Jste čerstvým laureátem Ceny Rudolfa Lukeše, která se uděluje za chemické počiny. Co tomu jako fyzik říkáte?
Přestože se jedná o osobní cenu, znamená to ocenění práce celého kolektivu, protože věda je v dnešní době týmovou záležitostí. Ocenění chemickou komunitou je důkazem, že náš výzkum může mít přínos i pro jiné vědní obory, než je jen fyzika. No a také je skvělé, že v České republice existuje významná podpora české vědy z řad soukromých mecenášů skrze nadační fondy, jako jsou Experientia, Neuron či další.
Odbornou mezinárodní porotu zaujala vaše práce v rastrové mikroskopii. Za rastrovací tunelovací mikroskop získali již v roce 1986 Nobelovu cenu Gerd Binning a Heinrich Rohrer. Co se od té doby změnilo, že nyní s novou generací tohoto přístroje přinášíte zásadní objevy?
Tenkrát dostali vědci cenu za to, že viděli atomy na površích pevných látek. Přístroj byl tedy původně hájemstvím fyziky. Pro chemiky nebyl až tak zajímavý, protože molekuly zobrazoval jako nějaké ovály bez vnitřní struktury. Před osmi lety se stal pozoruhodný omyl, jak už to ve vědě bývá. V Curychu ve firmě IBM se jim do rastrovacího mikroskopu omylem připletla molekula oxidu uhelnatého (CO). Tím, že se na hrot mikroskopu dostala CO molekula, zapříčinila výrazné zvýšení měřeného signálu. A to takovým způsobem, že u molekul, které byly dříve vidět jako ovály, jsme nyní schopni vidět jejich chemickou strukturu. Tedy například jednotlivá benzenová jádra, ze kterých se skládají. To zcela změnilo přístup chemiků k této mikroskopii a začali ji hojně využívat.
Jak si jde vlastně představit fungování takového mikroskopu?
Princip je podobný jako u gramofonu, kde máte jehlu, kterou jezdíte po povrchu. Jen v našem mikroskopu je ta jehla ideálně zakončena jedním atomem nebo molekulou oxidu uhelnatého. To, co snímáte, je signál, který detekuje ten jeden atom či jedna molekula na konci jehly vůči povrchu.
Vy také zkoumáte chemické reakce na površích pevných látek. Jak se to liší od klasických reakcí v roztoku? Jaká je výhoda?
Tradiční organická syntéza se vždycky dělala v roztocích. Vzali jste baňku, do ní jste dali nějaké výchozí molekuly a nějaké reakční činidlo. Roztok jste potom zahřáli nebo na něj posvítili světlem, abyste vyvolali reakci. Tímto způsobem lze připravit velké množství sloučenin. Nicméně v posledních letech se objevil nový trend, takzvaná syntéza na površích, která nám umožňuje připravit zcela nové chemické sloučeniny, které není možné získat syntézou v roztoku. Tento přístup v kombinaci s rastrovací mikroskopií navíc umožňuje překonat další překážky spojené se syntézou v roztocích, jako je například nerozpustnost polymerů, tedy makromolekuly, kde jsou jednotlivé molekuly do sebe zřetězené. My jsme schopni pomocí rastrovací mikroskopie na povrchu pracovat klidně s jedním polymerem, který si připravíme určitou reakcí. Jednotlivé polymery pak můžeme pomocí hrotu mikroskopu kontaktovat a měřit například průchod elektronů v nich, tedy měříme jejich kvantovou vodivost.
Vy jste prohlásil, že tyto mikroskopy jsou nejen očima, ale i rukama. Jak si to lze představit?
Ano, rastrovací mikroskopie nám nejenom umožňuje vidět jednotlivé atomy či molekuly, ale také jsme schopni s nimi pohybovat na povrchu, popřípadě vyvolávat i chemické reakce na jednotlivých molekulách pomocí přidávání či ubírání elektronů či vybuzením různých vibrací molekuly.
Ing. Pavel Jelínek, Ph.D.
Doktor Pavel Jelínek se specializuje na teoretické a experimentální studium fyzikálních a chemických vlastností molekulárních struktur na površích pevných látek. Působí jako vedoucí vědecký pracovník v Oddělení tenkých vrstev a nanostruktur ve Fyzikálním ústavu AV ČR. Je vedoucím Nanosurf Lab, skupiny, jejímž hlavním cílem je hlubší pochopení fyzikálních a chemických procesů vedoucích například k cílené manipulaci náboje a spinu v molekulárních strukturách pomocí rastrovacích mikroskopů. Za dosažené vědecké výsledky získal Prémii Otto Wichterleho (2007), Cenu AV ČR (2012) a Akademickou prémii (2016). V listopadu 2020 získal Cenu Rudolfa Lukeše, kterou uděluje Nadace Experientia ve spolupráci s Českou společností chemickou, a pojí se s ní osobní prémie 100 tisíc korun.
Zdroj: Nadační fond Neuron
Foto: Nadace Experientia
Když umíte pozměnit nanostruktury, může to třeba vést k ještě dokonalejším vlastnostem nanomateriálů?
My děláme základní výzkum, ne aplikovaný, čili cesta, k čemu to bude, je ještě dlouhá, v horizontu desítek let. Osobně nemám ambici ani troufalost vědou zachránit svět. Člověk by se měl snažit i o nějaké obecné poznání přírody a jejích zákonitostí, ne jen že z toho něco bude.
Přesto tedy, co z toho může být?
Chtěli bychom navrhnout například molekulární systém, kde molekula bude aktivním spínačem. Vyzvedneme polymer z povrchu a měříme transport elektronu skrz tento polymer, tedy přes tento jeden řetízek molekul, a pozorujeme, za jakých okolností dojde k sepnutí proudu. Zjišťujeme například, že když posvítíme světlem, vodivost řetízku se výrazně sníží, to nám umožní potenciálně navrhnout optické molekulární spínače. Dále jsme schopni z určitých molekul odebírat jednotlivé elektrony nebo je tam naopak ukládat, což může sloužit jako vysokokapacitní úložiště energie na bázi molekul. Jestli je molekula nabitá jedním elektronem, nebo ne, může prezentovat určitý logický stav: ano, či ne. A to už jsme ve světě počítačů a jejich jedniček a nul.
A co se týče zmíněných nanomateriálů?
Nejzkoumanějším nanomateriálem současnosti je grafen. Ale vědci už by chtěli mít nanografen, který by byl jako materiál výhodnější. Jenže grafen se skládá jen ze šestičlenných (benzenových) kruhů. Ale co udělat sloučeninu, kde budete mít různé druhy těchto kruhů - tedy nejen šestičlenné, ale třeba čtyřčlenné, pětičlenné či sedmičlenné? V rámci takovéto výhodnější struktury by mohlo snáze dojít k separaci náboje v rámci jedné molekuly, což by mohl být základ pro účinnější solární články.
Jak vidíte váš výzkum dál?
Přijde mi, že výzkum obecně bývá snůška náhod a štěstí. Samozřejmě začneme tím, že chceme něco naměřit, zjistit nějakou novou reakci, pozorovat nějaký nový jev, ale většinou, když začneme dělat experiment, dovedete nás to k úplně něčemu jinému. V našem plánu je studovat jednodimenzionální molekulární struktury, protože ty jsou samy o sobě neuvěřitelně zajímavé.
Proč? Mohl byste tyto 1D struktury nějak představit laické veřejnosti?
Když vědci získali v roce 2010 Nobelovu cenu za fyziku díky svým experimentům s grafenem, nebylo to ani tak za samotný grafen jako za to, že přešli z 3D materiálu do 2D materiálu, kde se dějí věci úplně jinak. Tato redukovaná dimenzionalita úplně mění chování systému. A to samé se nyní děje, když přecházíte z 2D do 1D. Ve 3D systému o sobě elektrony moc nevědí, ve 2D systému už o sobě začnou vědět víc a v 1D už nejde o jednotlivou částici, ale elektrony vykazují vysoce kolektivní chování, které se dá přiblížit například chováním lidí ve frontě. Když se pohne jeden člověk ve frontě na poště, pohne se celá fronta, protože systém je už tak provázaný, že se chová jako celek. Nové kvantové stavy v 1D systémech jsou přesně to, čemu se teď chceme věnovat.
