„Naše práce je klíčová pro mnoho oborů, protože určujeme, jak jsou atomy v materiálu uspořádány, což je naprosto zásadní pro jejich vlastnosti i další výzkum,“ říká pro Technický týdeník Monika Kučeráková, působící jako vědkyně na FZÚ AV ČR a FJFI ČVUT.
|
Ing. Monika Kučeráková, Ph.d.
Je jedním z nejzkušenějších krystalografů v Česku. od roku 2012 pracuje ve fyzikálním ústavu AV ČR v oddělení Strukturní analýzy. Vyřešila stovky krystalových struktur a přispěla k rozvoji programu Jana2020, tedy krystalografického výpočetního systému se světovým renomé, který pomáhá řešit komplikované struktury látek. Současně působí na fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze, kde přednáší neutronovou difrakci a fyziku pevných látek. |
V rámci 18. ročníku prestižního programu L'Oréal-UNESCO Pro ženy ve vědě, zaměřeného na podporu talentovaných vědkyň na začátku jejich badatelské dráhy, odbornou porotu letos nejvíce zaujaly tři odbornice zaměřené na oblast fyziky a mikrobiální a systémové ekologie: Kateřina Kopalová z katedry ekologie Přírodovědecké fakulty UK a Botanického ústavu AV ČR za práci přispívající k většímu porozumění mikrobiální ekologii, evoluci a v souvislosti s krizí klimatických změn i k šíření a biodiverzitě těchto organismů, Kateřina Sam, vedoucí Oddělení ekologie a Laboratoře multitrofických interakcí Entomologického ústavu Biologického centra AV ČR a vedoucí výzkumného týmu na Přírodovědecké fakultě Jihočeské univerzity věnující se tématu interakce hmyzožravých predátorů a kořisti a následným dopadům jejich vztahů na ekosystémy, a Monika Kučeráková z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR, sekce fyziky pevných látek, která se v rámci své specializace věnuje analýze monokrystalů, tedy složitým materiálům, které se skládají z několika desítek až stovek atomů.
A jelikož se třetí ze jmenovaných oceněných žen věnuje oblasti, která může mít, a v praxi už také má, dopady na průmysl v široké škále segmentů, oslovili jsme ji, aby nám o své práci a o jejích možných přínosech řekla více. Jako krystalograf a během své praxe se totiž zabývala řadou inovativních materiálů. Například se jednalo o atomárně přesné nanoklastry, tedy částice skládající se až z několika stovek atomů (uspořádaných do kovového jádra a obalu z [an] organických ligandů), které mohou být díky svým jedinečným optickým vlastnostem (luminiscence apod.) využity například jako senzory (např. pro detekci znečištění vody, detekce výbušnin apod). V tomto případě se jedná o základní výzkum s cílem určit přesnou strukturu.
Podílela se však také na zkoumání difuze v ekologickém betonu. Pomocí neutronové difrakce vědecký tým prozařoval kostičky tohoto betonu (geopolymeru), ve kterých probíhala difuze vody / těžké vody s gadoliniem. Tento beton má potenciál využití v úložištích jaderného odpadu. A v neposlední řadě se věnovala také studiu struktur léčiv.
Krystalografie má poměrně velkou řadu různých podoborů. Kterým z nich se při své práci zabýváte konkrétně vy?
Mou specializací jsou difrakční techniky, díky nimž se lze podívat na uspořádání atomů v nejrůznějších materiálech. K difrakci je možné použít buď rentgenové záření, nebo neutrony, případně elektrony. Běžně používám obě možnosti, ale typičtější je metoda rentgenová.
V praxi to vypadá tak, že záření namíříme na vzorek s pravidelně uspořádanými atomy v mřížce a následně pak na detektoru vidíme obraz, který nám řekne vše o složení a rozložení atomů v krystalu. Z této znalosti lze pak odvodit některé vlastnosti materiálů. Úplně konkrétně se zabývám studiem atomárních struktur různých krystalických materiálů, což znamená, že po provedení analýzy mohu říci, jaké atomy se na jakých pozicích nacházejí a zda výsledek odpovídá předpokládanému stavu. Jinak řečeno, ostatním vědcům či soukromému sektoru verifikuji jejich práci například na nových materiálech.
Zároveň, pokud vím, existuje rentgenová difrakce monokrystalu a prášková difrakce. Jaký je mezi nimi rozdíl?
Pokud se na to budeme dívat aplikačně, dalo by se říci, že pokud nás zajímá přesná struktura látky, je lepší difrakci podrobit celý monokrystal. S využitím softwaru Jana2020, vyvinutého v Oddělení strukturní analýzy na FZÚ AV ČR, lze pak u něj určit uspořádání atomů, velikost mřížky, vzdálenosti atomů či to, jak jsou ve struktuře přesně umístěny.
Pokud nás však zajímá například, jaké máme v materiálu fáze, pak je výhodnější použít práškovou difrakci, kdy se materiál rozdrtí, čímž vnikne velké množství polykrystalů, a jejich analýza nám pak tyto informace poskytuje. Data, která práškovou difrakcí získáme, se pak porovnávají s databází známých látek, přičemž sledujeme, zda se shodují. Pokud se výsledky analýzy liší od databázových informací, může to značit jiné vlastnosti materiálu nebo i nový materiál.
Tím se vracím na začátek, když jsem říkala, že verifikuji, zda je dodaný vzorek shodný s předpokládaným. Metoda práškové difrakce je na některé věci méně přesná, na jiné je naopak přesnější. I proto se s difrakcí monokrystalu krásně doplňují, a je tedy občas dobré tyto varianty kombinovat.
Zmínila jste, že spolupracujete s průmyslovým sektorem. Kdy se na vás firmy obracejí a proč?
V případě farmaceutických společností se jedná o vývoj zcela nových léčiv, i případně generik. Na vzorcích, které od nich získám, sledujeme, jak přesně složení analyzovaného krystalu odpovídá informacím z laboratoře.
A pokud se na nás obrátí klasické průmyslové firmy, tak například proto, že jim při vývoji materiálu na jeho povrchu vznikne vrstvička jiné, pro ně v ten moment neznámé látky, a oni potřebují vědět, oč jde. Dodají nám její vzorek a my pak za pomoci práškové difrakce porovnáme látku s databází a zjistíme výsledek. Většinou jde o různé oxidy, což může znamenat chybu ve výrobním procesu. V podstatě tak tedy verifikujeme i samotné výrobní procesy.
Moji kolegové pak v některých projektech dokonce spolupracoval i na hledání změn parametrů při výrobě tak, aby se dosáhlo požadovaného materiálu s požadovanými vlastnostmi. Postupně s firmou ladili výsledky, až dospěli k tomu správnému postupu výroby.
Velkou část vaší práce spolkne i primární výzkum, konkrétně výzkum atomárně přesných nanoklastrů. Co si pod tím můžeme představit?
Nanoklastry jsou novou skupinou materiálů. Jde o nanočástice, které mají rozměry pod 3 nm. Skládají se z několika vrstev, pro zjednodušení ale budu hovořit jen o dvou hlavních: jádru a obale. V jádru se nacházejí i stovky kovových atomů, typicky atomů stříbra, mědi či zlata, které jsou přesně uspořádané. Jádro je ale nestabilní, proto jej musí chránit obal. Díky němu pak lze teoreticky nanoklastr vykrystalizovat i ve větším množství, třeba v desítkách gramů. Což je nesmírně důležité pro budoucí aplikace do praxe.
V současné době spolu s několika dalšími kolegy z Česka spolupracuji na mezinárodním výzkumném projektu, kdy se v součinnosti s chemiky zabývám výzkumem právě modifikace obalu. Ten má sice funkci ochrannou, ale my jsme zjistili, že jeho dílčí vlastnosti ovlivňují i vlastnosti celého nanoklastru. Nezáleží tedy jen na složení jádra, ale i na složení jeho ochranné obálky.
A opravdu zajímavé je, že náš výzkum je zcela jedinečný. Můžeme si tedy být jisti, že nanoklastr, který vytvoříme, předtím neexistoval. Jdeme cestou tvorby zcela nových nanočástic.
Jaké vlastnosti mají nanoklastry, s nimiž pracujete, a kde by se daly aplikovat?
Naše nanoklastry mají unikátní optické vlastnosti, takže si dokážu představit aplikaci například v oblasti senzorických materiálů. Mohlo by jít o citlivé vrstvičky pro detekci výbušnin, mohly by vznikat i různé biosenzory, které budou osazeny citlivými vrstvičkami z nanoklastrů a budou například vizuálně měnit barvu, pokud detekují nějakou určitou látku.
Nutno dodat, že zrovna v této oblasti výzkumu je momentálně poměrně rušno, takže cílem je připravit klastry v co největším množství tak, aby se mohly začít zkoumat možné aplikace a zařazení do průmyslu.
Na tomto výzkumu se podílejí skupiny z celého světa, například z USA, Německa či Indie. A právě v Indii už dokonce zkoušejí první aplikace. Jedná se o senzory sledující čistotu vody. Za ČR celý tým zaštiťuje AV ČR, konkrétně se na projektu podílí Fyzikální ústav a Ústav anorganické chemie.
V minulosti jste se ovšem věnovala také aplikovanému výzkumu zirkonu a jeho slitin. Oč šlo?
To se vracíme k mé disertační práci a tak trochu do jiné oblasti krystalografie, kdy jsem pracovala s čistým i dopovaným zirkoniem a řešila jejich přednostní orientace. Na rozdíl od mé současné práce, kdy se věnuji novým materiálům, je uspořádání atomů zirkonu i jeho slitin známé. My jsme proto zkoumali vliv různých metod tváření (nejčastěji tažení) na mechanické vlastnosti. Sledovali jsme zejména to, jak se při různých intenzitách tahu změní orientace krystalových zrn v materiálu a jaký to bude mít vliv na jeho konečné vlastnosti.
Vzorky dopovaného zirkonia jsem měla k dispozici z Ústavu jaderných paliv na Zbraslavi, přičemž šlo o trubičky dlouhé zhruba 10 cm, které se skutečně používají jako obaly do palivových tyčí. Tyto vzorky jsem pak porovnávala s vlastnostmi vzorků čistého zirkonu, který mi opět v podobě 5—10 cm dlouhých špalíčků poskytla moje školitelka. Vzorky jsem tenkrát zkoumala rentgenovou i neutronovou difrakcí, která dokáže proniknout hlouběji do materiálu. Dojížděla jsem tedy také do Laboratoře neutronové difrakce v Řeži u Prahy.
A jaké byly výsledky?
Zjistila jsem dvě základní věci. Tím hlavním bylo, že dopování zirkonu určitými dopanty má významný vliv na změnu textury, což vede např. k větší odolnosti proti hydridům. Když je totiž obal palivového prutu roky umístěný v agresivních podmínkách, jaké panují v reaktoru, hrozí tvorba hydridů a následné poškození povrchu obalového prutu.
Zároveň jsme prokázali, že preventivní účinky vůči tvorbě hydridů má také určitá míra tváření zirkonu. Materiál pak může být v reaktoru i desítky let.
Výzkum probíhal v podmínkách co nejpodobnějších těm, jaké panují při provozu reaktoru, takže třeba i za vysokých teplot, a k dispozici jsme měli mnoho vzorků s různými dopanty tak, jak je dodal průmyslový partner.
Za svůj přínos vědě jste letos získala ocenění L’Oréal-UNESCO Pro ženy ve vědě. Co vás přimělo se soutěže účastnit?
Soutěž jsem znala již z minulosti, ale odvahu se do ní přihlásit mi dodali kolegové, kteří mě celou dobu podporovali. Problematika, které se věnuji a s níž jsem šla do soutěže, není práce jednotlivce, nýbrž celého týmu. A znamená to pro mě, že naše úsilí má smysl a máme pokračovat v tvrdé práci.
Jak je na tom, podle vás, česká věda? Máme potenciál dlouhodobě uspět v konkurenci vědců z prestižních univerzit v Evropě i mimo ni? Daří se nám dělat světový výzkum?
Podle mne si česká věda v mezinárodní konkurenci vede více než dobře. Stačí se podívat na nominace nebo vítěze třeba České hlavy, ceny Neuron a dalších. Z nich je patrné, že čeští vědci patří do světové špičky.
Vědce světové úrovně máme i ve Fyzikálním ústavu. Můžu jmenovat například kolegy z oddělení, Dr. Palatinuse a Václava Petříčka. Oba shodou okolností ocenění Neuron získali. Známí jsou např. bratři Jungwirthovi a mnozí další. Ti všichni dělají výzkum, který opravdu posouvá hranice současného poznání, a díky nim se česká věda právem řadí ke světové špičce.