Ústav pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace Technické univerzity v Liberci (CxI TUL) začal využívat nový spektrometr nukleární magnetické rezonance. Výjimečný přístroj, který CxI pořídil díky projektu Pro-NanoEnviCz II za necelých 7 milionů korun bez DPH a který zatím jinde v Libereckém kraji není, dokáže, laicky řečeno, měřit jádra atomů a tím poznat struktury téměř jakéhokoliv materiálu. Podle ředitele CxI TUL prof. Miroslava Černíka se díky novému přístroji výrazně zvýší úroveň základního výzkumu, ale i výuky napříč celou univerzitou. „Nabízí se široká spolupráce v oblasti výzkumu přesných analýz materiálů — pro naši univerzitu proslavenou v oblasti nanovláken samozřejmě připadají v úvahu zejména nanovlákenné materiály a struktury, ale počítáme se spoluprací i s jinými univerzitami, případně výzkumnými institucemi, kde spektrum výzkumu může být daleko širší. Věnujeme se syntézám i jiných materiálů a nanomateriálů. Analýza s pomocí NMR spektroskopie nám umožní jejich přesnou identifikaci,“ říká prof. Černík.
Pronikne do struktur molekul a atomů
Nukleární magnetická rezonance (NMR) využívá magnetických vlastností atomových jader a ke své činnosti potřebuje silné homogenní magnetické pole. Unikátnost této metody tkví v tom, že lze s její pomocí zjistit složení a struktury molekul rozpuštěných v roztoku (hlavně u organických látek), ale umožňuje zkoumat i strukturu pevných látek a materiálů. V průmyslu se používá k analýzám izotopického složení materiálů nebo ke srovnávání kvality výrobních šarží. Futuristicky vyhlížející zařízení od japonské firmy JEOL přirovnává vedoucí oddělení nanochemie na CxI TUL doc. Michal Řezanka s úsměvem k velké termosce: „Ve skutečnosti se jedná o systém vícera komponentů, kterým dominuje kryostat plněný kapalným heliem o teplotě −269 °C. V takovém chladu, který se přibližuje teplotě v kosmickém prostoru, se stává speciální cívka elektromagnetu supravodivou a dokáže generovat velmi silné magnetické pole. To je mimochodem zhruba 200× silnější než magnetické pole planety Země, je ale bezpečně uschované uvnitř přístroje. V tomto velmi silném, pro obsluhu přístroje však bezpečném magnetickém poli jsou studované vzorky ozařovány krátkými rádiovými pulsy. Odezvy rezonujících jader ovlivněných jejich chemickým okolím pak tvoří unikátní záznamy — spektra, ze kterých lze ‚vyluštit‘, o jakou molekulu se jedná, jakou má strukturu, který atom se kterým sousedí nebo jaká látka ve směsi převažuje. Vzácné a také poměrně drahé helium je při tom, pro snížení jeho odparu, dochlazováno pravidelně doplňovaným kapalným dusíkem,“ říká doc. Řezanka.
Nukleární neznamená radioaktivní
Nukleární magnetická rezonance používaná na vědeckých pracovištích je podle doc. Řezanky principiálně podobná té, kterou znají lidé z nemocnice jako magnetickou rezonanci. Jediný rozdíl podle něj je v tom, že zatímco v nemocnicích zobrazuje tkáně člověka, respektive atom vodíku a jeho chemické okolí, na jehož základě pak vzniká určitý kontrast, na univerzitě zkoumají atomy a molekuly materiálových vzorků. „Metoda, která se využívá pro analýzu složení nejrůznějších látek až na úrovni atomů, nese sice ve svém názvu slovo nukleární čili jaderná, využívá však zcela jiných vlastností jader atomů (konkrétně magnetických) než například jaderná energetika. Slovo nukleární tam není z důvodu, že by se jednalo o rozpad atomových jader, což si lidé spojují s nukleárními zbraněmi a jadernými elektrárnami, ale je to kvůli tomu, že se měří jádra atomů. Slovo nukleární je totiž odvozeno od latinského nucleus znamenajícího ‚jádro‘. Nepracujeme s radioaktivitou, ale pomocí spektrometru zkoumáme atomární složení látek. Ke zkoumaným látkám je přitom tato metoda velmi šetrná a nedestruktivní,“ konstatuje doc. Řezanka.
Přesná analýza struktur materiálu
NMR je metoda založená na rozdílných magnetických vlastnostech atomových jader různých prvků a umožňuje velmi přesnou analýzu materiálů. Dovede odhalit, jak jsou jednotlivé atomy v molekule vázány, jak jsou daleko od sebe, jaké úhly jednotlivé chemické vazby vzájemně svírají a podobně, takže výsledkem je kompletní trojrozměrný model molekuly. Umožňuje též zkoumat pohyby molekul jako celku nebo jejich částí vůči sobě. Metoda využívá magnetických vlastností jader atomů. Jádra některých atomů mají totiž vlastní magnetický moment. Chovají se tedy jako malé magnetky, a pokud jsou vloženy do vnějšího magnetického pole, orientují se podobně jako střelka kompasu v magnetickém poli Země. „Pokud nejsou jádra v magnetickém poli, jsou jejich spiny (magnetky) orientovány náhodně v prostoru. Pokud je ale vložíme do magnetického pole, orientují se výhradně po směru, nebo v protisměru magnetického pole, přičemž ty, co jsou orientovány po směru, mají trochu menší energii než ty v protisměru. My můžeme vyslat radiofrekvenční puls neboli vlnu o rádiové frekvenci a ‚naladit‘ si patřičná atomová jádra. Dodat jim tak vhodným způsobem energii a tím je překlopit do vyšší energetické hladiny. Jakmile puls skončí, vracejí se nazpátek, a my při jejich návratu získáme spektrum struktury molekul,“ vysvětluje Michal Řezanka.
Analýza látek v roztocích…
Na CxI TUL zkoumají roztoky látek v různých rozpouštědlech. „Nejsme limitováni jen na vodu, naopak. Když měříme jádra vodíku, rozpouštědlo by nemělo obsahovat vodík, protože signál rozpouštědla by byl nepřiměřeně velký vůči rozpuštěné zkoumané látce. V takovém případě se používají deuterovaná rozpouštědla, kde je vodík nahrazen neradioaktivním deuteriem, což je jeden ze dvou stabilních izotopů vodíku. [Druhým je protium. Jádro atomu deuteria, nazývané deuteron, obsahuje jeden proton a jeden neutron, zatímco mnohem běžnější protium nemá v jádře žádné neutrony — pozn. red.] Je to vlastně takzvaná těžká voda, kterou používáme, abychom rozpouštědlo neviděli. Ale přitom se obě rozpouštědla, normální i těžká voda, chovají, co se týče rozpustnosti látek, takřka stejně,“ přibližuje analýzu materiálů doc. Řezanka s tím, že typická aplikace pro měření v kapalné fázi je analýza chemické reakce, při které se kontroluje, zda vzniklý produkt (konkrétně přeměna jedné chemické sloučeniny na jinou) odpovídá původnímu záměru. Stručně se dá říci, že NMR slouží k ověření neprozkoumaných chemických reakcí. Pro ověření záměru se do přístroje vkládá vzorek ve skleněné kyvetě o průměru 5 mm. Je to přibližně 0,5 ml roztoku obsahujícího zhruba 10 mg zkoumané látky.
… a v pevném skupenství
Na CxI umějí analyzovat strukturu materiálů také ze vzorků v pevné fázi, většinou z prášků, a to v případech, kdy se neměří jádra vodíku, ale například jádra atomů uhlíku, fosforu, křemíku apod. Toto měření má ale podle doc. Řezanky řadu nevýhod oproti měření v kapalné fázi a získaná spektra nemají tak velká rozlišení oproti fázi kapalné. „Z pevné látky jsme však schopni zjistit poměr amorfní a krystalické fáze, na rozdíl od roztoků, kde tyto fáze nejsou. To má velký vliv na mechanické vlastnosti materiálů, protože řada fyzikálních a technologických vlastností značně závisí právě na tomto podílu. Stanovení krystalického a amorfního podílu je společným problémem u všech materiálů, ve kterých mohou koexistovat amorfní a krystalické fáze,“ konstatuje doc. Řezanka s tím, že poměr amorfní a krystalické fáze a tvorba krystalických modifikací je významným údajem při výzkumu polymerů při jejich zvlákňování na nanovlákna. Krystalická fáze se totiž hůře rozpouští, je pevnější a odolnější vůči chemickým reakcím a dalším degradacím polymerů. Proto je možné na tomto základě celkem spolehlivě predikovat mechanické vlastnosti polymerů a to, jak se budou chovat.
Zaměření na nanovlákna
Syntéza organických sloučenin v rámci oddělení nanotechnologie CxI je zaměřena na funkcionalizaci nanomateriálů. Cílem je dát jim nějakou přidanou hodnotu v podobě nové funkce. „Chceme, aby se materiál choval nějak jinak, z toho důvodu syntetizujeme různé chemické sloučeniny a v průběhu syntézy kontrolujeme, jestli jdeme správným směrem. Syntetizujeme například deriváty cyklodextrinů [cyklické oligosacharidy sestávajících z makrocyklického kruhu glukózových podjednotek spojených α-1,4 glykosidickými vazbami — pozn. red.], které chceme nějakým způsobem navázat na nanovlákna. Mají tvar dutého kužele, který umožňuje vázat například léčiva. Vzniklý komplex se tak dá využít pro cílenou dopravu léčiv přímo k postiženému místu. Také se rýsuje možnost prodlouženého a rovnoměrného uvolňování léčiva pomocí cyklodextrinů, například při krytí ran,“ nastiňuje perspektivu nových materiálů člen týmu Christopher Hobbs, který přijel do Liberce vědecky pracovat z Austrálie. Nový přístroj poslouží také Katedře chemie FP TUL, kde se doc. Věra Jenčová zabývá tepelnou stabilizací nanovlákenných vrstev z vodorozpustného polymeru — polyvinylalkoholu. „Vzniklé nanovlákenné vrstvy jsou rozpustné ve vodě a my je následně fyzikálně stabilizujeme pomocí aplikace vysokých teplot. Analýza pomocí NMR nám pomůže zjistit, co se při této stabilizaci děje na molekulární úrovni, zda změna chemické struktury, která vede ke snížení rozpustnosti, nepovede potenciálně ke vzniku negativních vlastností materiálu. Aby například nebyl cytotoxický. NMR analýza nám pomůže zjistit, k jakým chemickým změnám dochází, přičemž některé změny mohou vést i k cytotoxicitě. To se pak zjišťuje pomoci dalšího testováni, obvykle s buňkami,“ říká doc. Jenčová. Dodává, že NMR bude chtít využít i při analýze struktur jiných materiálů, které vznikají na katedře chemie. Jedná se třeba o materiály pro tkáňové inženýrství na bázi biodegrabilních polyesterů. „U těchto materiálů často používáme tzv. funkcionalizaci, kdy do nich importujeme různé nízkomolekulární látky. Interakce mezi makromolekulami a nízkomolekulární látkou a jejich uvolňování není zcela prozkoumaná a NMR nám může přinést nové poznatky na molekulární úrovni,“ doufá doc. Jenčová. Na nanovlákna, konkrétně na změnu struktur v důsledku jejich stárnutí, je zaměřen i společný vědecko-výzkumný záměr CxI a Katedry netkaných textilií a nanovlákenných materiálů FT TUL. Také vedoucí katedry doc. Jiří Chvojka si od NMR slibuje, že pronikne do dosud neprozkoumaných dějů na molekulární úrovni materiálů. „Dokážeme zjistit, jak se liší nanovlákenné vrstvy, které vypadají navenek naprosto stejně, a my neznáme zatím příčinu změny struktury způsobené vlivem výrobního procesu. Pomocí NMR budeme sledovat vlákna v určitém časovém úseku, a věřím, že zjistíme, jak se jejich struktura v průběhu času změnila. Pokud dokážeme tu strukturu přesně rozpoznat, tak dokážeme také předpovědět, jak se budou nanovlákna chovat za určitých podmínek. A to by se dalo aplikovat například v medicíně. Cílená degradace polymerů může najít využití například při řízené rychlosti uvolňování léčiva, protože čím více materiálu degraduje, tím více se uvolní léčiva. Můžeme stanovit i funkční skupiny, na které dokážeme navázat potřebné látky, například antibiotika, která se se budou z nanovláken uvolňovat. NMR dokáže tyto funkční skupiny detekovat včetně těch, které jsme zatím detekovat nedokázali, protože nejsou na povrchu vláken. Díky tomu budeme moci predikovat, jak velké množství látek za daných podmínek uvolníme. Této metody se dá také využít například pro výrobu nejvhodnějších materiálů pro produkci nosičů buněk — scafoldů a stanovit dobu jejich degradace pro vytvoření nové tkáně, která přebere funkci umělého scafoldu,“ říká doc. Chvojka.
NMR posloužíi výuce
Nový přístroj budou využívat i studenti pro vědeckou práci. Například členka týmu doc. Řezanky doktorandka Petra Karamzínová pomocí NMR zkoumá strukturu cyklodextrinových polymerů v rámci své disertační práce. S NMR se také seznamují studenti studijního programu instrumentální analytické chemie. A jak doc. Řezanka doufá, využijí NMR i další studenti doktorského studia.
Komerční využití je reálné
I když NMR na TUL slouží zatím především k základnímu výzkumu, kdy liberečtí vědci odhalují základní principy struktur materiálů, rýsují se první reálné aplikace. Jedna zemědělská firma požádala o analýzu struktury izolované přírodní látky vhodné pro výrobu hnojiva. „To NMR umí jako jedna z mála metod. Až firma získá potřebné informace, bude si moci tu látku, nebo její deriváty, sama vyrobit a nechat si případně postup i patentovat,“ říká doc. Řezanka. A jak dodává prof. Černík, chystá se CxI oslovit další firmy a prezentovat jim možnosti spolupráce. CxI TUL provádí dlouhodobě měření na svých přístrojích pro řadu firem. Částečně formou služeb, ale především realizací společného výzkumu. „Díky NMR můžeme spolupráci rozšířit, nabídnout širší spektrum měření, analýzy i predikce chování materiálů, což je důležité pro různé aplikace. Ústav CxI je zaměřen především na aplikovaný výzkum, speciálně na transfer výsledků výzkumu do praxe, ale význam základního výzkumu rozhodně nepodceňujeme. Bez určitých aktivit základního výzkumu nemůže být ten aplikovaný kvalitní ani dostatečně rychlý. Aby technologie, které vyvíjíme, byly moderní a neztráceli jsme čas čekáním na to, až je vyvine a opublikuje někdo jiný, musíme věnovat úsilí i základnímu výzkumu, především tam, kde předpokládáme jeho využití pro následné aplikace. Moderní přístrojové vybavení je proto klíčové. A protože si musíme na svoji činnost vydělat, určitě se nebráníme komerčnímu využití našeho vybavení — včetně nového spektrometru nukleární magnetické rezonance,“ konstatuje prof. Černík. /Jaroslava Kočárková/
