Nanomateriali za senzorje

16. 4. 2024, ob 12:15, v 0.46/2 na FNM UM

Kratka predstavitev predavatelja

Profesor Zidanšek raziskovalno in pedagoško deluje na Institutu »Jožef Stefan«, Mednarodni podiplomski šoli Jožefa Stefana in Fakulteti za naravoslovje in matematiko Univerze v Mariboru.
Diplomiral in doktoriral je iz fizike na Univerzi v Ljubljani pri profesorju Robertu Blincu. V letih 1995 in 1996 je bil kot Fulbrightov štipendist pri profesorju Hugu Schmidtu na Montana State University. V letih 1997 in 1998 je bil raziskovalec na Sinhrotronu Elettra v Bazovici.
V zadnjih letih se ukvarja s fiziko kondenzirane materije in tekočih kristalov, THz spektroskopijo in slikanjem, fiziko okolja, nanomateriali in raziskavami za razvoj kompetenc.
Na področju kondenzirane materije in tekočih kristalov je poudarek na študiju defektov v ograjeni geometriji. THz spektroskopijo in slikanje uporablja za študij različnih sistemov kot so zdravilne učinkovine, eksplozivi, gradbeni materiali in biomarkerji.
Ker pridobivanje energije predstavlja enega najpomembnejših človekovih učinkov na okolje, proučuje inovativne načine za pridobivanje čiste okolju prijazne energije, rezultate pa deli tudi s kolegi iz Rimskega kluba in WAAS.
Nanomateriali bi naj omogočili veliko poenostavitev vsakdanjega življenja, od novih nanoelektronskih elementov do samočistilnih površin in številnih drugih praktičnih uporab, ki so še pred kratkim veljale za znanstveno fantastiko.
Na FizikUM bo predstavljena ena od teh uporab, za razvoj plazmonskih DNK senzorjev. Publika je vabljena k razpravi in postavljanju vprašanj po zaključeni predstavitvi.

Povzetek

Predstavljene bodo metode za pripravo senzorjev na osnovi nanomaterialov. Med njimi bo izpostavljena študija o plazmonski detekciji DNK v okviru sodelovanja IJS odseka F6 z izraelsko ekipo Univerze Ben-Gurion in z Univerzo v Ljubljani v projektu NATO in več ARRS projektih.
Oblikovanje naprednih plazmonskih čipov, ki temelji na zlatih nanodelcih, omogoča hitro zaznavo bakterijske DNK v nanogramskih količinah. Ta dosežek ima znatni potencial, saj je uporaben za hitro zaznavo nevarnih patogenov tako v zraku kot vodi in lahko izsledi DNK že v sledovih. Zaradi tega je ta tehnologija zelo zanimiva za uporabo v organizacijah za oskrbo in zaščito civilnega prebivalstva.
Površinsko izboljšana Ramanova spektroskopija (SERS) omogoča določanje vrste bakterij na podlagi njihovega genetskega zapisa v DNK. Učinkovito razlikovanje bakterijskega DNK je bilo doseženo z uporabo oblakov facetiranih nanodelcev zlata, sintetiziranih v enostopenjski plazemski redukciji iz hlapnih ionskih prekurzorjev z vsebnostjo zlata. Zaznavanje majhnih količin nanogramskih vzorcev s SERS je bilo možno zaradi visokega faktorja ojačenja (107) električnega polja v facetiranih in sklopljenih plazmoničnih delcih. Rezultati so bili potrjeni s teoretičnimi simulacijami, ki so pokazale, da se najmočnejša ojačitev električnega polja dogodi v nanometrskih vrzeli med zlatimi dimeri/verigami. Ti povečajo sipanje fotonov v molekularnih odtisih iz segmentov bakterijske DNK. Primarni Ramanovi načini zaznave, povezani z osnovnimi molekularnimi vibracijami baznih parov, so bili zato razpoznani in nato uporabljeni za oceno vsebnosti dušika. Genetska sestava (odstotki razmerij gvanin-citozin in adenin-timin) je bila potrjena in primerjana tudi s sekvenciranjem tretje generacije. Rezultati so tako potrdili uporabnost tehnike SERS za detekcijo bakterij in zanesljivost metode, ki omogoča izjemno hitro prepoznavanje patogenov, tako v vodi kot zraku.

Sistemi za pridobivanje podatkov in nadzor v eksperimentih jedrske fuzije / Data acquisition and control systems for nuclear fusion experiments (Predavanje bo potekalo v angleškem jeziku)

5. 3. 2024, ob 12:15, v 0.46/2 na FNM UM

Kratka predstavitev predavatelja

Evgenii Drapiko se je rodil še v času Sovjetske Zveze v tedanji republiki (danes državi) Kazahstan. Diplomiral je na Politehnični univerzi v Tomsku (TPU) v Rusiji na katedri za elektroniko in avtomatiko fizikalnih naprav. Doktoriral je iz eksperimentalne fizike z ožjega področja pridobivanja podatkov in razvoja sistema za krmiljenje tokamaka (KTM) na isti univerzi. Po doktoratu je postal docent in bil predavatelj pri predmetih Teorija informacij in Numerične simulacije v fiziki. Podoktorsko izobraževanje in delo je nadaljeval na največjem stelaratorskem fuzijskem reaktorju na svetu – Large Helical Device na Japonskem, kjer je razvijal diagnostične sisteme za stabilizacijo plazme. Kasneje je deloval kot razvijalec projekta ITER na področju kontrolnih in diagnostičnih sistemov pri ruski podenoti ITER. Od leta 2022 živi v Slovenskih Konjicah in dela za podjetje COSYLAB na razvoju sistemov za zmanjšanje motenj ter razvoju diagnostičnih sistemov za ITER in druge fuzijske projekte. V prostem času se ukvarja (sam pravi, da je že kar odvisnik) s športnim plezanjem, deskanjem na snegu in zelo rad posluša glasbo.

Povzetek

Predavatelj bo v predavanju na kratko odgovoril na naslednja vprašanja. Katere vrste fuzijskih reaktorjev poznamo in kakšne so njihove lastnosti? Kateri senzorji in aktuatorji se uporabljajo v fuzijskem reaktorju? Kaj se nahaja med temi senzorji in aktuatorji? Kateri sistemi za pridobivanje podatkov in nadzor so bistveni v tako velikem eksperimentu, kot je termonuklearni fuzijski reaktor.

V predavanju bo predavatelj predstavil sodobno področje merilnih in kontrolnih sistemov na področju magnetne fuzije. Gre za hiter, medsebojno povezan in porazdeljen sistem z več vhodi in izhodi (angl. multi-input, multi-output (MIMO) system). V fuzijskem reaktorju lahko merimo številne parametre plazme, ki se uporabljajo za njen nadzor v realnem času, načrtujemo zaščito strojne opreme reaktorja in študiramo fiziko plazme. Diagnostika fuzijske plazme je dejansko področje eksperimentalne fizike. Izraz diagnostika se je pojavil pred približno pol stoletja v zahtevnih časih prvih korakov zgodnjih fuzijskih reaktorjev. Plazma se namreč obnaša kot »bolnik, ki lahko hitro umre«. Nihče ne ve, zakaj. »Zdravniki« (običajno doktorji znanosti s področja fizike) pa poskušajo ugotoviti vzroke in jo »ohranjati pri življenju«.

Tekoči kristali kot poligon fundamentalne fizike

9. 1. 2024, ob 12:15, v 0.46/2 na FNM UM

Kratka predstavitev predavatelja

Prof. dr. Samo Kralj je zaposlen kot redni profesor na FNM UM in kot raziskovalni svetnik na Institutu Jožef Stefan (IJS) v Ljubljani. Iz fizike je doktoriral (1991) na Univerzi v Ljubljani, podoktorsko se je izobraževal na Univerzi v Southmaptonu v Angliji (1992) in leta 2013 je bil v zimskem semestru vabljeni raziskovalec na Univerzi Cambridge. Je izjemno aktiven tako na področju izobraževanja, raziskav in popularizacije fizike. Je dobitnik številnih nagrad na univerzitetnem in tudi državnem nivoju. Do sedaj je s sodelavci objavil nad 200 odmevnih (okoli 5000 citatov) člankov v priznanih mednarodnih revijah, vodil je številne mednarodne konference in projekte. Deluje izjemno povezovalno in ima skupne članke s skoraj vsemi člani Oddelka za fiziko. Bil je mentor-komentor 18-tim doktorandom. Aktivno sodeluje s številnimi prestižnimi raziskovalnimi skupinami v tujini in tako mladim odpira vrata v mednarodni prostor (Francija: Paris, Angers; Anglija: Bath, London; Poljska: Varšava, Krakov; Grčija: Atene; Rusija: Moskva; Ukraina: Kijev; Italija: Pavia; Avstrija: Dunaj; Indija: Kottayam; ZDA: Cleveland). Igra tudi klavir v skupini Big Bang Band PhD in v začetku kariere je bil karikaturist v številnih slovenskih časopisih.

Povzetek

Tekoči kristali (TK) predstavljajo vmesno stanje med tekočinami in kristali. Imajo številne izjemne lastnosti, zaradi katerih igrajo pomembno vlogo v raznovrstnih tehnoloških (npr. ekrani računalnikov) in »naravnih« (npr. biološke membrane) aplikacijah. Poleg tega lahko v njih zaradi bogastva raznovrstnih struktur preučujemo praktično vse fizikalne pojave, ki so običajno v TK relativno enostavno eksperimentalno dostopni. V predavanju bom predstavil naše teoretične in eksperimentalne raziskave, v katerih preučujemo dogodke v zgodnjem vesolju po velikem poku in strukturo osnovnih delcev. Naše raziskave med drugim pojasnjujejo možne mehanizme obstoja »virtualnih delcev«, »temne snovi« in tudi »temne energije«.

Modeliranje mitohodrijske (dis)funkcije v celicah alfa in beta trebušne slinavke

5. 12. 2023, ob 12:15, v 0.46/2 na FNM UM

Kratka predstavitev predavatelja

Marko Marhl je profesor za fiziko na Univerzi v Mariboru. Predava na FNM, PEF in MF Univerze v Mariboru. Je aktivni raziskovalec na področju biofizike s poudarkom na preučevanju presnovnih in signalnih poti v celicah. V zadnjem času se aktivno ukvarja s preučevanjem in matematičnim modeliranjem procesov v celicah alfa in beta trebušne slinavke. Te celice izločajo hormona glukagon in insulin, ki ključno vplivata na regulacijo glukoze in drugih metabolitov v našem telesu.
Njegov raziskovalni opus obsega več kot 100 znanstvenih člankov, več poglavij v znanstvenih monografijah, strokovnih in poljudnih člankov ter predavanj in intervjujev. Sodeluje z več institucijami doma in v tujini. Svetovno odmevnost njegovih raziskav odražajo številni citati, ki jih je po podatkih Google Scholar več kot 4.600 in H-indeks 35.
Na področju pedagoškega dela je aktiven na treh fakultetah (FNM, PEF in MF) in je nosilec več predmetov na različnih stopnjah študija ter je bil mentor pri diplomskih in magistrskih delih ter 5 doktorskih delih. Za svoje uspešno pedagoško delo je na MF UM prejel Priznanje prof. dr. Zore Janžekovič.
Poleg raziskovalnega in pedagoškega dela opravlja več upravnih funkcij, med drugim je bil prorektor UM, dekan PEF UM, večkratni prodekan PEF UM in trenutno Predstojnik Katedre za biofiziko na MF UM, je Predsednik Komisije za ocenjevanje kakovosti UM, član Habilitacijske komisije UM, član Strokovnega sveta Republike Slovenije za splošno izobraževanje na Ministrrstvu za vzgojo in izobraževanje, predsednik Komisije za učbenike Strokovnega sveta Republike Slovenije za splošno izobraževanje ter član Znanstvenoraziskovalnega sveta naravoslovno matematičnih ved Javne agencije za znanstvenoraziskovalno in inovacijsko dejavnost Republike Slovenije.

Povzetek

V predavanju bodo predstavljene osnove celičnih metabolnih in signalnih poti v celicah alfa in beta trebušne slinavke. To so celice, ki izločajo pomembne hormone za uravnavanje glukoze in drugih metabolitov, kot so maščobe in beljakovine, v našem telesu. Številne bolezni, še posebej metabolni sindrom in sladkorna bolezen (tipa 2), so povezane z motnjami v delovanju celic alfa in beta trebušne slinavke. Osredotočili se bomo na pomen posebnih znotrajceličnih struktur, t.i. organelov z imenom »mitohondriji«. Številni jih poznajo kot »celične elektrarne« za proizvodnjo energije v obliki ATP. Poleg njihove energijske vloge, bomo izpostavili najnovejše trende vse večjega prepoznavanja njihove vloge pri produkciji metabolitov, ki so pomembni za izgradnjo maščobnih in beljakovinskih gradnikov našega telesa. Kako vse to vpliva na delovanje našega telesa, na naše zdravje, in kako se motnje v delovanju mitohondrijev (mitohondrijska disfunkcija) odražajo v deregulaciji izločanja hormonov glukagona in insulina, bomo predstavili v predavanju. Za fizikalno bolj zavzete, bomo predstavili tudi nekaj metod matematičnega modeliranja, s katerimi preučujemo omenjene celične mehanizme.

Visokoentropijske spojine

7. 11. 2023, ob 12:15, v 0.46/2 na FNM UM

Kratka predstavitev predavatelja

Prof. dr. Janez Dolinšek je doktoriral in fizike leta 1987 na Univerzi v Ljubljani, Fakulteti za matematiko in fiziko. Redni profesor za fiziko na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani je od leta 2005, kjer je tudi redno zaposlen. Dopolnilno je zaposlen kot raziskovalni svetnik na Institutu Jožef Stefan, Odsek za fiziko kondenzirane snovi, kjer je vodja raziskovalne skupine za eksperimentalno fiziko trdnih snovi. Njegova raziskovalna področja so fizika trdne snovi, znanost o materialih, fizikalne lastnosti snovi in jedrska magnetna resonanca. V njegovem laboratoriju opravljajo električne, magnetne in termične fizikalne meritve, v temperaturnem območju med 50 mK in 1000 K in v magnetnih poljih do 9 tesla. Je podpredsednik evropskega združenja za magnetne resonance Groupement AMPERE s sedežem v Zurichu in urednik revije Journal of Analytical Science and Technology (Daejeon, J. Koreja). Njegov znanstveni opus obsega 301 objavljen originalni znanstveni članek (v obdobju 1983 – 2023), tri samostojna poglavja v znanstvenih monografijah, en patent (ZDA) in večje število vabljenih predavanj na mednarodnih konferencah ter tujih Univerzah in Institutih. Njegova dela so prejela preko 4000 čistih citatov. Prof. Dolinšek je prejemnik Zoisove nagrade RS 2010 za vrhunske dosežke v znanosti in Zoisovega priznanja RS 2001 za dosežke v znanosti.

Povzetek

V zadnjih dveh desetletjih so bile razvite konceptualno nove kovinske spojine (zlitine), sestavljene iz več večinskih kemijskih elementov v približno enakih molarnih deležih. Te zlitine so bile poimenovane visokoentropijske spojine (ang. High-Entropy Alloys – HEA). Velika mešalna entropija, ki je posledica slučajnega mešanja kemijskih elementov na kristalni mreži, stabilizira kemijsko neurejeno trdno raztopino s preprosto kristalno strukturo, kot sta npr. telesno centrirana kubična in ploskovno centrirana kubična mreža ter heksagonalni najgostejši sklad. Za strukturo HEA zlitin je značilna topološko urejena kristalna mreža z izjemno velikim kemijskim neredom zaradi naključne razporeditve atomov različnih kemijskih elementov na mrežnih mestih, zato lahko HEA spojino smatramo kot “kovinsko steklo na kristalni mreži”. Veliko entropijo mešanja dosežemo v spojinah sestavljenih iz petih ali več (vse do 20) kemijskih elementov v primerljivih koncentracijah, hkrati pa noben element ne sme preseči koncentracije 50 %. Primeri HEA zlitin so sistemi Al-Si-Co-Cr-Cu-Fe-Mn-Ni-Ti, Ta-Nb-Hf-Zr-Ti in Y-Gd-Tb-Ho-Dy-Er-Tm-Lu. Število različnih možnih HEA spojin je praktično neomejeno. HEA spojine imajo včasih nanokompozitno kemijsko strukturo. Kažejo izjemne fizikalno-mehanske lastnosti, kot so superprevodnost, velika trdota, dobra vlečnost, odpornost na visoke temperature, magnetna »mehkost« in »supertihost« v izmeničnih elektromagnetnih aplikacijah (npr. neslišni transformatorji in magnetokalorični hladilniki).

Razvoj elektronike z uporabo računalniških simulacij

03. 10. 2023, ob 12:15, v 0.46/2 na FNM UM

Kratka predstavitev predavatelja

Vito Šimonka je zaposlen kot razvojni inženir TCAD (Technology Computer Aided Design) pri podjetju Silvaco, ki že 30 let deluje na področju razvoja elektronike, od rešitev za TCAD do dizajna printanih vezij. Programsko orodje, ki ga razvija Silvaco, je vodilno na trgo predvsem na področju razvoja tehnologije zaslonov (kot so OLED, AMOLED, MicroLED, LCD, itd.) in naprav za napajanje (pretvorniki, polnilne postaje, komponente električnih avtomobilov, itd.).

Vito je v sklopu velikega nabora programske opreme, ki ga ponuja Silvaco, predvsem fokusiran v razvoj aplikacij na področju TCAD. Pri svojem delu je zadolžen za vzdrževanje in nadgradnjo modulov ter programskih knjižnic, ki omogočajo natančne izračune difuzije in oksidacije elementov (oksid, bor, fosfor, itd.) v polprevodnikih (silicij, silicijev dioksid, silicijev karbid, galijev nitrid, itd.). Njegovo delo zajema modeliranje kemijskih reakcij takšnih procesov (dopiranje, implantacija, oksidacija) ter izboljševanje numeričnih metod za bolj natančne in hitrejše izračune.

Industrija polprevodnikov (oz. mikroelektronike) se zelo hitro širi, spreminja in izboljšuje, zato je ključnega pomena da razvoj programske opreme sledi raziskovalnemu delu in k njemu tudi pripomore. To pomeni, da je Vito in njegovi sodelavci v stalnem kontaktu z raziskovalnim delom ter sodelujejo na raznih projektih z univerzami (npr. TU Wien) in raziskovalnimi inštituti (npr. ETH Zurich) ter neprestano iščejo priložnosti za nova sodelovanja.

Povzetek

Elektronika, t.j., printana vezja, mirkočipi, LED luči, monitorji, solarne celice, računalniške, avtomobilske komponente, telefoni in vse ostalo kar deluje na elektriko, je bila prej ali slej tematika razvoja, izdelave, nadgradnje ali optimizacije. Poleg tega da napravo lahko izdelamo-poizkusimo-popravimo, je boljša, cenejša in hitrejša alternativa računalniška simulacija, modeli, izračuni, projekcije napovedi lastnosti, dizajn končnega produkta, izboljšave v izdelavi, itd. Pri vsem tem, na primer da izboljšamo hitrost procesorja, zmanjšamo izgube pri AC-DC, povečamo kapaciteto baterij, omogočimo cenejšo proizvodnjo, itd. je ključnega pomena dobro poznavanje fizike in vseh procesov, ki potekajo znotraj samih naprav in pri izdelavi naprav. Takšne procese s prostim očesom ne vidimo, jih pa lahko izračunamo in napovemo, v kolikor združimo osnovne fizikalne procese v kompakten model, ki ga s pomočjo numeričnih metod in programiranja lahko hitro rešimo. Ker so ti procesi mikroskopski (oz. mogoče bolje rečeno nano-skopsi) je velikokrat takšno računalniško modeliranje in dizajniranje naprav edina rešitev.

Na predavanju bomo predstavili osnove elektrotehnike, logiko naprav, kako mikročipe izdelamo (litografija) in pokazali primere optimizacije tranzistorjev, ki so ključnega pomena za nadaljnji razvoj produktov vodilnih firm kot so Apple, Samsung, Toshiba, Tesla, Mitsubishi, Texas Instruments, itd.

Termodinamika neravnovesnih stacionarnih stanj encimskih reakcij kot teoretični model za študij evolucije kinetičnih lastnosti encimov

torek, 23.5.2023, ob 12:15, v 0.46/2 na FNM UM

Kratka predstavitev predavatelja

Doc. dr. Andrej Dobovišek je član Oddelka za Fiziko FNM UM in Katedre za Biofiziko na MF UM. Dopolnilno je zaposlen na inštitutu za fiziko UM, kjer raziskuje v okviru programske skupine Biofizika polimerov, membran, gelov, koloidov in celic.

Raziskovalno deluje na področju teoretične biofizike. Z metodami matematičnega modeliranja in koncepti neravnovesne termodinamike preučuje lastnosti encimskih reakcij v neravnovesnih stacionarnih stanjih odprtih reakcijskih sistemov.

Je soavtor 16 izvirnih znanstvenih člankov objavljenih v kvalitetnih mednarodnih znanstvenih revijah, dveh poglavij v znanstvenih monografijah, ki sta izšli pri založbah Springer Complexity in Nova Science Publishers ter krajše znanstvene polemike.

Njegovi članki so citirani približno 100 krat. Redno se udeležuje domačih in mednarodnih biofizikalnih konferenc, kjer uspešno predstavlja svoje raziskovalno delo. Kot recenzent znanstvenih člankov sodeluje s priznanimi mednarodnimi znanstvenimi revijami.

Je izjemno aktiven pedagog. Vodi teoretične in eksperimentalne vaje pri številnih predmetih kot so: mehanika, termodinamika, fizikalni eksperimenti 1, biofizika … in predavanja pri predmetu statistična termodinamika. Je avtor dveh recenziranih univerzitetnih učbenikov, ki sta izšla pri založbi Univerze v Mariboru. Je mentor in so-mentor pri številnih študentskih zaključnih delih 1. in 2. stopnje.

Je član Društva biofizikov Slovenije.

Prejemnik nagrade Andreja Perlacha za najboljše diplomsko delo s področja matematičnih in naravoslovnih znanosti na Univerzi v Mariboru leta 2005.

Povzetek

Biokemijske reakcije v bioloških celicah so sistemi, ki z okolico stalno izmenjujejo snov in energijo. Gre za odprte reakcijske sisteme, ki so (praviloma) močno izmaknjeni iz termodinamskega ravnovesja. Številne biokemijske reakcije v celici regulirajo encimi – biološke makromolekule, ki v kompleksno prepletenih reakcijskih poteh v celicah (ti. celičnem metabolizmu) regulirajo hitrosti reakcij.

V najpreprostejšem biološko še smiselnem primeru, mora encimska reakcija potekati vsaj stacionarnem stanju. V takšnem primeru je v reakcijskem sistemu prisotna stalna termodinamska sila, ki poganja stalen termodinamski tok, kar pa vodi do stalne disipacije proste energije oz. produkcije entropije. Že ta preprost razmislek nam daje slutiti, da bomo pri termodinamski analizi encimskih reakcij postavljenih v kontekst žive biološke celice raziskovali neravnovesna termodinamska stanja. Namesto ravnovesne termodinamike, bomo potrebovali ”novo” neravnovesno termodinamiko.

Teoretične in eksperimentalne študije neodvisnih raziskovalcev iz različnih področjih so pokazale, da je pri termodinamskih analizah odprtih neravnovesnih sistemov v fiziki, kemiji in biologiji osrednjega pomena termodinamski princip maksimalne produkcije entropije. V skladu s tem principom, odprt neravnovesni sistem po dovolj dolgem času spontano preide v neravnovesno stacionarno stanje z maksimalno produkcijo entropije. Takšno stanje sistema je statistično najbolj verjetno in hkrati okarakterizirano z maksimalno Shannonovo informacijsko entropijo. Princip maksimalne produkcije entropije je veljaven za procese, ki potekajo blizu ravnovesnega stanja, kjer sta termodinamska sila in tok linearno povezana. Za sisteme močno izmaknjene iz ravnovesja, pri katerih je termodinamski tok nelinearno odvisen od sile je princip maksimalne produkcije entropije raziskovalna hipoteza oz. domneva. Tipičen primer takšnih sistemov so encimske reakcije.

V predavanju se bom osredotočil na analizo encimskih reakcij s principom maksimalne produkcije entropije. Predstavil bom osnovni termodinamski model, iz katerega izpeljemo produkcijo entropije in Shannonovo informacijsko entropijo kot funkciji kinetičnih parametrov reakcije. Razpravljal bom o pogojih, pod katerimi ima produkcija entropije v encimski reakciji dobro definiran maksimum v odvisnosti od izbranih parametrov reakcije in komentiral lastnostih statistično najverjetnejšega stacionarnega stanja. Na primeru dveh encimskih reakcij bom pokazal, kako je možno princip maksimalne produkcije entropije eksperimentalno preveriti. Pokazal, bom da so teoretične napovedi principa maksimalne produkcije entropije skladne z rezultati nekaterih študij iz področja evolucije encimske kinetike.

Elektrokalorični pojav v tekočih kristalih

torek, 4.4.2023, ob 12:15, v 0.46/2 na FNM UM

Kratka predstavitev predavateljice

Eva Klemenčič raziskuje na področju fizike mehke snovi, kjer se osredotoča predvsem na modeliranje tekočih kristalov v bližini faznih prehodov. Njen raziskovalni opus obsega okoli 10 znanstvenih člankov, 6 znanstvenih poglavij in več prispevkov na znanstvenih konferencah. Kot doktorska študentka Fakultete za naravoslovje in matematiko je prejela štipendijo Francoskega inštituta v Sloveniji za enomesečni raziskovalni obisk Inštituta za nanoznanosti v Parizu. Trenutno je vključena v raziskovalni program Računsko intenzivni kompleksni sistemi in raziskovalni projekt Fazni prehodi proti koordinaciji v večplastnih omrežjih.

Pedagoško delo opravlja na Fakulteti za naravoslovje in matematiko in na Fakulteti za energetiko Univerze v Mariboru, kjer sodeluje na študijskih programih Fizika, Predmetni učitelj in Energetika. Sodelovala je pri raziskovalno-razvojnih projektih INOVUP, NA-MA POTI in PODVIG, ki so povezani z didaktiko naravoslovja in didaktiko fizike ter izobraževanjem bodočih učiteljev. Trenutno vodi projekt Naravoslovno-matematične vsebine pri razvoju digitalnih kompetenc, ki povezuje raziskovalce Fakultete za naravoslovje in matematiko in Fakultete za gradbeništvo, prometno inženirstvo in arhitekturo Univerze v Mariboru.

Povzetek

Elektrokalorični pojav je odziv sistema na adiabatno spreminjanje zunanjega električnega polja, ki ga zaznamo kot temperaturno spremembo. Zunanje električno polje vodi v zmanjšanje orientacijske entropije sistema, posledično pa se poveča termična entropija. Osredotočimo se na elektrokalorični odziv v termotropnih tekočih kristalih. Pri teoretičnem pristopu uporabimo Landau-de Gennes – Ginzburgov model in pokažemo, pod katerimi pogoji pričakujemo velik elektrokalorični odziv sistema. Z analitično obravnavo in numeričnim modeliranjem pokažemo, da je v primeru direktnega faznega prehoda iz izotropne v smektično fazo elektrokalorični odziv sistema ojačan kot posledica dodatnega prispevka k spremembi orientacijske entropije sistema. Teoretične ugotovitve tudi podpremo z meritvami elektrokaloričnega odziva na tekočih kristalih 8CB in 12CB, ki jih je izvedla eksperimentalna skupina na Inštitutu Jožef Stefan. Na koncu predstavimo možne aplikacije, kot na primer aplikacija elektrokaloričnega pojava za razvoj okolju prijaznejših naprav za ogrevanje in hlajenje, kjer tekoči kristali delujejo kot aktivni regenerator.

Mikrofluidne platforme za raziskave neravnovesnih stanj v tekočih kristalih

torek, 7.3.2023, ob 12:15, v 0.46/2 na FNM UM

Kratka predstavitev predavatelja

Uroš Tkalec je mednarodno uveljavljeni raziskovalec na področju tekočih kristalov in fizike mehke snovi, ki je že 12 let zaposlen kot asistent z doktoratom na Fakulteti za naravoslovje in matematiko. Vodi laboratorij za mikrofluidiko kompleksnih tekočin in dva doktorska študenta fizike. Njegov raziskovalni opus obsega okoli 25 znanstvenih člankov, polovica jih je objavljena v revijah s faktorjem vpliva nad 7, in med njimi velja izpostaviti prispevke v najuglednejših multidisciplinarnih revijah kot so Science, Science Advances in PNAS. Odmevnost njegovega dela dokazuje mednarodna nagrada za doktorsko delo Glenn Brown Prize, več kot 2000 citatov in vabljena predavanja na univerzah v tujini, med drugim na Harvardu, Univerzi v Čikagu, Univerzi Pensilvanije in na ESPCI Paris. Trenutno sodeluje s skupinami na Univerzi v Ljubljani, Univerzi v Čikagu, državni univerzi Ohio in s korejskem inštitutom KAIST.
Dr. Tkalec se v zadnjem obdobju ukvarja z eksperimentalno mikrofluidiko tekočih kristalov, o čemer je s sodelavci poročal v reviji Nature Communications. Ta objava je bil leta 2020 izbrana med 10 najodličnejših raziskovalnih dosežkov Univerze v Ljubljani, leto pozneje pa je sledila še Blinčeva nagrada za vrhunske enkratne dosežke na področju fizike. Skupaj z ameriškimi raziskovalci je pomagal razviti spolzke tekočekristalne površine, raziskuje dinamiko kapljic na mikrostrukturiranih površinah, zanimajo pa ga tudi napredne optične metode za karakterizacijo tekočekristalnih emulzij brez označevanja.

Povzetek

Čeprav se hidrodinamika tekočih kristalov raziskuje že več kot pol stoletja, je šele razmah mikrofluidike, optične mikroskopije in naprednih numeričnih simulacij v prejšnjem desetletju omogočil natančen vpogled v kompleksno dinamiko teh anizotropnih tekočin. V seminarju bom predstavil raziskovalno delo, ki sta ga v laboratoriju opravila naša doktorska študenta ob pomoči kolegov na Univerzi v Ljubljani, Univerzi v Čikagu in državni univerzi Ohio. Pokazali smo, da lahko v toku nematskega tekočega kristala z lasersko svetlobo ustvarimo z defektno zanko ograjeno območje, znotraj katerega so molekule zasukane drugače kot v okoliški tekočini. Nastanek takih domen je podoben tvorjenju milnih mehurčkov, zato bom nekaj besed namenil tudi generiranju tekočekristalnih kapljic v vodi z uporabo kapilarne mikrofluidike. Zanimivo je opazovati tudi mikrolitrske kapljice vode na spolzkih tekočekristalnih površinah, kjer lahko s temperaturnim preklapljanjem mezofaz vplivamo na drsenje in prenos mikrodelcev med nemešljivima tekočinama. Nazadnje bom pokazal še nekaj primerov trkov kapljic vode na take površine in komentiral potencialno uporabnost teh vznemirljivih eksperimentov.

Živa tkiva kot kompleksne mreže: z interdisciplinarnimi pristopi do boljšega razumevanja bolezni sodobnega časa

torek, 10.1.2023, ob 12:15, v 0.46/2 na FNM UM

Kratka predstavitev predavatelja

Marko Gosak je mlajši in mednarodno uveljavljen raziskovalec, ki deluje na področjih teoretične biofizike, fizike kompleksnih sistemov ter računske biomedicine. Zaposlen je na Fakulteti za naravoslovje in matematiko UM in na Medicinski fakulteti UM. V svoji raziskovalni karieri je do sedaj objavil več kot 60 znanstvenih člankov, večina izmed njih je v zgornji polovici lestvice revij SCI, približno polovica pa je v zgornji četrtini. Pri tem je bil 22 krat v vlogi prvega avtorja in 13 krat v vlogi vodilnega (korespondečnega) avtorja. O pomembnosti njegovega raziskovalnega dela priča tudi veliko število citatov (več kot 1800) in h-indeks 22. Ima izgrajeno bogato mrežo znanstveno-raziskovalnega sodelovanja z zelo uglednimi inštitucijami iz tujine (Univerza v Oxfordu, Medicinska univerza na Dunaju, Karolinski inštitut, Univerza v Bordeauxu,…), na katerih je tudi že izvajal seminarje in predavanja.

Največjo prepoznavnost je Marko Gosak dosegel na področju uporabe metod znanosti o omrežjih za opis delovanja različnih bioloških sistemov, kar dokazujejo objave v vodilnih biofizikalnih revijah. Posebej pomemben je njegov doprinos k razumevanju vzorcev medcelične komunikacije v tkivih, kjer velja za enega izmed pionirjev, ki je v te namene uporabil koncepte s področja kompleksnih mrež. Leta 2021 je na to temo pridobil tudi triletni raziskovalni ARRS projekt, decembra 2022 pa je v sodelovanju z Centrom za diabetes v Alberti (Kanada) objavil članek v reviji Diabetes, ki jo izdaja Ameriško združenje za sladkorno bolezen in velja za eno izmed vodilnih revij na področju raziskav sladkorne bolezni. Na to raziskavo se bo Marko osredinil v tem seminarju.

Povzetek

Dekodiranje celičnih odzivov na spremembe v okolju je temeljnega pomena za razumevanje delovanja živih sistemov. Medtem ko se je v preteklosti večina študij osredotočala na izolirane celice ali populacijska povprečja, se področje preučevanja vse bolj preusmerja na omrežja celičnih populacij. To velja tudi za celice beta iz Langerhansovih otočkov trebušne slinavke. Le-te so ključne pri regulaciji sekrecije inzulina in drugih hormonov, ki skrbijo za metabolno ravnovesje organizma. Poznavanje, kako subpopulacije celic v otočkih med seboj komunicirajo in kako krojijo skupen odziv sistema na višjem nivoju organiziranosti, pa ni le izrednega pomena za razumevanje temeljnih organizacijskih principov v zdravih in diabetičnih otočkih, temveč predstavlja tudi osnovo za razvoj novih antidiabetikov in drugih farmakoloških substanc za preprečevanje in zdravljenje sladkorne bolezni.

Napredek na področju eksperimentalnih metod, ki smo mu priča v tem tisočletju, zlasti večceličnega snemanja v tkivih, omogoča, da lahko kolektivno celično aktivnost zaobjamemo z dovolj dobro resolucijo, ki omogoča vrednotenje medcelične komunikacije. Toda, podatki, ki nastanejo pri večcelični mikroskopiji z visokoločljivostnem zajemanjem so dokaj kompleksni in zahtevajo napredne komputacijske prijeme, ki pomagajo pri procesiranju in interpretaciji podatkov večcelične narave. V seminarju bom predstavil, kako smo se teh izzivov lotili z interdisciplinarnimi pristopi, ki temeljijo na sodobni teoriji kompleksnih omrežij. V prvem delu bom na kratko predstavil biološko ozadje naših raziskav ter opisal metodološke pristope. V nadaljevanju bom predstavil naše ključne ugotovitve s poudarkom na razlikah v vzorcih medcelične komunikacije, ki jih opazimo v otočkih diabetičnih donorjev. Na koncu bom izpostavil še delo na drugih večceličnih sistemih, razvoj novih metodoloških prijemov ter nakazal, kakšni izzivi nas čakajo še v prihodnje.

Od energije prepovedanega pasu nanocevk do prve tehnologije napovedovanja bolezni na živih čipih

torek, 6.12.2022, ob 12:15, v 0.46/2 na FNM UM

Kratka predstavitev predavatelja

Janez je že vrsto let raziskovalec v Laboratoriju za biofiziko Odseka za fiziko trdne snovi na Institutu Jožef Stefan. Je tudi predavatelj na FNM UM ter FFA UL.

Že vrsto let je tudi vodja programske skupine Ekseprimentalna biofizika kompleksnih sistemov.

Njegov raziskovalni opus je impresiven, obsega 80 izvirnih znanstvenih člankov v revijah s faktorjem vpliva, od tega kar nekaj v najbolj prestižnih svetovnih revijah. Bil je vodja številnih nacionalnih in mednarodnih projektov, njegovo delo je citirano več kot 1600-krat. Kot gostujoči profesor je gostoval na številnih univerzah po Evropi, v glavnem na Nizozemskem, v Franciji, Italiji in Avstriji. V zadnjih 15 letih, od kar je tudi aktivno udeležen pri pedagoškem delu, je bil mentor ali somentor kar 14 mladim doktorandom.

Pred tremi leti je na podlagi raziskovalnih prebojev na področju razumevanja proženja dolgoročnih zdravstvenih tveganj povezanih z materiali soustanovil odcepljeno visokotehnološko podjetje Infinite d.o.o., v katerem danes vodi 10 zaposlenih. Danes je podjetje prvo na svetu s tovrstno tehnologijo.

O poti, ki je vodila iz osnovnih raziskav do prve tehnologije napovedovanja počasi razvijajočih se bolezni, bo danes govoril v okviru seminarja FizikUM-u:
Od energije prepovedanega pasu nanocevk do prve tehnologije napovedovanja bolezni na živih čipih. Publika je vabljena k razpravi in postavljanju vprašanj po zaključeni predstavitvi.

Povzetek

Ljudje se velikokrat sprašujejo, kako se zgodijo preboji v raziskovalnih področjih ali kako nastanejo povsem nove tehnologije. V predavanju bom predstavil zgodbo, ki je preko številnih naključnih dogodkov vodila do razvoja danes v svetu edinstvene tehnologije napovedovanja bolezni, ki se razvijajo počasi.

Začel bom z zgodnjimi raziskavami nanomaterialov na Odseku za fiziko trdne snovi, ki so pred 20 leti skupaj z mojimi predhodnimi izkušnjami s kisikovimi radikali vodile v naše prve raziskave protimikrobnih površin na osnovi nanomaterialov. Po nekaj letih, ko se je znanje razvilo v tehnologijo, nas je trg prisilil, da smo zagrizli tudi v odkrivanje mehanizmov protimikrobnega delovanja, to pa v vprašanje, kaj taki nanomateriali povzročijo v naših celicah. Vse skupaj bi tam obstalo, če ne bi naša skupina vzporedno razvijala tudi fluorescenčne mikrospektroskopije. Ta nam je namreč omogočila, da smo preko spektralnega podpisa sledili nanomaterialom pod uklonsko limito, ne da bi jih dejansko geometrijsko razločili. Kot fiziki smo sistem ustrezno poenostavili in presenetljivo odkrili razpad biološke membrane, ki ga vodijo interakcije med gradniki membran in površino nanomaterialov. Povsem po naključju smo svoje odkritje delili s skupino teoretičnih fizikov, ki so ravno pripravljali evropski konzorcij za nov večji EU projekt, v katerem smo kasneje odigrali ključno vlogo mostu med teoretično fiziko in eksperimentalno toksikologijo. Pritiske toksikologov, da so naši rezultati daleč od relevantnih, smo spremenili v izziv, razložiti nerazumljene procese proženja dolgotrajnih bolezni z opazovanjem zgodnjih molekularnih dogodkov. S povezovanjem številnih raziskovalnih tematik najprej znotraj skupine, nato v konzorciju in končno tudi bistveno širše smo svoja odkritja lahko osmislili in postavili v kontekst histoloških in epidemioloških opazovanj ter končno prišli do modela z edinstveno močjo napovedi razvoja dolgotrajnih bolezni. Opogumljeni z neskončnimi problemi obstoječega trga živalskih testiranj smo prepoznali poslovno priložnost in pridobili večjo investicijo rizičnega kapitala ter v manj kot enem letu razvili tehnologijo preslikave avtomatiziranih mikroskopskih analiz v kompleksen matematičen model, ki je omogočil robustno mehanistično analizo in napoved proženja dolgotrajnih bolezni brez predhodnega poznavanja molekularnih mehanizmov, s čimer smo si odprli vstop na trge testiranja varnosti kemikalij in materialov.

Razkrivanje struktur kompleksnih tekočekristalnih faz z resonančno rentgensko spektroskopijo

Torek, 8. 11. 2022 v laboratoriju 0/46.2 ob 12:15
Predavanje vključno z razpravo bo trajalo 45 minut.

Povzetek

Kombinacija eksperimenta in teoretičnega modeliranja je ključna pri določevanju ureditve molekul v tekočekristalnih fazah. Simetrijo tekočekristalnih faz razberemo iz rentgenskih spektrov, kjer je lega interferenčnih vrhov odvisna od tega, kako se v preiskovani snovi s krajem spreminja elektronska gostota. Vendar se v številnih fazah elektronska gostota s krajem ne spreminja, čeprav so v njih molekule urejene. Možne pa so tudi različne ureditve molekul, za katere je krajevno spreminjanje elektronske gostote enako. Simetrijo tekočekristalnih faz in hkrati prostorsko ureditev molekul lahko ugotovimo z resonančno rentgensko spektroskopijo. Polarizabilnost izbranega elementa v molekuli (npr. ogljika) namreč postane anizotropna, če je energija rentgenskih žarkov blizu absorpcijskega roba elementa, zato je resonančna rentgenska spektroskopija občutljiva tudi na smeri kemijskih vezi. Na predavanju bom predstavila raziskovalno delo, ki je bilo izvedeno v sodelovanju z raziskovalci iz Univerze v Varšavi, Univerze v Aberdeenu in nacionalnega laboratorija Lawrence Berkeley in s katerim smo odkrili in opisali večnivojske vijačne strukture v smektičnih fazah iz ukrivljenih molekul, na tej osnovi napovedali in nato tudi eksperimentalno odkrili akiralne faze s fotonsko režo, razkrili smo ureditev molekul v kubični fazi z dvojno žiroidno strukturo in napovedali intenziteto sipalnih vrhov za različne modele kiralne kubične faze.