Vědci z Technické univerzity v Liberci vytvořili pokročilé nanočástice složené ze železa a mědi, tedy z kovů, které předtím nebylo možné chemicky spojit. Za průlom v moderní vědě označili tento výsledek práce libereckých vědců lídři vědeckého oboru laserové syntézy — profesoři Stephan Barcikowski a David Amans.
nanočástic pomocí laseru je považován slovenský profesor Antonín Fojtík, který jako první publikoval práci o laserové ablaci společně s profesorem Arnim Hengleinem v roce 1993. V té době publikace zůstala i z důvodu limitu laserů celkem bez povšimnutí, v posledních letech se však tato technologie rychle vyvíjí, zdokonaluje. Ve vědeckém světě je tak čím dál populárnější. „Jedná se o ohromující technologii umožňující přípravu nanočástic. Jsme přesvědčeni, že do budoucna může v průmyslu nahradit jiné metody výroby nanočástic, zvláště ty chemické, při kterých vzniká velké množství odpadu. Tato metoda přípravy nanočástic vede náš tým k tomu, aby se snažil objasnit otázky, které jsou zcela zásadní pro současnou společnost,“ říká Dr. Rafael Omar Torres-Mendieta, Ph.D., zakladatel výzkumného týmu Femto-Nano zřízeného v rámci Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace Technické univerzity v Liberci (CxI TUL). Doktor Torres-Mendieta se přípravou pokročilých nanočástic pomocí vysoce výkonných pulzních laserů zabývá již více než 10 let. Pochází z Mexika a tvoří součást mezinárodního vědeckého týmu na CXI TUL, ve kterém pracuje s kolegy z Indie, Egypta, Itálie i Turecka. Jak ale konstatuje profesor Miroslav Černík, ředitel CxI TUL, šanci uplatnit se ve vědecké práci dostávají v Liberci také mladí vědci — doktorandi a studenti z Česka i ze zahraničí. „Náš ústav usiluje o širokou mezinárodní spolupráci. Věda nemůže být lokální záležitostí. Vždycky byla, je a bude mezinárodní. Je potřeba tvořit výsledky, kterých si všimnou vědci ve světě, aby přinesly nějaký dopad, posunuly vývoj kupředu a nezahrabaly se ‚v šuplíku‘,“ říká ředitel CxI. Nanočásticím se dlouhodobě věnuje také člen výzkumného týmu Ondřej Havelka. Za mimořádné výsledky v oboru nanomateriálů byl už jako student oceněn ministrem školství, mládeže a tělovýchovy v roce 2019. Druhé ocenění MŠMT získal jako výzkumník v loňském roce za přínos v oblasti laserové syntézy a nanovlákenných membrán. Připomíná, že výzkumné zájmy týmu se postupně rozšířily o širokou škálu aplikací, jakými jsou heterogenní katalýza, vývoj inteligentních tekutin, regenerace vody po ekologických katastrofách. „Dalším výzkumem chceme zabránit zrodu éry superbakterií, která se k nám nevyhnutelně blíží, a přispět k převedení laserové syntézy do moderního nanotechnologického průmyslu,“ říká Ondřej Havelka, kterého jsme na toto téma požádali o rozhovor.
Co jsou pokročilé nanočástice?
To jsou nanočástice, které mají nějaké pokročilé vlastnosti. Zatímco klasická nanočástice je složena z jednoho kovu, v případě pokročilých nanočástic se jedná o materiál vyrobený z více prvků. My pracujeme s kovy, jež dodávají materiálu neobvyklé kombinace vlastností. Alternativně může spojení materiálů některé jejich vlastnosti dokonce umocnit. Je to zajímavá synergie vlastností vyplývající z uspořádání atomů uvnitř částice. Příkladem může být spojení magnetických vlastností železa s optickými vlastnosti zlata či katalytickými vlastnostmi paladia.
V čem spočívá příprava nanočástic pomocí laseru?
Používáme nanosekundové a femtosekundové lasery, přičemž femtosekundový laser vysílá pulzy mající délku několika femtosekund [femtosekunda = kvadriliontina, tedy miliontina jedné miliardtiny sekundy — pozn. red.]. Těžko si tak krátký časový úsek představit a okem ho samozřejmě nezaregistrujeme. Ale je to krásná úroveň času, na které probíhají procesy chemických reakcí. Proces je poměrně jednoduchý. Můžeme si ho zjednodušeně představit tak, že do nádoby s vodou hodíme kousek zlata. V našem případě používáme fólie konkrétní tloušťky. Na tento materiál zamíříme přes vodu silný laserový paprsek, který způsobí vyražení elektronů z kovu, přičemž materiál přehlcený odpuzujícím se zbylým pozitivním nábojem následně exploduje a umožní vznik nanočástic. V případě zlata dostaneme roztok zbarvený do červena klasickými nanočásticemi zlata (o rozměru jednotek až desítek nanometrů). Pokud chceme připravit pokročilé nanočástice, přidáme do původního (neozářeného) roztoku kovovou sůl na bázi nějakého kovu, třeba palladia nebo platiny. Při ozáření laserem se kolem fólie tvoří vysoce energetická plazma, která okolní sůl štěpí (disociuje). Tím se uvolňuje druhý čistý kov, který prostupuje materiálem uvolněným z fólie. Pro nás i vědecký svět je momentální výzvou kontrolovat pomocí různých parametrů strukturu tohoto materiálu. Jestli se oba kovy spojí tak, že jeden bude v jádru a druhý na obalu, nebo jestli budou vypadat třeba jako dva na sobě přidané kopečky zmrzliny. Každá struktura má bezesporu svoji výhodu, a pokud bychom byli schopni předurčovat a ovládat vnitřní strukturu bimetalických nanočástic a tvořit je podle potřeb, otevřely by se nám neomezené možnosti práce s materiály. Tato ohromující metoda přípravy nanočástic vede náš tým k tomu, aby se snažil objasnit otázky, které jsou zcela zásadní pro současnou společnost, a zabývat se jimi při aplikačním výzkumu.
Prozradil jste, že chcete zabránit zrodu éry superbakterií…
Éra superbakterií se k nám nevyhnutelně blíží i z důvodu nadužívání antibiotik. Antibiotika se dostávají do řek a jiných vod, tam se nekontrolovatelně setkávají s bakteriemi a zpočátku je zabíjejí. Postupně si však bakterie na antibiotika zvykají a vyvíjejí se v takzvané superbakterie, jako je například MRSA (zlatý stafylokok). Superbakterie jsou pak vůči antibiotikům odolné — rezistentní. Někteří odborníci odhadují, že do roku 2050 už mohou být bakterie rezistentní natolik, že se dostaneme do takzvané doby postantibiotické, kdy antibiotika nebudou fungovat a lidé mohou začít umírat na běžně nemoci, které se dnes antibiotiky léčí. Tyto superbakterie navíc mohou zcela změnit vodní ekosystém. Z tohoto důvodu povedu výzkumný směr, ve kterém se budeme snažit tento vývoj zvrátit, a to pomocí degradace antibiotik prostřednictvím slunečního záření a speciálních nanočásticových fotokatalyzátorů. Uvedu příklad: vytvoříme nanočástice bizmutu a nějakého magnetického kovu, například niklu, hodíme je do vo-dy, a ony tam jen díky tomu, že budou absorbovat běžné světelné záření, začnou antibiotika ve vodě katalyticky ničit. Postupně tak vodu od nich úplně vyčistí. My potom můžeme magnetem použité nanočástice kovu z vody vytáhnout, vyčistit je a následně použít v jiné lokalitě. Nedávno jsme pro tyto účely získali grant, který nám umožní zaměřit se na degradací konkrétního antibiotika — sulfamethoxazolu ve vo-dě. [Sulfamethoxazol se používá při bakteriálních infekcích například močových cest, bronchitidě nebo prostatitidě a je účinný proti gramnegativním i pozitivním bakteriím — pozn. red.] Zatím se tím zabýváme na laboratorní úrovni, ale náš výzkum dostává podobu velmi konkrétních aplikací.
Přibližte nám ještě nějaké konkrétní aplikace.
Náš aplikační výzkum v oblasti čištění vod zaměřujeme také na vývoj speciální nanovlákenné membrány s nanočásticemi titanu a stříbra, která umí vyčistit vodu od olejů v případě ekologických katastrof. Například když unikne ropa z tankeru do oceánu. Dále se jedná o použití nanočástic železa pro magnetoreologii — oboru využívajícím takzvané magnetoreologické kapaliny. Jde o typ inteligentní tekutiny, jejíž chování umíme ovládat pomocí magnetického pole. Aby mohla taková kapalina fungovat, musí mít v sobě speciální částice. Když na takovou kapalinu s obsahem nanočástic kolmo aplikujeme magnetické pole, výrazně zvýšíme její zdánlivou viskozitu, a to až do takové míry, že se stane viskoelastickou pevnou látkou. Když je magnetické pole zapnuté, nabývá kapalina během zlomku sekundy vlastnosti srovnatelné s pevnou látkou. Pokud se však magnetické pole vypne, okamžitě se skupenství znovu změní na kapalné. Tyto aplikace se dají použít například v robotice pro velmi jemné posunování nebo při leštění čoček. Magnetoreologické brzdy by určitě zvýšily bezpečnost provozu na silnicích, ale zatím jsou moc drahé na to, aby se použily pro běžná auta. Nejčerstvější oblastí výzkumu je použití 3D tisku pro zautomatizování výroby nanočástic. Na tomto cíli pracujeme s kolegou Lukášem Zimou z Fakulty mechatroniky, informatiky a mezioborových studií TUL, který se na nějaký čas zapojil do výzkumného týmu. Otevřela se nám tak možnost propojit svět fyziky a chemie s mechatronikou.
Prý jste nepodali žádost o patent; nebudete si výsledky své práce chránit?
Nemáme patent a žádost neplánujeme ani podávat. Chceme dát výsledky naší práce volně k dispozici. Nyní se zaměřujeme na zautomatizování přípravy nanočástic tak, aby to bylo co nejjednodušší a nejlevnější, a tudíž přístupné pro další světová výzkumná pracoviště. Vyvíjíme speciální komoru, kterou by bylo možné vytisknout na 3D tiskárně. Do ní by se vložila kapalina i konkrétní kovy, připojila by se na elektronický systém, pomocí nějž by se celý proces řídil, a to i na dálku z jiného kontinentu. Nebude potřeba míchat žádné chemikálie. Budeme rádi, když se tato jednoduchá možnost přípravy rozšíří na co nejvíce výzkumných pracovišť. Když se to podaří, násobně se zjednoduší rychlost přípravy a reprodukovatelnost experimentů. Světový vývoj se tak v tom oboru bude moci zásadně urychlit.
Rýsuje se konkurence chemickým metodám?
Byli bychom rádi, aby se laserová syntéza stala hlavním konkurentem přípravy nanočástic vůči moderním chemickým metodám. Dneska už je pryč doba, kdy se nekontrolovatelně vyráběly plasty a šířily se do životního prostředí, bez ohledu na to, jakou mají toxicitu a co mohou způsobit. Nechceme, aby v případě nanomateriálů byl příběh podobný. Vyrábějí se hlavně chemickými postupy, při kterých se mohou používat i nebezpečné chemikálie, a tak vzniká chemický odpad. Při laserové syntéze můžeme přeměnit takřka 100 % materiálu v čisté vodě bez chemikálií, takže žádný odpad nevzniká. Získáme takzvaně „nahaté“ nanočástice bez chemických struktur — ligandů, které se na nanočástice vážou při chemických postupech. Utvoření nového laserového průmyslu by umožnilo vyhnout se paradoxnímu scénáři, kdy se utopíme v chemickém odpadu pocházejícím z přípravy nanomateriálů, jež nám měly původně pomáhat dělat svět lepší. Také proto připravujeme založení vlastní nanotechnologické firmy, která by dodávala nanočástice vytvořené laserem. Pokud se to povede, vznikne část nového laserového průmyslu, který by nabídl možnost nových ekologických výrobních postupů. Start-up projekt nedávno obdržel 1. místo v soutěži Evropského inovačního a technologického institutu (EIT Jumpstarter). Od roku 2017 byly v rámci tohoto programu vyškoleny již stovky start-upů. V loni organizátoři obdrželi 548 přihlášek. /Jaroslava Kočárková/
