Zeolity a fotoaktivní nanovlákna. Čeští vědci zkoumají nové materiály pro průmyslové využití

Díky štědrému evropskému projektu vzniklo před čtyřmi lety na Univerzitě Karlově špičkové výzkumné centrum zkoumající nové materiály.

Zeolity a fotoaktivní nanovlákna. Čeští vědci zkoumají nové materiály pro průmyslové využití
Tři klíčoví vědci centra CUCAM (zleva) Petr Nachtigall, Jiří Čejka a Ivan Němec. | Hynek Glos

„Snažíme se nejen o to, abychom vyvíjeli nové materiály, ale aby tyto materiály k něčemu byly,“ říká Petr Nachtigall, jeden ze zakládajících členů Centra pro cílenou syntézu a aplikace perspektivních materiálů (CUCAM - Charles University Centre of Advanced Materials). Centrum na Přírodovědecké fakultě UK vzniklo před čtyřmi lety na základě unikátní výzvy ministerstva školství na podporu excelentních výzkumných týmů. „Kromě materiálů pro průmyslovou katalýzu se zaměřujeme i na materiály pro optoelektronické aplikace nebo nanomateriály využitelné například ve zdravotnictví,“ doplňuje Nachtigall.

Od zeolitů k obvazům

Na počátku celého projektu byl experimentální výzkum zeolitů - minerálů s širokým průmyslovým využitím. Zeolity se tradičně připravovaly smícháním chemikálií za definovaných podmínek - teoreticky by takových zeolitů šly připravit miliony, prakticky se jich dařilo získat pouze 250.

„Podařilo se nám objevit zcela nový způsob, jak zeolity připravovat. Nejdříve připravíme stavební jednotky - dvoudimenzionální desky, které následnou manipulací uspořádáme a vytvoříme nový zeolit, který by nešlo vyrobit jinak,“ popisuje profesor Čejka revoluční metodu ADOR (Assembly, Disassembly, Organisation and Reassembly), díky které se dostali na světovou špičku v oboru chemie zeolitů. „Současně jsme chtěli pochopit, jak to funguje na molekulární úrovni a zda by tato metoda šla modifikovat a aplikovat i na další materiály,“ doplňuje teoretický chemik Petr Nachtigall.

Druhou významnou oblastí s aplikačním potenciálem jsou materiály pro optické či fotochemické aplikace. „Právě fotoaktivní nanovlákenné materiály, které působením viditelného světla generují například reaktivní formy kyslíku, a tak ničí bakterie a viry, se v současné koronavirové pandemii ukázaly jako velmi žádané,“ popisuje Ivan Němec, další z členů týmu CUCAM. Ostatně o spin-offu LAM-X zaměřujícím se na samodezinfekční obvazové materiály, roušky nebo například filtry do klimatizací, který z tohoto výzkumu vychází, jsme už v Hrotu psali.

Praktickým aplikacím je nejvíce vzdálena třetí výzkumná oblast centra CUCAM - teoretická chemie a počítačové modelování. Ale jen zdánlivě. „I my máme aplikační sféře co nabídnout. Teoretická chemie udělala za posledních deset let obrovský pokrok a jsme schopni s vysokou přesností simulovat, co se reálně děje,“ popisuje Nachtigall, jak teoretičtí chemici pomáhají pochopit a výrazně posunout experimentální výzkumy.

Zásadní spolupráce

CUCAM je unikátní i mezinárodním přesahem - centrum vede špičkový zahraniční vědec, profesor Russell Morris z University of St Andrews ve Skotsku, a polovinu týmu tvoří cizinci. „Mezinárodní spolupráce a často i dlouhé vědecké diskuse s profesorem Morrisem a dalšími členy mezinárodní vědecké rady o nejnovějších výsledcích výzkumů či dalším směřování centra CUCAM jsou nedocenitelné,“ shrnuje Nachtigall. Do patnáctičlenného týmu se jim také podařilo získat řadu mladých a velmi perspektivních spolupracovníků. „Vidíme v nich velkou naději,“ říká profesor Čejka.

„Také mě těší, že se nám daří navazovat kontakty s firmami, které mají zájem, abychom pro ně nové materiály přímo vyvíjeli, čímž směřujeme k většímu průmyslovému využití,“ dodává Čejka. Podle vědců z centra CUCAM je největším úskalím spolupráce s praxí to, aby je společnosti vůbec vyslechly. „Nejtěžší je přesvědčit firmy, že jim máme co nabídnout a že se vyplatí do nás investovat. Ale daří se nám to,“ komentuje Jiří Čejka.

Atomární rozlišení

Unikátní byla i samotná výzva, protože úspěšným týmům dala obrovský rozpočet a až polovina mohla jít na investice, což v jiných grantech nebývá. Cílená investice 215 milionů korun tak na pražském Albertově dala vzniknout opravdu špičkově vybavenému centru. „Díky tomu, že kromě zeolitů studujeme i další pokročilé materiály, využíváme tuto unikátní výzkumnou infrastrukturu opravdu na maximum. Metody studia nových materiálů jsou univerzální, a tak dochází k opravdu efektivnímu využití investovaných prostředků,“ doplňuje Ivan Němec, další z členů týmu CUCAM. Zatím posledním a zároveň největším přírůstkem do technického vybavení byl speciální elektronový mikroskop, který vědcům umožní „vidět“ až na úroveň jednotlivých atomů.

Otevřeni úspěchům

„Ve vědě je velmi důležité vnímat i jevy, které původně nebyly prvotním cílem vašeho pozorování a mohou být i zajímavější než původně vytčené cíle,“ říká Němec. To, že štěstí přeje připraveným, potvrzuje i Jiří Čejka. „Jednou například konkurenční laboratoř publikovala experimenty, kdy se jim podařilo zeolit rozložit na jednotlivé desky, ale oni to nepochopili. My jsme jejich výsledků využili a celou oblast přípravy nových zeo litů jsme posunuli na úplně novou úroveň,“ popisuje jeden z velkých úspěchů.

V letošním roce vědci z centra CUCAM očekávají kromě nových zeolitů i velmi zajímavé výsledky v oblasti propojení strojového učení a teoretické chemie. „Strojové učení je neuvěřitelně mocný nástroj, který nám dovolí dělat věci až o tři řády rychleji. Studujeme, jak se systémy chovají za extrémních podmínek - řadě věcí stále nerozumíme a dříve jsme neměli možnosti, jak to studovat, chyběl nám výkonný software i nástroje,“ nastiňuje Nachtigall, co teď umožní strojové učení.

Finanční podpora projektu skončí v roce 2022, poté bude následovat pětileté období udržitelnosti. „Pevně doufám, že centrum bude pokračovat i poté. Já v té době třeba už půjdu do důchodu, ale věřím, že mladí budou pokračovat. Byla by škoda, aby tak dobře vybavené centrum zaniklo,“ uzavírá profesor Čejka. S pokračováním centra se počítá i při plánované výstavbě nového Kampusu Albertov.

Zeolity
Patří do skupiny přírodních i syntetických materiálů, někdy se jim říká molekulová síta. Zeolity představují nejdůležitější průmyslové katalyzátory, které nalezly rozmanité využití například při zpracování ropy nebo v syntéze speciálních chemikálií. Využívají se i v adsorpčních procesech, zemědělství, medicíně a nahradily fosforečnany v pracích prášcích. Jejich velkou výhodou je, že neškodí životnímu prostředí.

Článek vyšel v tištěném vydání týdeníku Hrot.

Týdeník hrot

  • Bankrotáři: paralely příběhů Bárty a Mičky
  • Zabal to, Warrene! „Věštec z Omahy“ by měl odstoupit
Objednat nyní