Aktuella examensarbeten inom WISE

Projekt 1: Omvänd design av organiska energimaterial med generativ AI och atomistisk simulering

Organiska material erbjuder ett enormt kemiskt designutrymme för tillämpningar inom energiomvandling och energilagring, exempelvis organiska solceller, fotokatalys och batterielektroder. Att identifiera molekyler med specifika önskade egenskaper är dock en stor utmaning eftersom antalet möjliga molekylstrukturer är enormt och traditionella metoder som bygger på försök och misstag är ineffektiva. Detta projekt kommer att undersöka användningen av generativ artificiell intelligens för omvänd design av organiska energimaterial, där önskade materialegenskaper definieras först och kandidatmolekyler därefter genereras beräkningsmässigt.

Projektet kombinerar generativa AI-modeller med atomistisk modellering och simulering för att skapa och utvärdera nya molekylära kandidater. Beroende på vald tillämpning kan målegenskaper omfatta redoxpotential, optisk absorption, exciterade tillstånds energier, laddningsöverföringsegenskaper, molekylär stabilitet eller jonbindningsförmåga. De genererade molekylerna kommer att granskas med hjälp av beräkningsfysikaliska metoder såsom täthetsfunktionalteori (DFT) och, där det är relevant, molekyldynamiska simuleringar. Resultaten används för att bedöma de AI-genererade molekylernas fysikaliska rimlighet och prestanda, och kan även återföras till den generativa processen för att förbättra framtida molekyldesign.

Projektet ger praktisk erfarenhet i gränslandet mellan artificiell intelligens, beräkningsbaserad materialvetenskap och molekylära energimaterial. Det övergripande målet är att undersöka hur generativ AI kan påskynda upptäckten av organiska material med fördefinierade funktionella egenskaper och att utveckla ett beräkningsbaserat arbetsflöde för AI-stödd omvänd materialdesign.

Handledare: Moyses Araujo, moyses.araujo@kau.se 

Projekt 2: Morfologins påverkan på fotostabiliteten hos organiska solcellsmaterial

Organiska solceller (OPV) kombinerar lätta och lösningsprocessbara material med möjligheten till energieffektiv tillverkning. Även om verkningsgraden har ökat snabbt kvarstår den långsiktiga stabiliteten som en av de största utmaningarna för en hållbar användning. Morfologin i det fotoaktiva lagret är central för enhetens prestanda och kan även påverka den fotokemiska stabiliteten genom att styra molekylpackning, fasseparation, gränsytor samt interaktioner med syre och fukt.

Detta projekt ska undersöka hur kontrollerade förändringar i det aktiva lagrets morfologi påverkar fotostabiliteten hos högpresterande OPV-material. PM6:Y6 och PM6:PYIT föreslås som modellsystem. Dessa möjliggör en jämförelse mellan ett etablerat system med en icke-fullerenmolekylär acceptor och ett närbesläktat system med polymeracceptor. Morfologin kommer att modifieras genom processtillsatser eller gränsyteteknik med självorganiserande monoskikt (SAM). Vilken metod som används som huvudspår avgörs i början av projektet utifrån vetenskaplig relevans och studentens utveckling.

Forskningsfrågor

• Hur påverkar kontrollerade förändringar av morfologin fotostabiliteten hos det aktiva lagret?
• Reagerar PM6:Y6 och PM6:PYIT olika på morfologi- och gränsyteteknik?
• Kan samband identifieras mellan ursprunglig filmmorfologi, morfologiska förändringar under åldring samt optisk och kemisk nedbrytning?

Experimentell metod

Studenten kommer att framställa lösningar och spinnbelagda tunnfilmer av rena material och utvalda donor-acceptorblandningar. Morfologin modifieras med hjälp av processadditiv eller genom att förändra den underliggande ITO-ytan med SAM-skikt. Atomkraftsmikroskopi (AFM) används för att karakterisera ytmorfologi, ytjämnhet och domänstrukturer.

Filmerna utsätts sedan för kontrollerad fotoåldring under en solsimulator i omgivningsatmosfär. UV-Vis-absorptionsspektroskopi och FTIR-spektroskopi används vid olika exponeringstider för att följa elektroniska och kemiska förändringar samt studera nedbrytningskinetik.

Omfattning och forskningsmiljö

Projektet är utformat för att vara experimentellt genomförbart samtidigt som det erbjuder betydande vetenskapligt djup. UV-Vis, FTIR och AFM utgör de huvudsakliga karakteriseringsmetoderna. Beroende på projektets utveckling kan även röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) och ultraviolett fotoelektronspektroskopi (UPS) användas.

Studenten kommer att integreras i forskargruppens arbete kring organiska solcellsgränsytor och självorganiserande monoskikt. Projektet ger praktisk erfarenhet av hela den experimentella processen, från lösningsberedning och tunnfilmsframställning till ytanalys, accelererat åldrande, spektroskopi, kvantitativ analys och vetenskaplig tolkning.

Genom att identifiera process- eller gränsytestrategier som förbättrar fotostabiliteten behandlar projektet en central hållbarhetsutmaning: att förlänga livslängden hos nya solcellsmaterial och minska materialförbrukning och behov av utbyte.

Handledare: Cleber Marchiori, Cleber.Marchiori@kau.se 

Projekt 3: Modellering och simulering av polymer-polymer-lösningsmedelsinteraktioner – tillämpning på organiska solceller

Organiska solceller (OSC) är system där självorganisering genom molekylära interaktioner skapar funktionella material baserade på ledande polymerer. Att förstå de flerskaliga strukturer (morfologier) som bildas under lösningsmedelsavdunstningen är avgörande för att uppnå önskad materialprestanda. Men kan dessa strukturer förutsägas i förväg? Om så är fallet kan man snabbt och noggrant beräkna laddningstransporten utan kostsamma laboratorieexperiment.

Projektet syftar till att digitalt utvärdera morfologiers effektivitet utan tidskrävande experiment.

Forskningsfråga

Projektet kommer att studera numeriska modeller för hur morfologier bildas genom interaktioner mellan två typer av polymerer och ett lösningsmedel. Fokus ligger på det förenklade fallet där lösningsmedelsavdunstning inte beaktas.

Mål

(O1) Använda molekyldynamiska simuleringar i GROMACS för att beräkna interaktionsparametrar som behövs i en Flory-Huggins-baserad fri energifunktion.

(O2) Använda finita differenser, finita volymer eller finita element för att numeriskt lösa fasfältekvationer som beskriver blandningens tidsutveckling och identifiera parameterområden som ger stabila morfologier.

Metodik och förväntade resultat

Forskargruppen har expertis inom både GROMACS och numerisk lösning av fasfältsmodeller. Studenten får därför snabb introduktion till relevanta verktyg och metoder.

Projektet kommer att generera numeriska simuleringar och visualiseringar av morfologier i två dimensioner, inklusive fysikalisk tolkning av resultaten. Möjligheter finns också att jämföra simuleringarna med laboratorieexperiment.

Tidsplan

Projektet genomförs under vårterminen 2027. Förberedelser i form av litteraturstudier och inledande implementationer sker under höstterminen 2026.

Handledare:

• Stela Andrea Muntean (fysik), andrea.muntean@kau.se 
• Adrian Muntean (tillämpad matematik), adrian.muntean@kau.se 

Projekt 4: Numerisk uppskattning av mekanisk självläkningsförmåga hos belitrika cementmaterial

Sprickbildning är en av de främsta orsakerna till försämrad hållbarhet i betongkonstruktioner. Sprickor skapar transportvägar för vatten och aggressiva kemikalier och kan avsevärt förkorta konstruktioners livslängd. Betong har dock en viss naturlig förmåga att självläka mindre sprickor, så kallad autogen självläkning.

Projektet syftar till att utveckla en uppskalad beräkningsmodell för autogen självläkning som explicit tar hänsyn till fortsatt hydratisering av belit (C₂S) och bildning av C-S-H-gel.

Forskningsfråga

Numeriska studier av karbonatiseringsmodeller för betong kopplade till modeller för cementhydratisering.

Mål

• Härleda en uppskalad skademodell av Kachanov-typ med hjälp av asymptotisk analys och homogenisering.
• Använda FreeFEM++, FEniCS eller liknande programvara för numerisk simulering av de kopplade mekaniska och kemiska processerna.

Förväntade resultat

Numeriska simuleringar av skador, koncentrationsprofiler och lokala spänningar i två eller tre dimensioner. Resultaten kommer att jämföras med laboratorieexperiment.

Tidsplan

Projektet genomförs under vårterminen 2027, med förberedande arbete under höstterminen 2026.

Handledare: Adrian Muntean, professor i tillämpad matematik, adrian.muntean@kau.se 

Projekt 5: Hållbar reparation och återtillverkning av slitna verktyg med trådbaserad bågadditiv tillverkning (WAAM)

Verktyg och formar inom tillverkningsindustrin utsätts ofta för lokalt slitage, materialförluster och ytskador vid exempelvis smidning, extrudering, presshärdning och högtrycksgjutning. Dessa skador leder ofta till att komponenter behöver bytas ut innan deras förväntade livslängd har uppnåtts.

WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) är en resurseffektiv tillverkningsmetod som kan användas både för nytillverkning och för reparation av skadade komponenter genom lager-på-lager-deponering av metalltråd.

Projektet ska undersöka hur effektivt WAAM kan användas för reparation och återtillverkning av verktygsstål som H13.

Arbetet omfattar:

• Ytpreparering, materialdeponering och efterbearbetning.
• Mikrostrukturanalys med optisk mikroskopi och svepelektronmikroskopi.
• Hårdhetsmätningar, dragprovning och slitagetester.
• Jämförelser mellan reparerade och ursprungliga material.
• Analys av hållbarhetsvinster som minskad materialåtgång, lägre energianvändning och förlängd livslängd.

Projektet visar hur WAAM kan bidra till en cirkulär och resurssnål tillverkning genom att reparera istället för att ersätta komponenter.

Handledare: Sokkalingam Rathinavelu, sokkalingam.rathinavelu@kau.se 

Projekt 6: Testning av polymerer under extrema miljöförhållanden

Brottmekanismer i polymerer påverkas av temperatur, töjningshastighet och spänningskoncentrationer. De flesta tillgängliga data kommer från enkla dragprov vid rumstemperatur och låga belastningshastigheter, medan kunskap om extrema temperaturer, komplexa belastningstillstånd och höga töjningshastigheter fortfarande är begränsad.

Projektet syftar till att genomföra experimentella studier av polymerers brottbeteende under extrema miljöförhållanden. En djupare förståelse av brottmekanismerna kan bidra till mer hållbara och robusta konstruktioner.

Handledare: Anton Tkachuk, Anton.Tkachuk@kau.se 

Projekt 7: NaOH-förbehandling av cellulosafibrer (sågspån) för bindemedelsfri sammanhållning i träpellets

Träpellets tillverkade av biomassa produceras vanligtvis av lignocellulosabaserade restprodukter, såsom sågspån, där tillräcklig bindning mellan partiklarna är avgörande för pelletsens mekaniska hållfasthet och stabilitet vid hantering.

I detta projekt kommer man att undersöka hur förbehandling av sågspån med natriumhydroxid (NaOH) påverkar den bindemedelsfria vidhäftningen mellan fibrerna vid pelletstillverkning. Studien kommer systematiskt att analysera hur olika förbehandlingsförhållanden och processparametrar vid pelletering påverkar de färdiga pelletarnas sammanhållningsegenskaper.

Den experimentella kvalitetsutvärderingen kan omfatta analyser av pelletstäthet och dess variation, mekanisk hållfasthet och hållbarhet samt hur pelletarna reagerar på fukt, kopplat till strukturella och/eller kemiska förändringar i de behandlade fibrerna.

Det övergripande målet är att identifiera förbehandlings- och processförhållanden som stärker den naturliga bindningen mellan fibrerna och förbättrar pelletskvaliteten utan att externa bindemedel behöver tillsättas.

Handledare: Magnus Lestelius, magnus.lestelius@kau.se 

Projekt 8: Hållbar stålproduktion – analys av skrottillgång, marknadsosäkerhet och logistiska utmaningar

Ökad användning av återvunnet stålskrot är en viktig väg mot mer hållbar stålproduktion, men innebär också ett ökat tryck på försörjningskedjorna för skrot.

Examensarbetet ska undersöka hur förändrade marknadsförutsättningar påverkar skrotförsörjningen, med särskilt fokus på Sverige och Europa.

Möjliga frågor:

• Kan framtida efterfrågan på skrot mötas med inhemska resurser?
• Kommer import från länder utanför Sverige eller EU att behövas?
• Hur påverkar prisutveckling och tillgång logistiska strategier?

Arbetet kombinerar marknadsanalys och försörjningskedjeanalys i samarbete med industripartners.

Målet är att identifiera risker, flaskhalsar och strategier för robust och hållbar logistik kring framtidens stålskrot.

Handledare: Per Wide, per.wide@kau.se 

Projekt 9: Skrotets ursprungs påverkan på defekter och mekaniska egenskaper i återvunnet stål

Ökad användning av återvunnet stål är avgörande för att minska stålindustrins miljöpåverkan, men kan samtidigt skapa kvalitetsutmaningar. Återvunnet stål kan uppvisa större variationer i kemisk sammansättning och föroreningsnivåer beroende på skrotets ursprung.

Projektet ska undersöka stål framställt från olika skrotströmmar för att identifiera typiska defekter och analysera om dessa kan kopplas till skrotets ursprung och sammansättning.

Metoder kan inkludera:

• Mikrostrukturanalys.
• Defektidentifiering.
• Kemisk analys.
• Mekanisk provning.

Målet är att öka förståelsen för hur skrotkvalitet påverkar stålets egenskaper och bidra till en mer tillförlitlig och hållbar användning av återvunnet material i framtidens stålproduktion.

Handledare: Abdulbaset Mussa, abdulbaset.mussa@kau.se