic materials. For the required resolution in the tens of microns, it is convenient to use stereolithography technique, which is an additive manufacturing process in which an object is formed by selectively curing a mixture of a photosensitive polymer resin and a photocatalyst layer by layer using ultraviolet light. The proposed active materials are two-dimensional (2D) graphene-based composite materials with large surface area. The main objective of the project is to increase the efficiency of photocatalytic water conversion by modifying the optical and electrical properties of the composite material and its stability for visible light-driven photocatalysis. In this respect, 2D composites will firstly be prepared using scalable synthesis methods. In a second step, the suspension of the composite materials will be characterised and optimised to obtain 3D objects with spatial resolution in order of tens of microns. Finally, the effect of different architectures on photocatalytic water splitting will be investigated, focusing on efficient STH conversion. Increasing efficiency and benefits of a free-standing photocatalyst bring photocatalytic water splitting research closer to commercial hydrogen production.

Keywords: photocatalytic water splitting, hydrogen, 3D printing, stereolithography

Abstrakt: Výroba čistej energie udržateľným spôsobom je jednou z najaktívnejších oblastí výskumu v nadväznosti na globálne energetické a environmentálne výzvy. Sľubnou metódou premeny slnečnej energie na palivo je slnečné štiepenie vody na vodík a kyslík pomocou polovodičových fotokatalyzátorov. Fotokatalytické štiepenie vody s využitím polovodičov vo forme prášku je overenou metódou výroby obnoviteľného vodíka v malom rozsahu. Z priemyselného hľadiska však existujúca technológia fotokatalytického štiepenia vody kvôli nízkej účinnosti stále nie je vhodná na reálne aplikácie. Recyklácia prášku je nákladná a z hľadiska priemyselného rozsahu náročná. Okrem toho v dôsledku rozptylu svetla nie je vo fotokatalytickom reaktore celá prášková disperzia rovnako vystavená dopadajúcemu slnečnému svetlu. Aditívne vyrábané katalyzátory, v ktorých je aktívny materiál imobilizovaný v 3D tlačených štruktúrach, môžu byť vhodným prístupom ku konštrukcii voľne stojacich katalytických materiálov s vysokým výkonom. Pre potrebné rozlíšenie v desiatkach mikrometrov je vhodné použiť stereolitografiu, čo je aditívny výrobný proces, pri ktorom sa objekt vytvára selektívnym vytvrdzovaním zmesi fotocitlivej polymérnej živice a fotokatalyzátora vrstvu po vrstve pomocou ultrafialového svetla. Navrhnuté materiály sú dvojrozmerné (2D) kompozitné materiály s veľkým povrchom na báze grafénu. Hlavným cieľom projektu je zvýšiť efektívnosť fotokatalytickej premeny vody úpravami optických a elektrických vlastností kompozitného materiálu a jeho stabilitu pre fotokatalýzu riadenú viditeľným svetlom. V tejto súvislosti sa 2D kompozity najprv pripravia pomocou škálovateľných metód syntézy. V druhom kroku sa bude charakterizovať a optimalizovať suspenzia kompozitných materiálov s cieľom získať 3D objekty s priestorovým rozlíšením rádovo v desiatkach mikrometrov. Nakoniec sa bude skúmať vplyv rôznych architektúr na fotokatalytické štiepenie vody so zameraním na účinnú konverziu. Zvyšovanie účinnosti a výhody voľne stojaceho fotokatalyzátora približujú výskum fotokatalytického rozkladu vody ku komerčnej výrobe vodíka.

Kľúčové slová: fotokatalytický rozklad vody, vodík, 3D tlač, stereolitografia

11. Functionalized melt-quenched metal-organic framework (MOF) glasses for opto-electroactive membrane applications / Funkcionalizované sklá s kovovo-organickou štruktúrou (MOF) pripravené ochladzovaním z taveniny pre aplikácie s opto-elektroaktívnou membránou

Supervisor: Dr. Orhan Sisman, FunGlass, Slovakia

Prof. Dr. Lothar Wondraczek, Otto Schott Institute of Materials in Friedrich Schiller University Jena, Germany

Co – supervisor: Assoc. Prof. Jose J. Velazquez, PhD, FunGlass, Slovakia

Abstract: Melt-quenched metal-organic framework (MOF) microporous glasses are attractive systems for membrane applications. The absence of grain boundaries in MOF glasses facilitates the gas permeation through the membranes as compared to their crystalline counterparts. Their dielectric nature prevents the electrochemical interactions with gas molecules during permeation. On the other hand, some metal complexes, such as small 2D metal-organic units, exhibit functional optical and electrical features which can be utilized for electrochemical interactions by embedding functional high-temperature resistant metal complexes into an amorphous MOF glass matrix. Individual and collective thermal properties of 2D metal complexes and 3D MOFs crystals will be investigated to design these hybrid MOF glass systems. The hybrid interface, mechanical properties, optical and electrical properties of M-complex embedded MOF glasses will be explored for the potential applications of electroactive MOF glass membranes in photocatalytic water splitting and electrochemical gas sensing.

Abstrakt: Mikroporézne sklá z kovovo-organických štruktúr (MOF) sú atraktívne systémy pre membránové aplikácie. Neprítomnosť hraníc zŕn v sklách MOF uľahčuje prenikanie plynu cez membrány v porovnaní s ich kryštalickými náprotivkami. Ich dielektrický charakter zabraňuje elektrochemickým interakciám s molekulami plynu počas permeácie. Na druhej strane niektoré kovové komplexy, ako malé 2D MOF jednotky, vykazujú funkčné optické a elektrické vlastnosti, ktoré možno využiť na elektrochemické interakcie zabudovaním funkčných komplexov kovov odolných voči vysokej teplote do amorfnej sklenenej matrice MOF. Individuálne a kombinované tepelné vlastnosti 2D kovových komplexov a 3D kryštálov MOFs sa budú skúmať s cieľom navrhnúť tieto hybridné systémy MOF skla. Hybridné rozhrania, mechanické vlastnosti, optické a elektrické vlastnosti MOF skiel zabudovaných do M-komplexu sa budú skúmať pre potenciálne aplikácie elektroaktívnych MOF sklenených membrán pri fotokatalytickom štiepení vody a elektrochemickej detekcii plynov.

12. Development of a visible light responsive photocatalysts for green hydrogen production / Vývoj fotokatalyzátorov citlivých na viditeľné svetlo pre ekologickú výrobu vodíka

Supervisor: Dr. Surjyakanta Rana, FunGlass, Slovakia

Co – supervisor: Assoc. Prof. Jose J. Velazquez, PhD, FunGlass, Slovakia

Abstract: We are looking for a dedicated PhD student to work in the field of solar water splitting for the production of renewable hydrogen. The generation of clean, energetically compressed, and storable hydrogen gas from water molecules via renewable solar energy is expected to play an outstanding role in future green energy systems. Photocatalytic water splitting using particulate semiconductors offers great potential to produce renewable hydrogen on a large scale. However, current photocatalytic water-splitting technology still falls short of what is required for practical applications in terms of solar-to-hydrogen (STH) energy conversion efficiency. Therefore, the improvement of highly efficient photocatalytic materials is necessary to achieve affordable hydrogen production via photocatalytic water splitting. The main goal of the project is to improve the performance and stability of sulfide, oxysulfide, or oxide, oxynitride particles for visible light-driven photocatalysis. In this scenario, as primary step sulfide, oxysulfide, or oxide, oxynitride materials will be fabricated using scalable synthesis methods. In the secondary step, the morphological properties will be studied, in addition to the structural and compositional elements. Finally, improvements in photocatalytic performance and/or lifetime extension of the photocatalysts will be achieved through diverse modifications, such as cocatalyst deposition, particle morphological design, and defect engineering. This PhD dissertation will relate both the structural and compositional properties of the photocatalysts to the productivity and stability of the solar photocatalytic water splitting process.

Keywords: Heterogeneous photocatalysts, Visible-light active catalysts, Solar water-splitting, Hydrogen production

Abstrakt: Hľadáme zanieteného doktoranda na prácu v oblasti solárneho štiepenia vody na výrobu obnoviteľného vodíka. Výroba čistého, energeticky stlačeného a skladovateľného plynného vodíka z molekúl vody prostredníctvom obnoviteľnej slnečnej energie bude podľa očakávaní zohrávať významnú úlohu v budúcich ekologických energetických systémoch. Fotokatalytické štiepenie vody s využitím polovodičov ponúka veľký potenciál na výrobu obnoviteľného vodíka vo veľkom meradle. Súčasná technológia fotokatalytického štiepenia vody však stále nedosahuje úroveň, ktorá sa vyžaduje pre praktické aplikácie, pokiaľ ide o účinnosť premeny slnečnej energie na vodík. Preto je na dosiahnutie cenovo dostupnej výroby vodíka prostredníctvom fotokatalytického štiepenia vody potrebné zdokonaliť vysoko účinné fotokatalytické materiály. Hlavným cieľom projektu je zlepšiť výkonnosť a stabilitu sulfidových, oxysulfidových alebo oxidových, oxynitridových častíc pre fotokatalýzu viditeľným svetlom. V tomto pláne sa ako primárny krok vyrobia pomocou škálovateľných metód syntézy sulfidy, oxysulfidy alebo oxidy a oxynitridové materiály. V druhom kroku sa okrem štruktúrnych a kompozičných vlastností budú skúmať aj morfologické vlastnosti. Nakoniec sa dosiahne zlepšenie fotokatalytického výkonu a/alebo predĺženie životnosti fotokatalyzátorov prostredníctvom rôznych modifikácií, ako je depozícia ko-katalyzátorov, dizajn morfológie častíc a riadenie prítomnosti defektov. Doktorandská dizertačná práca bude prepájať štrukturálne aj kompozičné vlastnosti fotokatalyzátorov s produktivitou a stabilitou solárneho fotokatalytického procesu štiepenia vody.

Kľúčové slová: heterogénne fotokatalyzátory, katalyzátory aktívne vo viditeľnom svetle, solárne štiepenie vody, výroba vodíka

13. 3D printing of inorganic-biopolymer composites for bone regeneration / 3D tlač anorganických biopolymérnych kompozitov pre regeneráciu kostí

Supervisors: Dr. M. Michálek, FunGlass, Slovakia

Prof. A. R. Boccaccini, FAU Erlangen, Germany; Dr. G. Clavijo, FunGlass, Slovakia

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

Abstract: This PhD project aims to optimize the 3D printing process for inorganic-biopolymer composites intended for bone regeneration. The focus is on developing novel materials by combining bioactive glass nanoparticles bioactive glasses doped with biologically active ions with biopolymers such as hyaluronan or gelatine. The candidate will concentrate on extrusion-based 3D printing techniques to create scaffolds with controlled porosity and mechanical properties while exploring the rheological behaviour of composite inks and optimizing printing parameters. The PhD candidate will gain expertise in material synthesis and characterization (XRD, FTIR, SEM), rheological analysis, mechanical testing of printed scaffolds (compression, tensile), in vitro biological characterization (cell culture, proliferation, and differentiation assays), advanced imaging techniques (scanning electron and fluorescence microscopy), and degradation/swelling studies with ion release profiling. This interdisciplinary project will provide a comprehensive understanding of the relationship between material composition, printing parameters, and biological performance, contributing to advancing next-generation scaffolds for bone regeneration.

Keywords: 3D printing, biopolymers, bioactive glass nanoparticles, therapeutic ions, rheology

Abstrakt: Cieľom doktorandskej práce je optimalizovať proces 3D tlače kompozitov na báze anorganických biopolymérov určených na regeneráciu kostí. Zameriava sa na vývoj nových materiálov kombináciou nanočastíc bioaktívneho skla obohateného o terapeutické ióny s biopolymérmi, ako je hyaluronan či želatína. Doktorand sa zameria na techniky 3D tlače s cieľom vytvoriť skelety s kontrolovanou pórovitosťou a mechanickými vlastnosťami, pričom bude skúmať reologické správanie kompozitných bioatramentov a optimalizovať parametre tlače. Doktorand získa odborné znalosti v oblasti syntézy a charakterizácie materiálov (XRD, FTIR, SEM), reologickej analýzy, mechanického testovania vytlačených skeletov (kompresia, ťah), biologickej charakterizácie in vitro (bunkové kultúry, testy proliferácie a diferenciácie), pokročilých zobrazovacích techník (skenovacia elektrónová a fluorescenčná mikroskopia) a štúdií degradácie/napúčania s analyzovaním uvoľňovania iónov. Tento interdisciplinárny projekt poskytne komplexné pochopenie vzťahu medzi zložením materiálu, parametrami tlače a biologickou odozvou, čím prispeje k pokroku v oblasti novej generácie skeletov pre regeneráciu kostí.

Kľúčové slová: 3D tlač, biopolyméry, bioaktívne sklenené nanočastice, terapeutické ióny, reológia

14. Metal-organic frameworks (MOFs) as carriers of drugs and other active agents for biomedical applications / Využitie kovovo-organických štruktúr (MOFs) ako nosičov liečiv a iných aktívnych látok pre biomedicínske aplikácie

Supervisor: Dr. Zuzana Nečšáková, FunGlass, Slovakia

Co – supervisor: Dr. Orhan Sisman, FunGlass, Slovakia

Abstract: Metallic-organic frameworks (MOFs) have emerged as promising materials for biomedical applications owing to their superior chemical versatility and unique textural properties. Particularly in biomaterials, they are promising candidates for fabricating hard tissue (bone, teeth) scaffolds and wound dressing materials. They show remarkable properties such as adjustable porosity, biocompatibility and biodegradability, making them versatile candidates for biomedical applications. In particular, MOFs can serve as carriers for delivering growth factors, drugs, antibiotics and other active molecules. The dissertation thesis will be focused on the studies in which MOFs will be used to enhance the regenerative potential of bioactive glass-based biomaterials. Zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs) based on Zn will be synthesised without using harmful and toxic solvents. Subsequently, ZIFs will be used as a carrier for cetylpyridinium chloride (CPC), an antimicrobial antiseptic compound. The goal will be to prepare the ZIFs-CPC hybrid system and determine a concentration that will be non-toxic to mammalian cells while effectively eliminating oral pathogens (in both aerobic and anaerobic cultures). The effect on monoculture and poly-microbial biofilms (oral plaque) will be monitored. Subsequently, the hybrid system will be incorporated into bioactive glass-based dental regenerative and therapeutic materials. Such a biomaterial represents a multifunctional system that can be used in root canal treatment (rinse solution, injectable gel, etc.) and which, in addition to disinfection, will also provide easier remineralisation of the treated site.

Keywords: metal-organic frameworks, biocompatibility, antibacterial activity, biomedical aplications

Abstrakt: Kovovo-organické štruktúry (MOF) predstavujú vďaka ich chemickej univerzálnosti a jedinečným textúrnym vlastnostiam nové perspektívne materiály pre biomedicínske aplikácie. Najmä v oblasti biomateriálov sú sľubnými kandidátmi pri výrobe náhrad tvrdých tkanív (kosti, zuby) a materiálov určených na menežment rán. Vykazujú pozoruhodné vlastnosti, ako je vysoká a kontrolovateľná pórovitosť, biokompatibilita a biodegradovateľnosť, ktoré z nich robia univerzálnych kandidátov na biomedicínske aplikácie. MOF môžu slúžiť ako nosiče na transport rastových faktorov, liečiv, antibiotík a iných aktívnych molekúl. Dizertačná práca bude zameraná na výskum, pri ktorom sa MOF využijú na zvýšenie regeneračného potenciálu biomateriálov na báze biaoaktívneho skla. Zeolitické imidazolátové rámce (ZIF) na báze Zn budú syntetizované bez použitia škodlivých a toxických rozpúšťadiel. Následne sa ZIF použijú ako nosič pre antimikrobiálnu antiseptickú zlúčeninu cetylpyridíniumchlorid (CPC). Cieľom bude príprava systému a určenie koncentrácie, ktorá nebude toxická pre bunky cicavcov a zároveň bude efektívne eliminovať orálne patogény (v aeróbnych aj anaeróbych kultiváciach). Sledovať sa bude účinok na monokultúrne, ale aj poly-mikrobiálne biofilmy. Následne bude systém inkorporovaný do dentálnych regeneratívnych a liečivých materiálov na báze bioaktívneho skla. Takýto biomateriál predstavuje komplexný systém, ktorý je možné použiť pri ošetrení koreňových kanálikov (výplachový roztok, injektovateľný gél, atď.), a ktorý popri dezinfekcii zabezpečí aj ľahšiu remineralizáciu ošetreného miesta.

Kľúčové slová: organo-kovové štruktúry, biokompatibilita, antibakteriálna aktivita, biomedicínske aplikácie

15. Therapeutic Ion-Doped Nanoparticle Infused Bioactive Glass Scaffolds with Tunable Textural Properties for Enhanced Bone Regeneration / Terapeutickými iónmi dopované nanočastice v bioaktívnych sklenených skeletoch s nastaviteľnými textúrnymi vlastnosťami pre zlepšenú regeneráciu kostí

Supervisor: Dr. Si Chen, FunGlass, Slovakia

Co – supervisor:

Abstract: The aim of this project is to design the textural properties of the scaffold according to the complex hierarchical porous structure of bone, and to introduce therapeutic ion-doped bioactive glass nanoparticles (BGN) into the bioactive glass scaffold (BGS) to modulate the osteogenesis and angiogenesis processes of the scaffold, improve its mechanical properties, and endow it with biological functions such as angiogenesis, antimicrobial and immunomodulation. Our current project uses additive manufacturing technology combined with 1393B3 borate bioactive glass to create bioactive glass scaffolds that mimic natural pore system of bone for bone regeneration. In this project, BGS will be designed with different textural features, such as different pore sizes, porosities, connectivity, curvatures, orientations and gradients, to characterise the effects of these parameters on the differentiation of bone marrow stem cells, calcium deposition, cytokine expression and activation (vascular endothelial growth factor, alkaline phosphatase, etc.). On the other hand, implants used for bone regeneration need to exhibit biological functions such as angiogenesis, antimicrobial and immunomodulation. Therefore, the biological functions will be endowed in BGS by incorporating BGN doped with therapeutic ions into the glass raw materials for manufacturing BGS. The nanoparticles will be doped with copper, cobalt, cerium and zinc to introduce pro-angiogenic (cobalt), antibacterial (copper, zinc) and immunomodulatory (cerium, copper) functions. Ion-doped nanoparticles can be obtained by direct addition of doping ion precursors during the sol-gel synthesis process. The BGS with the different textural properties and incorporated BGN with different therapeutic ions will be prepared using the Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM) technique (Lithoz GmbH). The resulting BGS will undergo material characterization, mechanical property testing, in vitro cell evaluation, and animal testing depending on the performance of the BGS.

Keywords: 3D printing, textural properties, bioactive glass nanoparticles, therapeutic ions, bone regeneration, angiogenesis, antimicrobial, immunomodulatory

Abstrakt: Cieľom tohto projektu je navrhnúť texturálne vlastnosti skeletu podľa komplexnej hierarchickej poréznej štruktúry kosti a zaviesť do bioaktívnych sklenených skeletov (BGS) terapeutické nanočastice z bioaktívneho skla dopované iónmi (BGN), aby sa modulovala osteogenéza a angiogenéza, zlepšili mechanické vlastnosti a biologická odozva, ako angiogenéza, antimikrobiálne účinky a imunomodulácia.

Projekt využíva technológiu aditívnej výroby v kombinácii s boritanovým bioaktívnym sklom 1393B3 na vytvorenie bioaktívnych sklenených skeletov, ktoré napodobňujú prirodzený systém pórov kostí pre regeneráciu kostného tkaniva.

V tomto projekte budú BGS navrhnuté s rôznymi texturálnymi vlastnosťami, ako sú rôzne veľkosti pórov, pórovitosť, spojitosť, zakrivenie, orientácia a gradient, aby sa analyzoval vplyv týchto parametrov na diferenciáciu kmeňových buniek kostnej drene, ukladanie vápnika, expresiu a aktiváciu cytokínov (napr. vaskulárny endotelový rastový faktor, alkalická fosfatáza atď.).

Implantáty používané na regeneráciu kostí musia tiež vykazovať biologické funkcie, ako je angiogenéza, antimikrobiálne účinky a imunomodulácia. Preto sa tieto biologické funkcie zabezpečia začlenením BGN dopovaných terapeutickými iónmi do sklených surovín na výrobu BGS. Nanočastice budú dopované meďou, kobaltom, cérom a zinkom s cieľom zaviesť proangiogénne (kobalt), antibakteriálne (meď, zinok) a imunomodulačné (cér, meď) vlastnosti.

Iónmi dopované nanočastice sa budú získavať priamym pridaním iónových prekurzorov počas syntézy sól-gél. BGS s rôznymi texturálnymi vlastnosťami a inkorporovanými BGN s terapeutickými iónmi sa pripravia pomocou techniky LCM (Lithography-based Ceramic Manufacturing) (Lithoz GmbH). Výsledné BGS budú podrobené charakterizácii materiálu, testovaniu mechanických vlastností, in vitro hodnoteniu buniek a testovaniu na zvieratách podľa účinnosti BGS.

Kľúčové slová: 3D tlač, texturálne vlastnosti, bioaktívne sklenené nanočastice, terapeutické ióny, regenerácia kostí, angiogenéza, antimikrobiálne, imunomodulačné

16. Hybrid magnetic biopolymer beads for sustained drug delivery in theranostic applications / Hybridné magnetické biopolymérne guľôčky pre trvalé dodávanie liečiv v terapeutických aplikáciách

Supervisor: Dr. Zulema Vargas Osorio, FunGlass, Slovakia

Co – supervisor: Dr. Diana Lago, FunGlass, Slovakia

Abstract: Despite efforts to develop highly sophisticated biomaterials to meet the demand for effective therapy, the goal is still distant, growing and increasing in complexity. In this regard, designing and developing systems that integrate multiple functionalities may be possible candidates for providing smart solutions to a set of diseases/disabilities related to human health. This work’s main goal is to find suitable combinations of biopolymers and magnetic systems to develop different multifunctional hybrid structures with theranostic potential. These composite beads aim to be stable, non-toxic and biocompatible and ensure safe and effective drug delivery.

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, mucoadhesive, antiviral anticoagulant, antioxidant, immune-modulatory and antitumoral effect. Consequently, they will play an important role in forming biocompatible and degradable biopolymer-based structures, which might significantly impact the sustainability, practicality and scalability of this project, leading to their potential future exploitation, keeping in perspective the production of low-cost and environmentally friendly platforms.

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

These biopolymer-based composite mixtures may contain some therapeutic ions to tailor their features based on the possible target tissue (bones, teeth, cartilage, skin…). Their production will involve a variety of synthesis routes and techniques, including soft chemistry, sol-gel, surface functionalization, co-precipitation, freeze-drying, etc. Furthermore, the physicochemical and biological properties and their ability for controlled drug release will be studied.

Keywords: (biopolymers, magnetic systems, controlled drug delivery, theranostics)

Abstrakt: Napriek úsiliu pri vývoji vysoko sofistikovaných biomateriálov na uspokojenie dopytu po účinnej terapii je tento cieľ stále vzdialený, rastie a zvyšuje sa jeho zložitosť. V tomto ohľade môže byť návrh a vývoj systémov, ktoré integrujú viacero funkcií, možnými kandidátmi na poskytnutie inteligentných riešení pre súbor chorôb/porúch súvisiacich s ľudským zdravím. Hlavný cieľ tejto práce je zameraný na hľadanie vhodných kombinácií biopolymérov a magnetických systémov na vývoj rôznych multifunkčných hybridných štruktúr s teranostickým potenciálom. Cieľom týchto kompozitných guľôčok je nielen stabilita, netoxickosť a biokompatibilita, ale aj zabezpečenie bezpečného a účinného podávania liečiv.

Polysacharidy (chitosan, alginát, karagenany…), ako najrozšírenejší zdroj prírodných polymérov v životnom prostredí, majú vďaka svojim jedinečným vlastnostiam, vrátane protizápalových, antibakteriálnych, antimikrobiálnych, hemostatických, mukoadhezívnych, antivírusových antikoagulačných, antioxidačných, imunomodulačných a protinádorových účinkov, množstvo sľubných biomedicínskych aplikácií. V dôsledku toho budú zohrávať dôležitú úlohu pri vytváraní biokompatibilných a degradovateľných štruktúr na báze biopolymérov, čo by mohlo mať významný vplyv na udržateľnosť, praktickosť a škálovateľnosť tohto projektu, čo by mohlo viesť k ich potenciálnemu budúcemu využitiu, pričom by sa mala zohľadniť výroba nízkonákladových a ekologických platforiem.

Ďalším kľúčovým faktorom budú vyvinuté superparamagnetické systémy, kde veľkosť, morfológia a funkčnosť povrchu budú určovať konečné vlastnosti celého systému.

Tieto kompozitné zmesi na báze biopolymérov môžu obsahovať niektoré terapeutické ióny, ktoré prispôsobia ich vlastnosti na základe možného cieľového tkaniva (kosti, zuby, chrupavky, koža…). Ich výroba bude zahŕňať rôzne spôsoby a techniky syntézy vrátane mäkkej chémie, sol-gel, povrchovej funkcionalizácie, spoluprecipitácie, lyofilizácie atď. Okrem toho sa budú skúmať fyzikálno-chemické a biologické vlastnosti, ako aj ich schopnosť riadeného uvoľňovania liečiv.

Kľúčové slová: biopolyméry, magnetické systémy, riadené podávanie liečiv, teranostika

17. Development of novel glass melting technology using advanced laser technology / Vývoj novej technológie tavenia skla pomocou pokročilej laserovej technológie

Supervisor: Dr. Jozef Kraxner, FunGlass, Slovakia

Co – supervisor: Assocc. Professor Rafael Comesaña Piñeiro (UNIVERSIDAD DE VIGO, School of Engineering, Spain)

Abstract: The glass industry is one of the most energy-intensive sectors, posing a significant challenge in meeting the CO₂ reduction targets set by the Paris Climate Agreement. The crucial stage in glass manufacturing is the melting process. The melting process alone consumes over 75% of the total energy required for glass production, and historically, this energy has largely come from fossil fuels.

Transitioning to laser technology for glass melting represents a substantial advancement in manufacturing practices. The proposed technology’s combination also requires a new design of melting furnaces that can significantly reduce melting time, extend the life of the melting aggregates, and maximize the positive impact on the environment by reducing greenhouse gas emissions(GHG). The primary objective of this PhD thesis is to investigate this innovative approach and strategy for developing a next-generation glass melting system, opening new avenues for the future of glass manufacturing.

The following tasks will be undertaken to meet this objective:

Conduct a detailed study of laser-material interaction to determine how various laser wavelengths, power densities, and irradiation times affect the glass melting process.
Perform experimental trials to develop suitable glass batches in various commercial glass systems, including soda-lime silicate and tableware glass systems.
Investigate the effects of laser parameters on glass melting and the overall properties of the resulting glass products.
Evaluate the energy consumption and environmental impact of the laser and selective batching processes compared to conventional glass melting methods.
Explore the feasibility of scaling this process for industrial use.

The study will be carried out in collaboration with the University of VIGO.

Keywords: laser-based glass melting approach, GHG, selective batching

Abstrakt: Sklársky priemysel je jedným z energeticky najnáročnejších odvetví, čo predstavuje významnú výzvu pri plnení cieľov znižovania emisií CO2 stanovených v Parížskej klimatickej dohode. Len proces tavenia spotrebuje viac ako 75 % celkovej energie potrebnej na výrobu skla a táto energia pochádzala prevažne z fosílnych palív.

Prechod na laserovú technológiu tavenia skla môže predstaviť významný pokrok vo výrobných postupoch v sklárskom priemysle. Kombinácia navrhnutej technológie vyžaduje aj nový design taviacich pecí, ktoré môžu výrazne skrátiť čas tavenia, predĺžiť životnosť taviacich agregátov a maximalizovať pozitívny vplyv na životné prostredie znížením emisií skleníkových plynov. Hlavným cieľom tejto doktorandskej práce je preskúmať tento inovatívny prístup a stratégiu vývoja systému tavenia skla novej generácie, čím sa otvárajú nové možnosti pre budúcnosť výroby skla.

Na splnenie tohto cieľa sa budú realizovať nasledujúce úlohy:

Vykonať podrobnú štúdiu interakcie lasera a materiálu s cieľom určiť, ako rôzne vlnové dĺžky lasera, hustota výkonu a čas ožarovania ovplyvňujú proces tavenia skla.
Vykonať experimentálne skúšky s cieľom vyvinúť optimálnu vsádzku v rôznych komerčných sklárskych systémoch vrátane systémov sodno-vápenatého a úžitkového skla.
Skúmať vplyv parametrov laserového tavenia na tavenie skla ako aj celkové vlastnosti výsledných sklenených výrobkov.
Vyhodnotiť spotrebu energie a vplyv laserového a selektívneho dávkovania na životné prostredie v porovnaní s konvenčnými metódami tavenia skla.
Preskúmať možnosť rozšírenia tohto procesu na priemyselné použitie.

Štúdia sa bude realizovať v spolupráci s Univerzitou VIGO.

Kľúčové slová: metóda tavenia skla pomocou laseru, skleníkové plyny, selektívne dávkovanie

18. Advanced 3D structures based on glass, ceramics, and glass-ceramics developed by multi-material additive manufacturing printing process / Pokročilé 3D štruktúry na báze skla, keramiky a sklo-keramiky vyvinuté pomocou multi-materiálovej aditívnej výroby

Supervisor: Dr. Jozef Kraxner, FunGlass, Slovakia

Co – supervisor: Prof. Gianpaolo Savio (Department of CIVIL, ENVIRONMENTAL AND ARCHITECTURAL ENGINEERING – Laboratory of DESIGN TOOLS AND METHODS IN INDUSTRIAL ENGINEERING – University of Padua)

Abstract: Multi-material 3D printing offers an excellent tool for direct fabrication of 3D parts with material diversity, enabling unique features such as geometric complexity, microscale, multifunction, prototype fabrication, and cost-effectiveness.

This PhD thesis focuses on developing advanced glass, ceramic, and glass-ceramic 3D structures through a novel multi-material additive manufacturing (MM-AM) printing process. By combining the unique properties of these materials, this project aims to create multifunctional, more advanced structures with applications in optics, electronics, and biomedical fields. The MM-AM process allows precise control over the spatial distribution of materials, creating complex geometries and tailored material properties that are difficult to achieve through conventional manufacturing techniques or a simple 3D printing process.

Key tasks include:

Develop an MM-AM system based on the extrusion and photopolymerization processes.
Identify and develop printable formulations of glass, ceramics, and glass ceramics suitable for the MM-AM process.
Conduct comprehensive mechanical, thermal, biological, and optical testing of the additively manufactured 3D structures to evaluate their performance and compare them to their traditionally manufactured or simple 3D-printed parts.
Optimize the geometric modeling of the 3D scaffold structures based on design, material selection, and future application requirements.
Characterizing the printed samples regarding their structural, mechanical, chemical, physical, and biological properties.
Exploring potential applications for these advanced structures in various research fields.

The study will be carried out in collaboration with the University of Padua.

Keywords: Multi-material 3D printing, glass and glass-ceramic

Abstrakt: Multi-materiálová 3D tlač ponúka možnosť výroby 3D štruktúr s rôznorodosťou materiálov, ktoré môžu vykazovať jedinečné vlastnosti ako je napr. geometrická komplexnosť, multifunkčnosť, prípadne výroba prototypov s vyššou nákladovou efektívnosťou.

Doktorandská práca sa zameriava na vývoj pokročilých sklenených, keramických a sklo-keramických 3D štruktúr prostredníctvom procesu multi-materiálovej aditívnej výroby (multi-material additive manufaturing, MM-AM, ). Cieľom tejto práce je kombináciou jedinečných vlastností týchto materiálov a rôznych ich systémov vytvoriť pokročilejšie 3D štruktúry možnosťou s využitím v optike, elektronike a biomedicíne.

Proces MM-AM umožňuje presnejšiu kontrolu nad priestorovým rozložením jednotlivých materiálov, čím je možné vytvoriť komplexnejšie 3D štruktúry s nastaviteľnými vlastnosťami, ktoré sa ťažko dosahujú v materiáloch, ktoré sú pripravené bežnými výrobnými technikami alebo procesom 3D tlače na báze jedného materiálu.

Medzi kľúčové úlohy patria:

Vývoj systému MM-AM založeného na procesoch extrúzie a fotopolymerizácie.
Identifikácia a vývoj tlačiteľných receptúr skla, keramiky a sklo-keramiky vhodných pre proces MM-AM.
Charakterizácia vytlačených 3D štruktúr z hľadiska mechanických, tepelných, biologických a optických vlastnosti s cieľom vyhodnotiť a porovnať ich s tradične vyrábanými alebo pomocou 3D tlače na báze jedného materiálu.
Optimalizácia geometrického modelovania 3D štruktúr na základe návrhu, výberu materiálov a požiadaviek na budúce použitie.
Charakterizácia vytlačených vzoriek, pokiaľ ide o ich štrukturálne, mechanické, chemické, fyzikálne a biologické vlastnosti.
Skúmanie potenciálnych aplikácií týchto pokročilých štruktúr v rôznych oblastiach aplikačného výskumu.

Práca sa bude realizovať v spolupráci s Univerzitou v Padove

Kľúčové slová: Multi-materiálová 3D tlač, sklo a sklo-keramika

19. Recycling and Upcycling of Waste Glasses with Lightweight Fillers for Sustainable 3D-printed Structural and Architectural Applications / Recyklácia a upcyklácia odpadových skiel s ľahkými plnivami pre udržateľné konštrukčné a architektonické aplikácie pripravené pomocou 3D tlače

Supervisor: Dr. Arish Dasan, FunGlass, Slovakia

Co – supervisor: Prof. Enrico Bernardo, University of Padua, Italy

Dr. Anastasiia Novokhatska FunGlass, Slovakia

Abstract: This PhD thesis focuses on recycling and upcycling waste glass materials combined with lightweight fillers, such as hollow glass microspheres prepared from waste glass and other fillers, like fly or volcanic ashes, to create sustainable components for structural and architectural applications. These materials are processed using alkaline or water-based liquid binders through advanced 3D printing techniques, including Binder Jetting and Direct Ink Writing, to fabricate eco-friendly, lightweight, and structural components and advanced properties. The study emphasizes the development of dry-assembled, interlocking 3D-printed parts suitable for indoor and facade applications while adhering to the waste hierarchy principles—Reduce, Reuse, and Recycle.

The project aims to reduce the environmental footprint of traditional building materials by transforming waste into new construction components in line with design and functionality requirements. This approach promotes sustainability and offers new opportunities for cost-effective, low-energy, and low-carbon construction materials.

Key Objectives and Tasks:

Material Development and Characterization
3D Printing Process Optimization
Design and Fabrication of Interlocking Parts
Environmental Impact and Lifecycle Assessment
Prototype Development and Application Testing

This research aims to bridge the gap between sustainable material development and modern 3D printing technologies, offering a viable path for reducing waste and creating innovative, eco-friendly building solutions in contemporary design.

The study will be carried out in collaboration with the University of Padua.

Keywords: Recycling, upcycling, light-weight components, 3D printing and design

Abstrakt: Táto doktorandská práca sa zameriava na recykláciu a upcykláciu odpadových sklenených materiálov v kombinácii s plnivami, ktorými môžu byť napr. duté sklenené mikroguľôčky pripravené z odpadového skla a s inými plnivami (vulkanický popol), s cieľom vytvoriť udržateľné komponenty pre konštrukčné a architektonické aplikácie. Tieto materiály sa spracúvajú pomocou alkalických alebo vodných spojív prostredníctvom pokročilých techník 3D tlače vrátane Binder Jetting a Direct Ink Writing, aby sa vyrobili ekologické, ľahké a štrukturálne komponenty. Práca kladie dôraz na vývoj suchou cestou zostavených, vzájomne sa spájajúcich 3D tlačených dielov vhodných na použitie v interiéri a v exteriéri ako fasádne panely pri dodržiavaní zásad hierarchie odpadového hospodárstva – redukcia, recyklácia a upcyklácia.

Cieľom práce je znížiť environmentálnu stopu tradičných stavebných materiálov premenou odpadu na nové stavebné komponenty v súlade s požiadavkou na design a na funkčnosť. Tento prístup podporuje udržateľnosť a ponúka nové možnosti pre nákladovo efektívne, nízkoenergetické a nízkouhlíkové stavebné materiály.

Kľúčové ciele a úlohy:

Vývoj a charakterizácia materiálov
Optimalizácia procesu 3D tlače
Návrh a výroba vzájomne prepojených dielov
Vplyv na životné prostredie a posúdenie životného cyklu
Vývoj prototypu a testovanie aplikácií

Zároveň táto práca premosťuje medzeru medzi vývojom udržateľných materiálov a modernými technológiami 3D tlače, pričom ponúka reálnu cestu na zníženie množstva odpadu a vytvorenie inovatívnych, ekologických stavebných riešení v modernom dizajne.

Štúdia sa bude realizovať v spolupráci s Univerzitou v Padove.

Kľúčové slová: Recyklácia, upcyklácia, ľahké komponenty, 3D tlač a dizajn

20. Exploring the potential of Bauxite residue as a catalyst for hydrogen production / Skúmanie potenciálu zvyškov bauxitu ako katalyzátora na výrobu vodíka

Supervisor: Dr. Akansha Mehta, FunGlass, Slovakia

Co – supervisor: Dr. Rayees Ahmed Rather (CIIAE, Spain)

Abstract: Bauxite residue (BR), commonly referred to as red or brown mud, is an industrial by-product generated by the Bayer process used to extract aluminum from bauxite ore. Due to its substantial production rate (1.5 tons per ton of aluminum), high alkalinity, salinity, and the leaching of heavy and toxic metals, BR has a considerable environmental impact, particularly concerning soil and water.

However, BR’s high metal oxide content offers an opportunity to repurpose this waste material for catalytic applications. Specifically, BR could be utilized in photocatalytic and photoelectrocatalytic processes to facilitate green hydrogen (H₂) production, transforming a problematic waste by-product into a valuable resource.

This project aims to leverage the combined photocatalytic properties of Fe₂O₃ and TiO₂, which can enhance photocatalytic efficiency across the UV-visible spectrum. Additionally, additive manufacturing techniques, such as 3D printing, will be employed to optimize the morphology of the photocatalyst, thereby reducing fouling risks and improving performance in solar-driven hydrogen production.

Through innovative material development and advanced manufacturing techniques, this PhD topic can contribute to sustainable practices within the aluminum industry while promoting resource recovery and environmental stewardship.

Key tasks include:

To evaluate the mineralogical composition of BR and explore strategies to reduce its alkalinity so that it can be safely handled in laboratory experiments.
To investigate the photocatalytic properties of Fe₂O₃/TiO₂ composites derived from BR.
To evaluate the effectiveness of 3D-printed catalysts in enhancing hydrogen production efficiency.
To test the repeatability of the photocatalyst for multiple runs to assess material degradation, yield consistency, and hydrogen purity.
Conducting pilot-scale experiments to validate the process’s commercial potential and facilitate sustainable, large-scale hydrogen production, which will be carried out in collaboration with the CIIAE, Spain.

Keywords: Bauxite residue, hydrogen production, photocatalysis, additive manufacturing

Abstrakt: Zvyšky bauxitu (Bauxite residue, BR) zvyčajne známe ako červený/hnedý kal sú priemyselným vedľajším produktom Bayerovho procesu, ktorý sa používa na extrakciu hliníka z bauxitovej rudy. Vplyv BR na životné prostredie je významný najmä na pôdu a vodu v dôsledku jeho obrovskej produkcie (1,5 tony na tonu hliníka), vysokej zásaditosti, slanosti a vylúhovania ťažkých/toxických kovov.

Vysoký obsah oxidov kovov v BR však ponúka príležitosť na opätovné využitie tohto odpadového materiálu na katalytické aplikácie. Konkrétne by sa BR mohol využiť vo fotokatalytických a fotoelektrokatalytických procesoch na výrobu zeleného vodíka (H₂), čím by sa problematický vedľajší odpad premenil na cenný zdroj.

Cieľom tohto projektu je využiť kombinované fotokatalytické vlastnosti Fe₂O₃ a TiO₂, ktoré môžu zvýšiť fotokatalytickú účinnosť v celom UV-viditeľnom spektre. Okrem toho sa na optimalizáciu morfológie fotokatalyzátora použijú aditívne výrobné techniky, ako napríklad 3D tlač, čím sa zníži riziko zanášania a zlepší celkový výkon produkcie vodíka.

Prostredníctvom inovatívneho vývoja materiálov a pokročilých výrobných techník môže táto téma doktorandského štúdia prispieť k udržateľným postupom v rámci priemyslu na produkciu hliníka a zároveň podporiť obnovu zdrojov a šetrné zaobchádzanie s životným prostredím.

Kľúčové úlohy:

Vyhodnotenie mineralogického zloženia BR a preskúmať stratégie na zníženie jeho alkality, aby sa s ním mohlo bezpečne manipulovať v laboratórnych experimentoch.
Preskúmanie fotokatalytických vlastnosti Fe₂O₃/TiO₂ kompozitov získaných z BR.
Vyhodnotenie účinnosti 3D vytlačených katalyzátorov pri výroby vodíka.
Testovanie opakovateľnosti fotokatalyzátora pri viacerých sériách s cieľom posúdiť degradáciu materiálu, konzistenciu výťažkov a čistotu vodíka.
Vykonanie experimentov v pilotnom meradle na overenie komerčného potenciálu procesu a uľahčenie udržateľnej výroby vodíka vo veľkom meradle, ktoré sa uskutočnia v spolupráci s CIIAE, Španielsko.

Kľúčové slová: Zvyšky bauxitu, výroba vodíka, fotokatalýza, výroba aditív

21. New and Modern Thermal barrier coatings based on high entropy ceramic oxides / Nové a moderné tepelné bariérové povlaky na báze vysoko entropických keramických oxidov

Supervisor: Assoc. Prof. Amirhossein Pakseresht, Slovakia

Co – supervisors: Assoc. Prof. Ladislav Celko ( CEITEC, Brno)

Abstract: Most engineering products exposed to high temperatures and harsh environments are prone to failure due to thermal shock issues, which cause system and component degradation and eventual failure during thermal cycles. Surface modification by depositing various types of coatings have been used in industrial sectors to improve system efficiency. Thermal barrier coatings (TBCs) have recently become one of the high temperature industries’ top priorities.

There is a growing interest in the use of novel TBC due to the need to increase the efficiency of gas turbine engines and energy generating systems. TBCs that are new and modern have been developed to solve problems associated with traditional ones while also increasing their efficiency. New and modern TBCs are classified into several categories, including TBCs with new materials such as Perovskite and Pyrochlore structure, high entropy materials and new structures. One of the most significant new materials that can alter the properties (especially thermal conductivities) and life span of the TBCs is high entropy ceramics. A number of high entropy materials have been progressed in recent years with unparalleled characteristics, such as low thermal conductivity, high thermal stability, tunable CTE, suitable water-vapor corrosion properties, low grain growth rate, high hardness, and high thermal. Particularly, the effects of lattice distortion and high entropy result in phonon scattering rise, which leads to low thermal conductivities in HEAs compared to single-component compounds. Among the properties, low thermal conductivity accompanied by phonon scattering with different atoms can be accounted as one of the most significant features of high entropy materials that make them suitable for the application of environmental and thermal barrier protection. The proposed study will focus on the processing and characterization of bulk high-entropy ceramics and coating systems with fluorite and pyrochlore structures for applications in extreme environments, aiming to achieve lower thermal conductivity and higher phase stability.

Key words: High entropy ceramic, Thermal barrier coating, Hot corrosion, High temperature

Abstrakt: Väčšina technických výrobkov vystavených vysokým teplotám a agresívnemu prostrediu je náchylná na zlyhanie v dôsledku tepelných šokov, ktoré spôsobujú degradáciu systému a komponentov a prípadné zlyhanie počas tepelných cyklov. Úprava povrchu nanesením rôznych typov povlakov sa používa v priemyselných odvetviach na zlepšenie účinnosti systému. Tepelné bariérové povlaky (TBC) sa v poslednom čase stali jednou z hlavných priorít priemyselných odvetví zameraných na vysoké teploty. Záujem o používanie nových TBC rastie v dôsledku potreby zvýšiť účinnosť plynových turbínových motorov a systémov na výrobu energie. Nové a moderné TBC boli vyvinuté s cieľom vyriešiť problémy spojené s tradičnými TBC a zároveň zvýšiť ich účinnosť. Nové a moderné TBC sa rozdeľujú do niekoľkých kategórií vrátane TBC s novými materiálmi, ako sú perovskitová a pyrochlorová štruktúra, materiály s vysokou entropiou a nové štruktúry. Jedným z najvýznamnejších nových materiálov, ktoré môžu zmeniť vlastnosti (najmä tepelnú vodivosť) a životnosť TBC povlakov je vysoko-entropická keramika. V posledných rokoch sa pokročilo v oblasti vývoja vysoko entropických materiálov, ktoré majú bezkonkurenčné vlastnosti, akými sú napr. nízka tepelná vodivosť, vysoká tepelná stabilita, nízky CTE, korózna odolnosť a vysoká tvrdosť. Najmä účinky deformácie mriežky a vysokej entropie vedú k nárastu rozptylu fonónov, čo vedie k nízkej tepelnej vodivosti v HEA v porovnaní s jednozložkovými zlúčeninami. Spomedzi vlastností možno nízku tepelnú vodivosť sprevádzanú rozptylom fonónov rôznymi atómami považovať za jednu z najvýznamnejších vlastností materiálov s vysokou entropiou, vďaka ktorej sú vhodné ako enviromentálne a tepelné bariérové povlaky. Navrhovaná štúdia sa zameria na spracovanie a charakterizáciu objemovej vysokoentropickej keramiky a povlakových systémov s fluoritovou a pyrochlórovou štruktúrou pre aplikácie v extrémnych prostrediach s cieľom dosiahnuť nižšiu tepelnú vodivosť a vyššiu fázovú stabilitu.

Kľúčové slová: Vysoko entropická keramika, Tepelná bariéra, Horúca korózia, Vysoká teplota

22. Effects of mechanical milling and spray drying on flowability of rare earth oxide powders for thermal spray / Vplyv mechanického mletia a sušenia rozprašovaním na tekutosť práškov oxidov vzácnych zemín na tepelné striekanie

Supervisor: Dr. Milan Parchovianský, FunGlass, Slovakia

Co – supervisor: Dr. Serhii Tkachenko (CEITEC BUT, Brno)

Abstract: Powder preparation is an important stage in the production of thermal spray coatings with the desired characteristics because powder composition, size distribution, shape, mass density, and mechanical resistance play a key role in the coating microstructure and its thermo-mechanical properties. A key feature of a powder for thermal spray is flowability, which can be adjusted through particle morphology, size and distribution. Good powder flowability can be achieved through appropriate powder processing, which can include mechanical milling and spray drying methods, which strongly affect the quality and properties of the powder. Therefore, deep and systematic studies on the relation between powder’s processing technology, its flowability and sprayability and the resulting microstructure and functional properties of the thermally sprayed coatings are missing.

The aim of this doctoral thesis is to investigate the potential of combining the powder processing technologies through mechanical milling and spray drying for the production of advanced ceramic powders based on rare earth oxides, which will be suitable for the subsequent thermal spraying of functional coatings. The specific focus of the study is devoted to understanding of relation between powder’s chemistry, morphology, microstructure and its flowability, which is supported with the development of relevant approaches for characterization of this relation. Target coatings functionalities investigated in the PhD study include the controlled surface wettability, thermal or electrical conductivity or insulation, corrosion resistance, and wear resistance.

Keywords: Chemical preparation, Mechanical milling, Spray drying, Thermal spray, Coating properties

Abstrakt: Príprava prášku je dôležitou fázou výroby povlakov tepelným striekaním s požadovanými vlastnosťami, pretože zloženie prášku, distribúcia častíc, tvar, hustota a mechanická odolnosť zohrávajú kľúčovú úlohu v mikroštruktúre povlaku a jeho tepelno-mechanických vlastnostiach. Kľúčovou vlastnosťou prášku na tepelné striekanie je tekutosť, ktorú možno upraviť prostredníctvom morfológie, veľkosti a distribúcie častíc. Dobrá tekutosť prášku sa dá dosiahnuť vhodným spracovaním prášku, ktoré môže zahŕňať mechanické mletie a metódy sušenia rozprašovaním, ktoré výrazne ovplyvňujú kvalitu a vlastnosti prášku. Preto chýbajú hĺbkové a systematické štúdie o vzťahu medzi technológiou spracovania prášku, jeho tekutosťou a striekateľnosťou a výslednou mikroštruktúrou a funkčnými vlastnosťami tepelne striekaných povlakov.

Cieľom tejto dizertačnej práce je preskúmať možnosti kombinácie technológií spracovania práškov prostredníctvom mechanického mletia a sušenia rozprašovaním na výrobu pokročilých keramických práškov na báze oxidov vzácnych zemín, ktoré budú vhodné na následné tepelné striekanie funkčných povlakov. Špecifické zameranie štúdie je venované pochopeniu vzťahu medzi chemickým zložením prášku, morfológiou, mikroštruktúrou a jeho tekutosťou, čo je podporené vývojom príslušných prístupov na charakterizáciu tohto vzťahu. Cieľom práce bude aj skúmanie ďalších vlastností povlakov ako napr. zmáčanlivosť povrchu, tepelná a elektrickú vodivosť, izolácia, odolnosť proti korózii a odolnosť proti opotrebovaniu.

Kľúčové slová: Chemická príprava, mechanické mletie, sušenie rozprašovaním, tepelné striekanie, vlastnosti povlakov

23. Enhancing mechanical and chemical durability of the Silicon Oxide (SiOx) Coatings using Hollow cathode plasma enhanced chemical vapor deposition (HC-PECVD) / Zvýšenie mechanickej a chemickej odolnosti povlakov z oxidu kremičitého (SiOx) pomocou dutej katódy plazmou zosilneného chemického naparovania (HC-PECVD)

Supervisor: Dr. Omid Sharifahmadian, FunGlass, Slovakia

Co – supervisor: Assoc. Prof. Amirhossein Pakseresht, FunGlass, Trenčin, Slovakia

Abstract: Nowadays, one of the most practical approaches to save energy and decrease the amount of CO₂ emissions into the atmosphere is to use smart materials like low emissivity (low-e) window glass. The essential characteristics of low-e coatings are high transmittance in the visible spectrum and high reflectance in the infrared region, however these alone are insufficient for practical applications. Low-e coatings must be resistant to harsh weather including dust, acid rain, and humid environments. Silicon oxide (SiO_x) coatings are promising candidates to resist corrosive environments and increase the lifetime of the low-e coated glasses. In this project, SiO_x coatings with various stoichiometries and chemistries will be deposited on glass substrates using Hollow Cathode Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (HC-PECVD). Surface chemistry and microstructural properties of the coatings will be characterized by X-ray Photo Spectroscopy (XPS), X-Ray Diffraction (XRD), Fourier Transform InfraRed spectroscopy (ATR-FTIR), UV-visible-NIR spectroscopy (UV-visible-NIR) and Scanning Electron Microscopy (SEM). Nanoindentation, tribometry and wear methods like abrasion test will be used to quantify the mechanical and tribological behavior of the coatings. To assess the anti-corrosion performance of the coatings, different tests including acid and basic resistance, UV and humidity exposure, as well as erosion resistance will be implemented. Overall, this PhD project will focus on producing highly robust SiO_x coatings using different HC-PECVD process parameters, aiming to improve the corrosion and wear resistance without compromising the optical properties.

Keywords: Low-e, Plasma, Coating, Silicon oxide

Abstrakt: Jedným z najpraktickejších prístupov k úsporám energie a znižovaniu emisií CO₂ do atmosféry je v súčasnosti používanie inteligentných materiálov, ako sú napríklad okenné sklá s nízkou emisivitou (low-e). Základnými vlastnosťami nízkoemisných povlakov sú vysoká priepustnosť vo viditeľnom spektre a vysoká odrazivosť v infračervenej oblasti, avšak tieto vlastnosti samy o sebe na praktické použitie nestačia. Nízkoemisné povlaky musia byť odolné voči nepriaznivým poveternostným podmienkam vrátane prachu, kyslých dažďov a vlhkého prostredia. Povlaky oxidu kremičitého (SiO_x) sú sľubnými kandidátmi na odolnosť voči korozívnemu prostrediu a na zvýšenie životnosti skiel s nízkoemisným povlakom. V tomto projekte sa budú povlaky SiO_x s rôznymi stechiometriami a chemickými vlastnosťami nanášať na sklenené substráty pomocou dutej katódy plazmou zosilneného chemického naparovania (HC-PECVD). Povrchová chémia a mikroštruktúrne vlastnosti povlakov sa budú charakterizovať pomocou röntgenovej fotospektroskopie (XPS), röntgenovej difrakcie (XRD), infračervenej spektroskopie s Fourierovou transformáciou (ATR-FTIR), UV-viditeľnej-NIR spektroskopie (UV-visible-NIR) a rastrovacej elektrónovej mikroskopie (SEM). Na kvantifikáciu mechanického a tribologického správania povlakov sa použije nanoindentácia, tribometria a metódy opotrebovania, ako napríklad skúška oderu. Na posúdenie antikoróznych vlastností povlakov sa vykonajú rôzne testy vrátane odolnosti voči kyselinám a zásadám, UV žiareniu a vlhkosti, ako aj odolnosti voči erózii. Celkovo sa tento doktorandský projekt zameria na výrobu vysoko odolných SiO_x povlakov s použitím rôznych parametrov procesu HC-PECVD s cieľom zlepšiť odolnosť proti korózii a opotrebovaniu bez toho, aby sa zhoršili optické vlastnosti.

Kľúčové slová: Nízkoemisné, Plazma, Povrchová úprava, Oxid kremičitý

24. Multilayers prepared by PECVD and PVD for applications as bandpass filters and anti-reflective coatings / Viacvrstvové materiály pripravené metódou PECVD a PVD na použitie ako pásmové filtre a antireflexné povlaky

Supervisor: Dr. Kamalan Kirubaharan Amirtharaj Mosas, FunGlass, Slovakia

Co – supervisor: Assoc. Prof. Amirhossein Pakseresht, FunGlass, Trenčin, Slovakia

Abstract: Optical bandpass filters have versatile applications depending on their transmitted wavelength range, including high-performance antireflection coatings, UV reflectors, IR filters, and dielectric mirrors. The study focuses on the fabrication and characterization of optical filters using plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) and physical vapor deposition (PVD) techniques. PECVD presents several advantages over conventional methods, including lower film stress, enhanced mechanical and functional properties, ease of industrial scalability, and cost-effective production. Additionally, PECVD offers higher deposition rates (>1 nm/s) at lower temperatures, facilitating the fabrication of thicker and more durable selective filters. Recent research indicates that PECVD can achieve a broad range of refractive indices (n), comparable to those of PVD films (ranging from 1.45 to 2.2). This investigation explores the use of various metal oxides with refractive indices from low (n_L) to high (n_H), such as silicon dioxide (SiO₂), silicon oxynitride, titanium dioxide (TiO₂), and zinc oxide (ZnO), to construct multilayer stacks. By combining optical simulations, the desired filter properties can be achieved by selecting suitable index layers for stacking, applied through both PECVD and PVD techniques. The study also provides a comparative analysis of filters fabricated using PVD alone versus those created with a combination of PECVD and PVD. In addition to optical properties, the research examines other key characteristics such as hardness, scratch resistance, surface hydrophobicity, porous structure, and film stresses. A complete characterization of the layer’s stacks and the comparison between deposition techniques will be crucial to select the best and more adequate techniques in terms of properties and cost-effectiveness.

Keywords: PECVD, PVD, Optical filters, antireflection, Optical simulation

Abstrakt: Optické pásmové filtre majú všestranné využitie v závislosti od rozsahu prenášaných vlnových dĺžok vrátane vysokoúčinných antireflexných povlakov, UV reflektorov, IR filtrov a dielektrických zrkadiel. Štúdia sa zameriava na výrobu a charakterizáciu optických filtrov pomocou techník chemického naparovania z plazmy (PECVD) a fyzikálneho naparovania (PVD). PECVD predstavuje niekoľko výhod oproti konvenčným metódam vrátane nižšieho napätia vo vrstve, lepších mechanických a funkčných vlastností, jednoduchej priemyselnej rozšíriteľnosti a nákladovo efektívnej výroby. Okrem toho PECVD ponúka vyššie rýchlosti depozície (> 1 nm/s) pri nižších teplotách, čo uľahčuje výrobu hrubších a odolnejších selektívnych filtrov. Nedávny výskum naznačuje, že pomocou PECVD možno dosiahnuť široký rozsah indexov lomu (n), porovnateľný s indexom lomu PVD filmov (od 1,45 do 2,2). V tomto výskume sa skúma použitie rôznych oxidov kovov s indexmi lomu od nízkych (nL) po vysoké (nH), ako sú oxid kremičitý (SiO₂), oxynitrid kremíka, oxid titaničitý (TiO₂) a oxid zinočnatý (ZnO), na konštrukciu viacvrstvových povlakov. Kombináciou optických simulácií možno dosiahnuť požadované vlastnosti filtra výberom vhodných indexových vrstiev , ktoré sa aplikujú prostredníctvom techník PECVD aj PVD. Štúdium tiež poskytuje porovnávaciu analýzu filtrov vyrobených len pomocou PVD v porovnaní s filtrami vytvorenými kombináciou PECVD a PVD. Okrem optických vlastností sa vo výskume skúmajú aj ďalšie kľúčové charakteristiky, ako je tvrdosť, odolnosť proti poškriabaniu, hydrofóbnosť povrchu, porézna štruktúra a napätie vo vrstve. Úplná charakterizácia vrstiev a porovnanie jednotlivých techník nanášania bude rozhodujúca pre výber najlepšej a vhodnejšej techniky z hľadiska vlastností a nákladovej efektívnosti.

Kľúčové slová: PECVD, PVD, optické filtre, antireflexia, optická simulácia

PhD Admission

PhD. Study Program: Chemical Engineering and Technologies:

Inorganic Technology and Non-metallic Materials – general information

Registration for study on site (in Trenčín, Slovakia): from September 2025

Dissertation topics 2025/2026:

1. Cold sintering of bioactive glasses / Studené spekanie bioaktívnych skiel

2. Oxynitride glass ceramics: crystallization kinetics, mechanical and optical properties / Oxynitridová sklokeramika: kinetika kryštalizácie, mechanické a optické vlastnosti

3. Preparation and characterization of luminescent glass-ceramic materials prepared by sintering in a viscous flow / Príprava a charakterizácia luminiscenčných sklo-keramických materiálov pripravených spekaním vo viskóznom toku

4. Additive manufacturing of phosphor-in glass structures for enhanced light-emitting applications / Aditívna výroba 3D sklenených štruktúr obsahujúcich luminofor pre aplikácie s vylepšenou emisiou svetla

5. Grain growth in multi-material ceramics: effects on mechanical and optical properties / Rast zŕn vo viaczložkovej keramike: vplyv na mechanické a optické vlastnosti

6. Method development for evaluation of bio-activity of materials with laser ablation ICP-MS / Vývoj metódy hodnotenia bio-aktivity materiálov s využitím laserovej ablácie ICP-MS

7. Transparent ceramics with multi-wavelength excitation and emission properties / Transparentné keramické materiály so širokospektrálnymi absorpčnými a emisnými vlastnosťami

8. Near-zero and negative thermal-quenching phosphors for NUV converted w-LEDs / Luminofory s nízkym a negatívnym teplotným zhášaním luminiscencie pre aplikácie v w-LED s NUV excitáciou

9. Luminescent guest materials in Metal-organic Frameworks for optical applications / Luminiscenčné hosťovské materiály v MOF štruktúrach pre optickú aplikáciu

10. Photocatalytic water splitting using photocatalysts prepared by 3D printing / Fotokatalytický rozklad vody pomocou fotokatalyzátorov pripravených 3D tlačou

11. Functionalized melt-quenched metal-organic framework (MOF) glasses for opto-electroactive membrane applications / Funkcionalizované sklá s kovovo-organickou štruktúrou (MOF) pripravené ochladzovaním z taveniny pre aplikácie s opto-elektroaktívnou membránou

12. Development of a visible light responsive photocatalysts for green hydrogen production / Vývoj fotokatalyzátorov citlivých na viditeľné svetlo pre ekologickú výrobu vodíka

13. 3D printing of inorganic-biopolymer composites for bone regeneration / 3D tlač anorganických biopolymérnych kompozitov pre regeneráciu kostí

14. Metal-organic frameworks (MOFs) as carriers of drugs and other active agents for biomedical applications / Využitie kovovo-organických štruktúr (MOFs) ako nosičov liečiv a iných aktívnych látok pre biomedicínske aplikácie

16. Hybrid magnetic biopolymer beads for sustained drug delivery in theranostic applications / Hybridné magnetické biopolymérne guľôčky pre trvalé dodávanie liečiv v terapeutických aplikáciách

17. Development of novel glass melting technology using advanced laser technology / Vývoj novej technológie tavenia skla pomocou pokročilej laserovej technológie

18. Advanced 3D structures based on glass, ceramics, and glass-ceramics developed by multi-material additive manufacturing printing process / Pokročilé 3D štruktúry na báze skla, keramiky a sklo-keramiky vyvinuté pomocou multi-materiálovej aditívnej výroby

19. Recycling and Upcycling of Waste Glasses with Lightweight Fillers for Sustainable 3D-printed Structural and Architectural Applications / Recyklácia a upcyklácia odpadových skiel s ľahkými plnivami pre udržateľné konštrukčné a architektonické aplikácie pripravené pomocou 3D tlače

20. Exploring the potential of Bauxite residue as a catalyst for hydrogen production / Skúmanie potenciálu zvyškov bauxitu ako katalyzátora na výrobu vodíka

21. New and Modern Thermal barrier coatings based on high entropy ceramic oxides / Nové a moderné tepelné bariérové povlaky na báze vysoko entropických keramických oxidov

22. Effects of mechanical milling and spray drying on flowability of rare earth oxide powders for thermal spray / Vplyv mechanického mletia a sušenia rozprašovaním na tekutosť práškov oxidov vzácnych zemín na tepelné striekanie

24. Multilayers prepared by PECVD and PVD for applications as bandpass filters and anti-reflective coatings / Viacvrstvové materiály pripravené metódou PECVD a PVD na použitie ako pásmové filtre a antireflexné povlaky

Partners

Trenčianska univerzita Alexandra Dubčeka v Trenčíne

Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg

Friedrich-Schiller-Universität Jena

Consejo Superior de Investigaciones Científicas

Università degli Studi di Padova