Výzkumná skupina molekulárního a mezoskopického modelování

Nedávné experimentální studie ukazují, že modifikace pevných povrchů může zásadně ovlivnit chování adsorbci tekutin. Geometrická či chemická heterogenita povrchu může indukovat nové typy fázových přechodů a kritických jevů, které se kvalitativně liší od povrchových jevů pozorovaných na homogenních površích.

Pomocí metod statistické mechaniky, jako jsou teorie funkcionálu hustoty, efektivní hamiltonovské modely a škálovací teorie, se snažíme objasnit fundamentální podstatu těchto jevů. Zaměřujeme se zejména na vztahy mezi geometrickými vlastnostmi povrchu, mikroskopickými interakcemi, povrchovými fluktuacemi a makroskopicky měřitelnými vlastnostmi systému, např. adsorpcí tekutin. Studujeme především systémy, jejichž povrchová heterogenita se projevuje na délkových škálách srovnatelných s molekulárními rozměry. Přestože se tato oblast stále dynamicky rozvíjí, dosavadní výsledky ukazují, že chování těchto systémů může být značně kontraintuitivní a často je nelze uspokojivě popsat pomocí standardních teoretických přístupů. 

Vedle fundamentálního významu má tento výzkum také přímou vazbu na moderní nanotechnologie, zejména na vývoj povrchově modifikovaných materiálů, např. superhydrofobních povrchů, a mikronebo nanofluidních zařízení umožňujících řízenou manipulaci s velmi malými objemy kapalin, jako jsou systémy typu ​“lab-on-a-chip”.

Aktivní hmota představuje principiálně novou třídu mnohočásticových systémů nacházejících se daleko od termodynamické rovnováhy. Na jedné straně se systémy aktivní hmoty zásadně liší od tekutin (pasivních systémů), neboť jejich vnitřní mechanismy spotřeby a přeměny energie v autonomní pohyb vedou k unikátní kolektivní dynamice, tvorbě struktur a emergentním vlastnostem, které nemají v pasivních systémech obdobu. Na druhé straně aktivní systémy navzdory absenci detailní rovnováhy, chemického potenciálu či dobře definovaného povrchového napětí vykazují fázovou separaci, tvorbu fázových struktur a uspořádání vyvolané prostorovým omezením, které v mnoha ohledech připomínají jevy známé z tekutin. 

Díky těmto jedinečným vlastnostem přitahují syntetické aktivní částice značnou pozornost také z hlediska praktických aplikací. Jejich schopnost autonomního pohybu, interakce s okolím a odezvy na komplexní prostředí nabízí potenciální využití v biotechnologiích a chemickém a materiálovém inženýrství. Mezi perspektivní aplikace patří např. intenzifikace míchání, mikrofluidní čerpání nebo zdokonalování biosensorických a diagnostických metod. 

V prostorově omezených systémech představuje geometrie významný řídicí parametr, aktivita částic však může mechanismy známé z rovnovážných tekutin kvalitativně měnit, a v některých případech dokonce obracet. Výrazným příkladem je chování v blízkosti odpudivých rozhraní. Zatímco v rovnovážných tekutinách odpudivé stěny podporují vysoušení a potlačují kondenzaci, aktivní částice mají tendenci se akumulovat i v blízkosti čistě odpudivých povrchů. Tento kontrast naznačuje, že aktivita částic může zásadním způsobem modifikovat mechanismy geometricky indukovaného uspořádání a vést k chování, které je kvalitativně odlišné od tekutin. 

Ve výzkumu kombinujeme komplementární přístupy počítačového modelování, zahrnující částicové simulace a molekulární dynamickou teorii funkcionálu hustoty. Naším cílem je zjistit, do jaké míry lze koncepty fázového chování a strukturního uspořádání vyvolaného geometrií přenést z tekutin na nerovnovážné systémy, jako je aktivní hmota, a současně určit meze platnosti těchto analogií.