CUCAM: Výzkum nových materiálů a výchova špičkových vědců

Centrum pro cílenou syntézu a aplikace perspektivních materiálů – CUCAM vzniklo na Přírodovědecké fakultě UK před čtyřmi lety díky štědrému evropskému projektu na podporu excelentního výzkumu. Specificky cílená investice 215 milionů korun umožnila vznik špičkově vybaveného centra zkoumající nové materiály pro praxi. O současném výzkumu, mezinárodním přesahu i o budoucnosti jsme si povídali se třemi hlavními vědci centra CUCAM.

Centrum pro cílenou syntézu a aplikace perspektivních materiálů – CUCAM vzniklo před čtyřmi lety na Přírodovědecké fakultě UK díky výzvě ministerstva školství na podporu excelentních výzkumných týmů. „Za vznikem centra stojí souhra několika okolností – v té době měl kolega Čejka velmi zajímavé experimentální výsledky ze syntézy nových zeolitů, které jsme chtěli dále studovat. Zároveň to byla první investiční výzva pro Prahu, která byla velmi zajímavá obnosem peněz,“ popisuje jeden ze zakládajících členů, profesor Petr Nachtigall. Centrum CUCAM získalo na šestiletý projekt 215 milionů korun: „Byla to velmi přesně cílená investice pro vytvoření týmu o 15 lidech. Na začátku jsme zvažovali, zda se nebudeme tematicky věnovat pouze katalýze, ale nakonec jsme se rozhodli zaměřit i na další materiály, které jsou zajímavé například pro optoelektronické aplikace nebo aplikace do zdravotnictví,“ doplňuje Petr Nachtigall.

„I samotná výzva byla unikátní, protože úspěšným týmům dala obrovský rozpočet, kdy polovina mohla jít na investice, což v jiných grantech nebývá. Jen tak jsme mohli vybudovat špičkové centrum se skvělým technickým vybavením,“ říká profesor Jiří Čejka. „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 efektivnímu využití investovaných prostředků,“ dodává profesor Ivan Němec.

Centrum CUCAM je unikátní i mezinárodním přesahem – polovinu týmu tvoří cizinci. Ostatně mezinárodní spolupráce a to, že centrum povede významný zahraniční vědec, bylo i druhou podmínkou výzvy: „Měli jsme velikou radost, že naši nabídku na vedení centra přijal profesor Russell Morris z University of St Andrews ve Skotsku, který s námi již dříve spolupracoval,“ říká Petr Nachtigall a hned dodává, že tento mezinárodní rozměr a často i dlouhé vědecké diskuze s profesorem Morrisem a dalšími členy mezinárodní vědecké rady o nejnovějších výsledcích výzkumů či dalším směřování centra CUCAM jsou nedocenitelné. „Do týmu se nám také podařilo získat řadu mladých a velmi perspektivních spolupracovníků, ve kterých vidíme velikou naději,“ doplňuje profesor Čejka.

Se studenty je to ale prý obecně horší: „Máme v týmu skvělé mladší kolegy, ale trochu jsme čekali, že budeme mít více motivovaných zájemců z řad studentů. Nedostatek zapálených studentů je obecný problém a v Česku navíc panuje určitý konzervatismus; studenti nastoupí na bakalářské studium, ale v tu chvíli si neumí vybrat, co je perspektivní téma. Často si vyberou jen podle lákavého názvu a nepoznají, že je to téma zastaralé nebo nekvalitní. Nejhorší ale je, že ve stejné laboratoři často zůstanou i na magistra a doktorát. Něco takového na zahraničních univerzitách není možné; studenti musí během jednotlivých fázích studia měnit témata,“ shrnuje Petr Nachtigall.

Materiály pro praxi: nové zeolity i samodezinfekční obvazy

Za počátečním vznikem centra CUCAM stojí experimentální výsledky profesora Čejky, který se celý profesní život věnuje studiu zeolitů, což je velmi důležitá třída materiálů pro průmyslové aplikace. „Zeolity se tradičně připravují tak, že vezmete chemikálie, za definovaných podmínek je smícháte a získáte nový zeolit. Teoreticky by takových zeolitů šlo připravit miliony, prakticky se jich tak dařilo získat pouze 250. Nám se podařilo objevit zcela nový způsob, jak zeolity připravovat. Unikátní myšlenka spočívá v tom, že nejdříve připravíme stavební jednotky – dvoudimenzionální desky, které následnou manipulací uspořádáme a vytvoříme nový zeolit, který by nešlo vyrobit jiným způsobem,“ popisuje profesor Čejka revoluční metodu ADOR (Assembly, Disassembly, Organisation, and Reassembly) díky které se dostali na světovou špičku v oboru zeolitů. „Projekt jsme psali tak, že chceme pochopit, jak to funguje a zda by tato metoda šla modifikovat a aplikovat i na další materiály,“ doplňuje profesor Nachtigall.

„Snažíme se nejen o to, abychom vyvíjeli nové materiály, ale aby ty materiály k něčemu byly – to znamená, že se velice pečlivě věnujeme charakterizaci těchto nových materiálů. K tomu využíváme špičkovou infrastrukturu, kterou v centru máme, a také spolupráce se zahraničními pracovišti,“ říká Čejka. Spolu s kolegy hledají možnosti, jak tyto nové zeolity i další materiály využít v adsorpci, separacích a v katalýze. „Další věc, co mě těší, je, že se nám daří navazovat kontakty s firmami, které mají zájem, abychom přímo pro ně nové zeolity vyvíjeli, čímž směřujeme i k jejich průmyslovému využití,“ dodává Čejka.

Často přitom bývá největší výzvou samotný vznik spolupráce s průmyslem a firmami. „Nejtěžší je přesvědčit firmy, že jim máme co nabídnout a že se vyplatí do nás investovat. Ale daří se nám to,“ říká a uvádí příklad: „Třeba spolupráce s firmou Solvay vznikla tak, že náš tehdejší student a nyní již člen týmu CUCAM, Jan Přech, vyhrál s přednáškou na konferenci Cenu Jean-Marie Lehna za chemii. Členem komise byl zástupce firmy Solvay, kterého to natolik zaujalo, že se nám ozvali a byl z toho první roční kontrakt.“

Profesor Jiří Čejka. 

Dalšími významnými oblastmi výzkumu centra CUCAM jsou materiály pro optické či fotochemické aplikace „V jedné části tohoto výzkumu hledáme nové krystalické materiály, které jsou schopné konverze záření a generování nových vlnových délek k využití i pro laserové aplikace,“ popisuje profesor Němec, vedoucí této části. Druhou oblastí jsou fotoaktivní nanovlákenné materiály, které působením viditelného světla generují například reaktivní formy kyslíku, a tak ničí bakterie a viry, což se v současné době, kdy svět bojuje s pandemií koronaviru, ukázalo jako velmi aktuální téma. „Výsledky výzkumného týmu profesora Mosingera daly vzniknout univerzitnímu spin–offu LAM-X, který se zaměřuje na samodezinfekční obvazové materiály, roušky nebo například filtry do klimatizací,“ vyjmenovává Ivan Němec.

Profesor Ivan Němec. 

Praktickým aplikacím je zdánlivě nejdále oblast teoretické chemie – počítačového modelování, kterou vede profesor Petr Nachtigall. „I my ale máme aplikační sféře co nabídnout. V tuto chvíli máme zpracované případové studie, které konzultujeme s průmyslem a na jaře chceme oslovit širší spektrum firem s nabídkou vzájemné spolupráce. Teoretická chemie udělala za posledních deset let obrovský pokrok, který nesouvisí jen s rozšířením hardware, ale především došlo k obrovskému průlomu, co se týká přesnosti a efektivity výpočtů. Jsme schopni s vysokou přesností simulovat, co se reálně děje.“

V centru CUCAM se například díky spojení experimentální a teoretické chemie podařilo prokázat, že zeolity ve vodě hydrolyzují: „Všichni si mysleli, že zeolity mají pevnou krystalickou strukturu. Když ale dáte zeolit do vody za pokojové teploty, tak zeolit není úplně pevný – ve vodě částečně hydrolyzuje, protože se naruší vazba mezi křemíkem a kyslíkem. Pokud ale zeolit zahřejeme a vodu odpaříme, tak se pevná struktura obnoví,“ popisuje profesor Nachtigall jeden z objevů, který nikdo netušil a zpočátku překvapil i samotné vědce. „Našim cílem je pochopit to, co naši kolegové pozorují experimentálně a není jasné, proč se to tak děje,“ dodává.

Profesor Petr Nachtigall. 

Štěstí přeje připraveným

„Ve vědě je velmi důležité vnímat i jevy, které primárně nebyly cílem vašeho pozorování a někdy mohou být i zajímavější než původně vytčené cíle,“ říká Ivan Němec. To potvrzuje i Jiří Čejka: „Štěstí přeje připraveným. Jednou například naše konkurenční laboratoř publikovala experimenty, kdy se jim podařilo zeolit rozložit na jednotlivé desky, ale oni to nepochopili. My jsme se na to díky jejich výsledkům vrhli a celou oblast přípravy nových zeolitů jsme posunuli na úplně novou úroveň,“ popisuje jeden z velkých úspěchů. „Naší motivací je porozumět věcem, kterým zatím nerozumíme, a to na atomární úrovni,“ shrnuje teoretických chemik Petr Nachtigall. Podle něho je důležité mít motivaci, věnovat tomu dostatek času a být v kontaktu s kolegy – vědecké výsledky se pak dostaví.

Všichni vědci se ale shodují, že věda se mění: „Dnešní věda je vysoce soutěživý boj. Mnoho lidí se zabývá podobnými tématy. Dříve se na konferencích bez obav sdílelo, co kdo udělal nového, dnes se říká jen to, co je už publikované,“ komentuje profesor Čejka a s povzdechem dodává, že řada administrátorů by vědce nejraději přeměnila na číslo: „Počet publikací a impakt faktory jsou samozřejmě důležité, ale dnes se to s tím často přehání a vede to k nekvalitní vědě, protože vědci jsou nuceni upřednostňovat kvantitu nad kvalitou.“

Budoucnost CUCAM

„Tento rok očekáváme velmi zajímavé výsledky v oblasti propojení strojového učení a teoretické chemie, a to hned v několika směrech – ukazuje se, že strojové učení je neuvěřitelné 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. Teď nám to strojové učení umožní,“ popisuje profesor Nachtigall. Konkrétní plány doplňuje i kolega Čejka: „Ve výzkumu nových zeolitů máme rozjeto několik zajímavých projektů, v jednom z nich například řešíme otázku vody v zeolitech a máme velmi zajímavé výsledky.“

Šestiletá finanční podpora centra CUCAM skončí v roce 2022, poté bude následovat pětileté období udržitelnosti, které bylo v podmínkách výzvy: „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. Ostatně s pokračováním centra se počítá i při plánované výstavbě nového Kampusu Albertov, aktuálně se na Přírodovědecké fakultě UK vedou diskuze o dalším efektivním fungování centra v dalších letech i po ukončení oficiálního projektu.