Nanotechnologie mají na VUT v Brně zelenou

Pozoruhodné nanotechnologie se zabývají vytvářením a studiem vlastností objektů a struktur s rozměry mezi tisícinou a miliontinou milimetru (1 až 100 nanometru). Při těchto rozměrech se vlastnosti nám známých látek zásadním způsobem mění, což v mnoha oborech umoňuje jejich zcela nové uplatnění. Nanotechnologie, které jsou také označovány za obor budoucnosti, přitahují ve světě stále větší pozornost vědců, výzkumných pracovišť a univerzit. V souladu s tímto mezinárodním trendem začínají také vysoké školy otevírat studijní obory zaměřené právě na nanotechnologie. Vzhledem ke svému interdisciplinárnímu charakteru, mají tyto obory různé podoby, základem takového studia zůstávají fyzikální předměty, umožňující pochopení zákonů mikrosvěta, doplněné o předměty molekulární chemie a biologie. Také Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně reaguje na potřebu výchovy odborníků pro tento obor budoucnosti a pro nový akademický rok 2009/10 otevírá na Ústavu fyzikálního inženýrství (ÚFI) nový studijní obor Fyzikální inženýrství a nanotechnologie. Studijní program (tříletý bakalářský a navazující dvouletý magisterský) bude mít svou českou i anglickou variantu. V Brně se tak mají nanotechnologie samostatně učit vůbec poprvé; další univerzita, která tento studijní obor (ovšem se zaměřením na textilní nanovlákna) od podzimu zájemcům nabídne, je Technická univerzita Liberec. Nanotechnologiemi se u nás zabývají také na ostravské TU a MU v Brně. Výzkum nanotechnologií má na VUT zázemí Vznik a akreditace nového studijního oboru pro oblast nanotechnologií na brněnské Fakultě strojního inženýrství VUT je logickým krokem. „Ústav fyzikálního inženýrství FSI poskytuje fyzikálně orientované studium od roku 1990. Nejdříve v oboru ,Inženýrská optika´ a od roku 1996 jako ,Fyzikální inženýrství ´. Důvodem změny bylo rozšíření vědecké činnosti pracovníků ústavu o oblast nanotechnologií a povrchového inženýrství podpořené od roku 1997 komplexním projektem GA ČR s názvem Laboratoř nanotechnologií a povrchového inženýrství. Od té doby se ÚFI stal významným pracovištěm v oblasti nanotechnologií, což dokladují jak publikace na mezinárodní úrovni, tak účast v četných grantových projektech,” říká ředitel ÚFI prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. V posledních několika letech se nejen výzkumná činnost ústavu, ale i výuka, zvláště formou diplomových a doktorských prací, začala zaměřovat i na novou, dynamicky se rozvíjející oblast nanotechnologií. Na ústavu se řešila řada projektů z oboru nanotechnologií, rozšiřovala se spolupráce s firmami vyvíjejícími činnost v oblasti výroby diagnostických zařízení pro nanotechnologie (např. On Semiconductors Czech Republic, Tescan a FEI Czech Republic). Zachycení těchto trendů umožnila dlouhodobá orientace vědeckovýzkumných pracovníků ústavu na fyziku a analýzu/mikroskopii nízkodimenzionálních struktur tenkých vrstev a povrchů. Velký význam pro další rozvoj výzkumu nanotechnologií na ÚFI mělo vybudování laboratoře s čistými prostory třídy 100 000 (tzn. 100 000 prachových částic s rozměry pod 0,5 mikrometru v kubické stopě - v normálním prostředí přitom úroveň prachových částic ve vzduchu dosahuje přibližně 20 milionů). Špičková laboratoř, která je jediná na českých univerzitách, má pořizovací hodnotu 50 milionů Kč. Ústav ji zřídil pomocí peněz získaných z grantů a za aktivní pomoci svých studentů a doktorandů. ÚFI má k dispozici také unikátní tunelovací atomární mikroskop, který zde byl vyvinut. V souladu s těmito skutečnostmi vznikla potřeba promítnout uvedené aktivity do přípravy studentů a modifikovat strukturu a rozšířit nabídku v rámci oboru fyzikálního inženýrství i o oblast nanotechnologií. Nanotechnologie jsou interdisciplinární obor Studijní program Fyzikální inženýrství a nanotechnologie spojuje nejen obory fyzikální a inženýrské, ale také základy makromolekulární chemie a biologie. Studijní plán nového programu byl rozšířen o nové studijní předměty, na jejichž základě může student profilovat a prohlubovat svou odbornou orientaci. V bakalářském studiu půjde zejména o předměty chemické a částečně biologické povahy (včetně praktik), zajišťované akademickými pracovníky z Fakulty chemické VUT a Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně. V navazujícím magisterském studiu půjde o speciální předměty pojednávající o specifických vlastnostech a metodách výzkumu nanostruktur, přičemž důraz bude kladen na experimentální a praktický charakter výuky, který je umožněn kvalitním experimentálním vybavením pracoviště včetně vybudovaných čistých prostor. V nanosv ětě běžné fyzikální zákony přestávají platit Nanotechnologie se primárně vymezují od dosavadních oblastí moderní fyziky ani ne tak rozměry studovaných objektů, jako právě unikátními vlastnostmi studovaných a vyvíjených materiálů a struktur. Jak již bylo uvedeno, vlastnosti známých látek se při velmi malých rozměrech (menších než 100 nanometrů) podstatně mění. „Dalo by se říci, že se v tomto nanosvětě jako kdyby rozšířila soustava chemických prvků. Známé látky získávají v nanosvětě zcela nové vlastnosti. Pokud jsme byli zvyklí, že látky mají určité vlastnosti, v nanosvětě to neplatí. Třeba běžný křemík nezáří a nemůže se proto používat na fotodiody. Ale nanokrystalický křemík září. Změněných vlastností nanomateriálů lze využít v široké řadě oblastí,” vysvětluje prof. Šikola. Pro veřejnost asi nejznámější ukázkou využití nanotechnologií je laserové ukazovátko. Zásadní význam mohou mít nanotechnologie v elektronice. Dnešní procesory jsou již na hranici svých kapacitních možností. Nanofotonika by mohla nahradit elektrony v integrovaných obvodech světlem. Přenos informace v takovém obvodu by byl až milionkrát rychlejší než v současných nejvýkonnějších procesorech. Další oblast nanotechnologií - spintronika - se zabývá výzkumem orientace elektronu – tzv. spinu. Právě jeho orientace nahoru nebo dolů (tedy nula nebo jednička) by se dala využít pro přenos informací. Obrovské možnosti se pro nanotechnologie otvírají v medicíně. Nanočástice se začínají využívat pro transport léčiva přesně do těch míst, kam by větší částice nepronikly. Úspěšné je také využití nanočástic pro lokální ohřev nádorových buněk, které chceme odstranit. „Výzkum nanotechnologií a jejich praktická aplikace je stále ještě na samém počátku. Je proto dnes jen velmi obtížné predikovat, co všechno nám přinesou,” říká prof. Šikola. Další rozvoj nanotechnologií v B rně umožní CEITEC Výzkum pokročilých nano- a mikrotechnologií se má v budoucnu stát součástí připravovaného projektu Středoevropského technologického institutu CEITEC, který připravují VUT, MU a další brněnské vysoké školy ve spolupráci s několika ústavy Akademie věd ČR. „Naše sekce bude zaměřena na vývoj technologií pro přípravu nano- a mikrostruktur metodami ,bottom-up‘ a ,top-down‘ (nanolitografie). Základním předpokladem pro tyto metody je vybudování čisté laboratoře. Zatímco nyní máme na VUT k dispozici laboratoř třídy 100 000, v CEITECu se předpokládá vznik čisté laboratoře třídy 100, což je prostředí umožňující výrobu polovodičových materiálů. Základní výzkum v CEITECu by se zabýval vlastnostmi a chováním nanoa mikrostruktur, které tvoří součásti složitějších systémů, jako jsou např. elektronické obvody. Předpokládá se také výzkum a vývoj mikro- a nanosenzorů schopných detekovat vlastnosti plynů, nejrůznějších materiálů a také látek v lidském těle. Využití výsledků výzkumu je velmi široké – v nano- a mikroelektronice, fotonice, plazmonice, senzorice a také v medicíně,“ přibližuje budoucnost prof. Šikola. Právě v CEITECu by doktorandi a absolventi nově akreditovaného oboru Fyzikální inženýrství a nanotechnologie mohli nalézt vědecké uplatnění. Igor Maukš