Výzkum materiálů budoucnosti na Přírodovědecké fakultě OU

Výzkumu materiálů budoucnosti, který patří k atraktivní vědecko-výzkumné oblasti, se v rámci základního výzkumu věnuje nedávno založená skupina chemické fyziky, která působí na Katedře fyziky Přírodovědecké fakulty Ostravské univerzity. Cílem tohoto výzkumu je návrh nízkodimenzionálních materiálů s výjimečnými vlastnostmi, ať už jde například o elektronické, optické, fotochemické či strukturní vlastnosti. To vše se děje pomocí počítačového modelování a pokročilých metod simulace elektronové struktury.

Dovedete si představit jakoukoliv práci s jakýmikoliv materiály na jejich atomární úrovni? Vizionářské představy o tom, že lze využít procesů na atomární úrovni pro nové technologie a manipulovat tak s velmi malými částicemi, přednesl už v roce 1959 americký teoretický fyzik a nositel Nobelovy ceny Richard Feynman ve své památné přednášce s názvem "There is Plenty of Room at the Bottom" (ve volném překladu "Tam dole je spousta místa"). Na tento obrovský skok z makrosvěta do nanosvěta, start současné éry nanotechnologií, mě upozornil vedoucí skupiny chemické fyziky PřF OU František Karlický, když mi odpovídal na mé dotazy k jejich výzkumu. Tehdy Feynman rozpoutal jednu z prvních diskuzí na toto téma, mnozí ho považovali za fantastu, jeho vize se ale začaly uskutečňovat za třicet až čtyřicet let od onoho památného výroku a současný i budoucí vývoj nanotechnologií jeho vize již předčí.

Miniaturizace v podání fyziků a chemiků neznamená, že nějakou vyráběnou součástku chytneme pinzetou, pohybujeme se v úplně jiném světě! Atomární manipulace s těmito součástkami je fascinující věc, často využívá mikroskopii atomárních sil, a probíhá typicky ve vakuu a za speciálních podmínek. Materiály je možné „skládat“ tak, aby měly unikátní vlastnosti, dokonce některé atomy se cíleně vyměňují za jiné. Dále, když se u nových materiálů dostaneme tloušťkou až na monovrstvu (tj. „tloušťku“ několika nebo i dokonce jednoho atomu), tak ztrátou jednoho rozměru získáváme materiály se zanedbatelnou hmotností oproti běžným materiálům (mluvíme o tzv. 2D materiálech) a v tomto spočívá velký technologický potenciál!

Trh požaduje například ohebná a ultratenká zařízení, jako jsou displeje, mobily, tablety, notebooky, dále miniaturizaci funkčních součástek nové generace, jako jsou třeba senzory, tranzistory, kapacitory, transformátory, nebo pro solární články se hledají takové materiály, které by maximálně absorbovaly v celém spektru slunečního záření, ale zároveň aby také dále uměly efektivně elektronové excitace přeměnit na použitelnou formu energie, jako je teplo, elektrický proud nebo chemická energie. Z toho pak pramení požadavky aplikovaného výzkumu na vývoj těchto materiálů s cílenými vlastnostmi. A právě na takovéto materiály je zaměřen výzkum skupiny teoretické chemické fyziky na PřF OU. Proces hledání nových materiálů může být totiž výrazně urychlen a zlevněn teoretickým výzkumem, jelikož je schopen vlastnosti nových materiálů modelovat a předpovídat.

„V naší skupině modelujeme nízkodimenzionální materiály, které by se pro „novou“ elektroniku a fotovoltaiku mohly v budoucnu využít. Jde o složitý proces. Musíme vědět, které klíčové vlastnosti materiálu jsou v dané chvíli požadovány průmyslem, z hlediska výpočetních nároků musí být simulované modely co možná nejjednodušší a nejmenší ale zároveň dost složité a velké na to, aby byla „fyzika správná“, což je někdy obtížné. Dále musíme zvážit jak přesně simulované vlastnosti materiálů požadujeme a poté můžeme volit vhodné výpočetní metody a pustit se do samotného modelování,“ vysvětluje František Karlický, co je klíčové pro jejich výzkum. Nedílnou součástí teoretického modelování hypotetických materiálů jsou výkonné počítačové klastry na katedře fyziky PřF OU nebo superpočítačová centra, jako je např. IT4Innovations v Ostravě.

„Typy výpočtů, které děláme, jsou tzv. „ab initio“, tj. „od začátku“, ze základních fyzikální teorií. Základní rovnice mikrosvěta je Schrödingerova rovnice. Její numerické řešení pomocí počítačů je naším denním chlebem. A fenomenální na tom je, že z této základní rovnice mikrosvěta můžeme spočítat i vlastnosti měřitelné v makrosvětě a přímo porovnatelné s experimentem,“ doplňuje František Karlický podstatu jejich výzkumu. Kromě fyziky nanostruktur se skupina chemické fyziky zabývá také vývojem a zdokonalováním samotných výpočetních metod.

Vědci základního výzkumu příliš neřeší ekonomickou stránku či další aspekty využití těchto materiálů dále v praxi. Základní výzkum nové materiály navrhuje nebo v malém množství experimentálně připraví, ukazuje, co se dá udělat, co je možné. Zda to pak praxe využije, to je už druhá věc. Např. nejslibnější materiály, které teoretický základní výzkum vymyslí, se potom jiní vědci snaží připravit. Pokud se toto daří, přichází fáze aplikovaného výzkumu, která určuje, zda jsou vlastnosti nového materiálu opravdu výhodnější, než u doposud používaných materiálů. Hodnotí např., zda je efektivní příprava materiálu i ve větším množství, odhaluje problémy při použití materiálu v součástkách apod. Ale i když je táto fáze úspěšná, neznamená to ještě, že se takto získané materiály dostanou do fáze průmyslové přípravy. Pro komerční využití je samozřejmě rozhodující cena nově připraveného materiálu, často nastanou i problémy s čistotou materiálu, např. množstvím defektů při jejich výrobě.

Zakládající členové výzkumné skupiny chemické fyziky jsou Mgr. František Karlický, Ph.D.Ing. Matúš Dubecký, PhD. Celá skupina se díky získaným grantům letos rozšiřuje o nové pracovníky (na postdoktorských pozicích), např. z Itálie, Finska nebo Slovenska.

„Výpočty kolegy Matúše Dubeckého jsou unikátní, neboť metoda kvantové Monte Carlo, která umožňuje určovat vlastnosti základního stavu kvantových mnohočásticových systémů, je v Česku téměř nepoužívaná a ve světě ji používá jen několik výzkumných skupin. Tato metoda má potenciál stát se v budoucnu dominantní referenční metodou v kvantové chemii a fyzice pevných látek. Matúš Dubecký je v této oblasti na špici vývoje, metodu aplikovanou na nekovalentní interakce už několik let rozvíjí a má v tom vynikající úspěchy (např. zvaný přehledový článek v prestižním časopise Chemical Reviews s impaktním faktorem 52,6 [Chem. Rev. 116, 5188, 2016] nebo zvané přednášky na prestižních zahraničních konferencích),“ uzavírá František Karlický naše povídání o jejich výzkumné skupině.

Tento výzkum má přesah i do výuky na této katedře fyziky, neboť byl v těchto dnech čerstvě akreditován bakalářský studijní program Fyzika, jednak s již tradiční specializací Biofyzika, a dále s novou specializací Fyzika nanostruktur.

Beáta Kapošváry


Na obrázku je ukázka miniaturního nano-tranzistoru (jednoho ze základních prvků elektrických obvodů) na bázi dvojrozměrných materiálů. Je vidět, kam až se v miniaturizaci došlo. Skok od mikrostruktur k nanostrukturám je zatím ale přece jen pro běžnou praxi ve fázi testování. Dodejme, že v relativně krátké době od objevu prvního dvojrozměrného materiálu (grafenu) v roce 2004 už byla udělena v roce 2010 Nobelova cena za výzkum dvojrozměrných materiálů (Novoselov a Geim).

nano-tranzistor Obrázek: Tunelovací tranzistor na bázi grafen-hBN-grafen: (a) schéma, (b) snímek zařízení s popisky, (c) voltampérová charakteristika při teplotě 1,6 K (převzato z: Zhu, Novoselov et al.: 2D Mater. 4, 011013, 2017).



Klíčové spolupráce skupiny chemické fyziky:

  • prof. Lubos Mitas, North Carolina State University, USA
  • dr. Hyungkyu Han, Los Alamos National Laboratory, USA
  • dr. Bruno Lepetit, Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité, IRSAMC, Université Paul Sabatier & CNRS, Toulouse, Francie
  • prof. Daniel Tunega, University of Applied Life Science (BOKU), Vídeň, Rakousko
  • doc. René Kalus, Národní superpočítačové centrum IT4I, Ostrava
  • prof. Radek Zbořil, prof. Michal Otyepka, doc. Petr Jurečka, dr. Jan Filip, Regionální centrum pokročilých technologií a materiálů, Palackého Univerzita, Olomouc