Doctoral Thesis

Organic Functional Materials with Controllable Optical Properties for Optoelectronics and Bioimaging: Structure–Property Relationships

Author of thesis: Ing. Rastislav Smolka

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Mgr. Martin Vala, Ph.D.

Reviewers: doc. Mgr. Petr Táborský, Ph.D., Prof. Petar Todorov, Ph.D.

Abstract:

This Ph.D. thesis investigates novel organic photoluminescent materials and examines how molecular structure, intermolecular interactions, and environmental factors influence their optical properties. The work focuses on π-conjugated systems with tuneable emission, excited-state switching, and solid‑state fluorescence, mainly on far-red (FR) and near-infrared (NIR) emitting materials relevant for optoelectronics and bioimaging applications. Conducted research explores how intramolecular rotation, hydrogen bonding, aggregation, protonation, metal coordination, and crystal packing influence radiative and non‑radiative processes. Several classes of organic fluorescent materials were investigated, such as stimuli-responsive hydroxyphtalimides, phthalimide boron difluoride Schiff base complexes, polycyclic hydroxybenzimidazoles, azo‑phthalimide photoswitches, and push-pull substituted stilbenes.
    The theoretical background is supported by experimental results obtained by steady‑state and time‑resolved emission spectroscopy, NMR spectroscopy, and dynamic light scattering measurements. The presented studies reveal control over excited-state intramolecular proton transfer (ESIPT) and aggregation-induced emission (AIE) processes through restriction of molecular motion, investigate solvatochromic and mechanochromic behaviour, and show how studied materials exhibit environmental sensitivity. Finally, the work investigates visible‑light‑responsive materials with enhanced Z‑isomer stability and explore colour‑tuneable solid‑state fluorescence in crystalline stilbenes in relation to crystal packing and exciton localization. The work also explores a host-guest strategy for preparing water‑dispersible binary‑dye nanoparticles with intense FR and NIR emission, efficient energy transfer, and fluorescence brightness suitable for bioimaging applications.
    The Selected publications chapter summarizes five peer‑reviewed publications and one manuscript, pointing out the author’s contribution to the development of functional organic luminophores. These publications are an integral part of the thesis and are included in the Appendix chapter. In summary, this thesis expands the understanding of photophysical mechanisms in organic conjugated systems and demonstrates design principles for creating colour‑tuneable and functional luminescent materials.

Keywords:

Organic dyes, fluorescence, phthalimide, stilbene, charge transfer, molecular rotation, solid-state emission, aggregation-induced emission (AIE), ESIPT (proton transfer), colour switching, host-guest systems, mechanochromism, solvatochromism

Date of defence

29.06.2026

Date of publish

28.06.2029

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Předseda komise představil doktoranda a předal mu slovo. Ing. Smolka absolvoval zahraniční stáž na univerzitě v Sofii. Zúčastnil se několika konferencí v České republice a v zahraničí. Je spoluautorem několika článků v impaktovaných časopisech, v jednom případě je uveden jako první autor. Obhajoba proběhla v angličtině. Jeden z oponentů prof. Todorov byl připojen online.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Physical Chemistry (DPCP_FCH_N)

Composition of Committee

prof. Ing. Jozef Krajčovič, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Martin Weiter, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Petr Dzik, Ph.D. (člen)
doc. RNDr. Tomáš Slanina, PhD (člen)
prof. Mgr. Dominik Heger, PhD. (člen)
doc. Mgr. Petr Táborský, Ph.D. (člen)
Prof. Petar Todorov, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
prof. Mgr. Martin Vala, Ph.D.

Ing. Rastislav Smolka nastoupil do doktorského studia po úspěšném absolvování bakalářského a navazujícího studia na Fakultě chemické VUT, kde realizoval obě závěrečné práce pod mým vedením. Již od počátku bylo zřejmé, že se jedná o talentovaného a pracovitého studenta s výbornými odbornými předpoklady pro vědeckou práci.

Téma jeho disertační práce se pohybuje na pomezí fyzikální chemie a materiálového výzkumu se zaměřením na studium optických vlastností pokročilých organických funkčních materiálů. Řešení práce vyžadovalo hluboké porozumění fotofyzikálním procesům, schopnost navrhovat vhodné experimenty pro studium optických vlastností těchto materiálů a kriticky interpretovat získaná data v kontextu současného poznání. Za zvláště důležité považuji, že se Ing. Smolka na řešení výzkumných úkolů nepodílel pouze jako vykonavatel experimentálních prací, ale významně přispíval k formulaci výzkumných otázek, návrhu experimentů, interpretaci získaných výsledků i hledání jejich širších souvislostí. Postupně se stal jedním z klíčových členů výzkumného týmu a jeho odborný úsudek představoval důležitý podklad pro další směřování společného výzkumu. Zejména jeho odbornost v oblasti fluorescenční spektroskopie byla pro naši práci velmi cenná.

Výsledky jeho výzkumu mají jednoznačný mezinárodní význam. Kvalitu a mezinárodní úroveň dosažených výsledků dokládají publikace v renomovaných impaktovaných časopisech. Tyto publikace potvrzují, že výsledky jeho práce představují hodnotný příspěvek k výzkumu organických optických materiálů.

Velmi pozitivně hodnotím také jeho zapojení do mezinárodní vědecké spolupráce. Absolvoval zahraniční výzkumnou stáž na University of Chemical Technology and Metallurgy v Sofii, kde navázal odbornou spolupráci se zahraničními partnery. Výsledkem této spolupráce jsou společné publikace i dlouhodobé odborné kontakty. Účastnil se rovněž domácích i mezinárodních odborných konferencí, na nichž prezentoval výsledky svého výzkumu.

Nedílnou součástí doktorského studia je také pedagogická činnost. Ing. Smolka se jí věnoval zodpovědně a svědomitě. Podílel se na vedení laboratorních cvičení a současně působil jako školitel specialista závěrečných prací.

Celkově lze říct, že Ing. Rastislav Smolka si během doktorského studia osvojil všechny kompetence nezbytné pro samostatnou vědeckou práci – od formulace výzkumných hypotéz přes návrh a realizaci experimentů až po analýzu získaných dat a publikaci výsledků v mezinárodních odborných časopisech. Současně se naučil efektivně spolupracovat v multidisciplinárním a mezinárodním výzkumném prostředí a převzít odpovědnost za řešení náročných odborných úkolů.

Po celou dobu studia vystupoval jako spolehlivý, zodpovědný a kolegiální člen výzkumného týmu. Aktivně se podílel na chodu laboratoře, ochotně pomáhal mladším kolegům a přispíval k vytváření tvůrčího pracovního prostředí.

Na základě uvedených skutečností mohu konstatovat, že Ing. Rastislav Smolka během doktorského studia splnil všechny požadavky kladené na absolventa doktorského studijního programu. Vyrostl ve zralého, samostatného a tvořivého vědeckého pracovníka, který je schopen formulovat a řešit náročné výzkumné úkoly na úrovni odpovídající současným mezinárodním standardům. Jsem přesvědčen, že jeho odborné znalosti, publikační výsledky, pedagogické zkušenosti i osobnostní předpoklady představují pevný základ pro další úspěšnou odbornou kariéru.

S plným přesvědčením doporučuji disertační práci Ing. Rastislava Smolky k obhajobě a po jejím úspěšném obhájení doporučuji udělit titul Ph.D.
File inserted by supervisor Size
Posudek vedoucího práce [.pdf] 69,65 kB

File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta 18,51 kB

Reviewer’s report
Prof. Petar Todorov, Ph.D.

File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 312,84 kB

Reasons for publication postponement

Publication of the final thesis has been postponed in compliance with the provisions of Section 47b (4) of Act No. 111/1998 Coll., on the Higher Education Institutions and on amendments and supplements to other acts, as amended.

The submitted dissertation thesis contains novel and significant findings in the given scientific field that have not yet been published. Their disclosure within the dissertation thesis could jeopardize the possibility of publishing these results in high-quality scientific journals.

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová