Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 10
Vesmír č. 10
Toto číslo vychází
2. 10. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Říjnové číslo Vesmíru
reklama

Magnetem přitažený běžec

Publikováno: Vesmír 95, 226, 2016/4
Obor: Fyzika

Sledoval sportovní přenosy a nevěřil tomu, co říká středoškolský profesor. Dnes je z něj špičkový fyzik, hledající cesty k prodloužení života či uskladnění elektřiny. To vše je podle Jiřího Tučka z olomouckého Regionálního centra pokročilých technologií a materiálů ukryto v titěrných částečkách hmoty – nanočásticích.

Zní zvon. Závodníci vbíhají do posledního kola a čtrnáctileté srdce Jiřího Tučka zvyšuje výkon. Oči fascinovaně upíná ke zběsilému úprku časomíry. Ne pro sportovní zážitek, ale pro čísla samotná. Jiří je miluje. Matematika je jeho vášeň. Sbírá složité příklady a v jejich řešení tříbí své nadání. „Věnoval jsem se jim po večerech, někdy i místo toho, abych se učil češtinu nebo zeměpis,“ vzpomíná dnes na okamžiky prokrastinace. Obrátky to získalo na gymnáziu, kde mu osud přihrál do cesty skvělého fyzikáře. Zpestřoval výklad historkami, ilustrujícími probíranou látku. Když probírali kinetiku vrhu tělesa, udělal ze studentů dobyvatele středověkého hradu, mající spočítat, jak kanonem dobývanou pevnost trefit. Jakmile příklad vypočítali, začal to komplikovat vanoucím větrem a nakonec přidal dřevěnou improvizovanou hradbu, kterou prý obránci stačili po posledním výstřelu zbudovat a dělo ji má překonat. „To byl pro můj zájem o fyziku mohutný hnací motor a učitel to věděl.“

Jednou, když probírali elektromagnetické jevy, dozvěděl se Jiří Tuček, že kolem elektrického vodiče existuje magnetické pole. Nevěřil tomu, ale když mu pedagog jev po hodině soukromě demonstroval s magnetkou, která se při zapojení elektřiny do vodiče odchýlila od geomagnetického zemského pólu, bylo o jeho dalším směřování rozhodnuto.

Zapuštění kořenů

Jakmile dostudoval aplikovanou fyziku (z pěti spolužáků studia dokončil jediný), byl opět na rozcestí. V kapse nabídky na práci v optickém průmyslu či v technologické firmě v oboru kvantové mechaniky, ale v hlavě dojem, že to není nic pro něj. Tehdy za ním přišel ředitel olomouckého výzkumného centra prof. Radek Zbořil s nabídkou. Před dvěma lety tam začali studovat nanočástice oxidů železa se zajímavými magnetickými vlastnostmi. Uměli je sice sledovat, ale měli ještě daleko k pochopení, proč nanočástice mají právě takové magnetické vlastnosti a jak je lze měnit, aby mohli vyvinout materiály přímo pro konkrétní použití. Tuček na nabídku spolupráce kývl a nerozmyslel si to ani poté, co jej prof. Zbořil upozornil, že na univerzitě ani v Česku se této problematice ještě nikdo důsledně nevěnoval. Ideální motivace, která mu umožnila v milované Olomouci zapustit hlubší kořen.

Patent

Jeho oborem se staly částečky hmoty, proti nimž je kapka mlhy jako obrovský oceán; prostředí, které se měří na atomy. Jedním z prvních materiálů, které začal studovat, byly nanočástice elementárního železa. Připravují se za vysokých teplot žíháním sloučenin železa ve vodíkové atmosféře V tomto redukčním prostředí reaguje vodík s kyslíkem za vzniku vodní páry, kterou vědci odsají a zůstává vysoce reaktivní (nulamocné) železo.

Zpočátku dokázali vyrobit jen pár miligramů částic. Když je chemik přinesl do Tučkovy laboratoře, vypadaly na dně zkumavky, jako by šlo o špinavě černou tekutinu. Vědec pak s pomocí Mössbauerova spektrometru zkoumal vlastnosti částic, a pokud neodpovídaly tomu, co tým pro zamýšlený cíl potřeboval, dával chemikovi zpětnou vazbu a celá procedura se opakovala. Jen zkoumání vlastností materiálu trvalo zpočátku nejméně pět dnů, což spolu s následným vývojem nové substance proces mimořádně zpomalovalo. Tuček se proto spolu se dvěma studenty pustil do zdokonalení spektrometru. Brzy se jim podařilo analýzu materiálu zkrátit na pouhých několik hodin, což si záhy nechali patentovat. Navíc dokázali snížit množství substance, potřebné k analýze; místo původních 50 mg jí teď stačí pětkrát méně při současné vyšší spolehlivosti výsledku měření. Tým toho hned využil při hledání nových materiálů.

Vymítání těžkých kovů

V laboratorních podmínkách je železo připravené v nanorozměrech vysoce reaktivní elementární kov. Pokud se setká se sebemenším množstvím vzdušného kyslíku, okamžitě začíná hořet. Tato reaktivita je však současně důležitým zdrojem jeho schopností při čištění kontaminovaných podzemních vod. Setká-li se povrch nanočástice železa s rozpustnými toxickými formami arsenu, chloru, uranu a dalších jedovatých kovů, zredukuje je na netoxické pevné fáze. Velmi účinné se nanočástice železa ukázaly také při odstraňování organických látek, zejména chlorovaných uhlovodíků. Toho by se dalo využít při čištění oblastí životního prostředí zamořených jedovatými látkami, uvědomili si vědci. Bude to ale fungovat i mimo laboratoř? Aby to mohli ověřit, museli se nejprve naučit připravovat více než jen pár gramů nanočástic. Nově vyvinutý a patentovaný postup umožňuje denně připravit stovky kilogramů látky.

Na vytipovaných místech Česka, zasažených průmyslovými kontaminacemi, pak navrtali do země otvory a disperzi nanočástic nechali vsáknout do půdy. Substance nyní postupuje horninovým prostředím a ukazuje další podstatnou vlastnost nanočástic železa – schopnost „plout“ v podzemní vodě a dekontaminovat prostředí na velkou vzdálenost. „Výhodou je, že se jedovatý element nevrátí zpět do životního prostředí, neboť je již pozměněn v nerozpustnou formu, uvězněn v oxidu či jiné sloučenině, která se již nevyváže zpět do životního prostředí,“ upozorňuje Tuček. Ten se věnuje především mechanismům odstranění znečišťujících látek pomocí nanoželeza také v rámci velkého evropského projektu NANOREM, ve kterém participuje 28 evropských týmů (Česko reprezentuje Palackého Univerzita Olomouc a Technická univerzita Liberec).

Zachránit životy

Další perspektivní oblastí pro nanočástice oxidů železa je medicína. Zahraniční laboratoře už na tomto poli začaly bádat v sedmdesátých letech minulého století a vyvinuly komerční kontrastní látky využívané v lékařské diagnostice pomocí magnetické rezonance. V České republice, známé vysokým výskytem zhoubných onemocnění zažívacího traktu, se zatím žádná takováto látka nepoužívá, ačkoliv by pro pacienty byla jednoznačným přínosem, neboť by nemuseli podstupovat nepříjemná invazivní vyšetření typu kolonoskopie.

Tučkův tým se proto rozhodl vyvinout kontrastní látku, jež je nejen účinná, ale ve srovnání s konkurenčními látkami také levná. Výsledky klinické studie, kterou mezi léty 2009 a 2013 podstoupilo několik desítek pacientů ve Fakultní nemocnici F. D. Roosevelta ve slovenské Banské Bystrici, ukázaly, že látka funguje velmi dobře. Substanci smíchanou s džusem pacient vypije a po asi 30 minutách jde na nukleární magnetickou rezonanci. Kontrastní látka potlačuje nežádoucího signál tenkého střeva, což výrazně napomáhá viditelnosti patologických změn ve slinivce břišní nebo problémů žlučových cest (např. žlučových kamenů). V navazující klinické studii lékaři rovněž zjistili, že vyšetření s kontrastní látkou z „olomouckých“ nanočástic oxidů železa je vysoce účinné také u pacientů s cirhózou jater, kteří mají vodu  břišní dutině (ascites). Zvláště výhodné je toto vyšetření v těch případech, kdy pacienti čekají na transplantaci jater, neboť je nutná přesná lokalizace a vyšetření okolních žlučovodů a slinivky břišní před transplantací. Bez zmíněné kontrastní látky by mimojaterní žlučové cesty nebyly dobře viditelné.

Magnetické nanočástice lze navíc využít nejen k diagnostice, ale i k léčbě. Látka se vstříkne do těla, k postiženému místu se na kůži přiloží silný magnet, takže částice zůstanou koncentrovány v cílovém místě. Použitím střídavého magnetického pole pak vzniká v nanočásticích teplo, které působí na postižené tkáně. Metoda (magnetická fluidní hypertermie) je považována za perspektivní v léčbě nádorových onemocnění, podobně jako cílený transport léčiv. I tady mohou magnetické nanočástice fungovat jako nosiče, které s použitím magnetického pole dopraví účinnou látku přímo k nádoru, kde ji selektivně uvolní. „Obrovskou výhodou je nejen vyšší účinnost takové cílené terapie, ale i mnohem méně vedlejších účinků oproti klasickým metodám,“ doplňuje Tuček.

Baterie budoucnosti

Kromě zlepšení kvality života a životního prostředí se olomoucký rodák věnuje i dalšímu klíčovému tématu současnosti – možnostem získávání nových zdrojů energie a jejímu uchování. Posledních cca pět let se proto olomoucký tým věnuje využití nanočástic oxidů železa v elektrodách elektrických článků. Za pomoci sluneční energie v nich vzniká vodík, který je hlavním cílem uchovávání energie. Porézní elektrody, obsahující nanočástice oxidů železa poskytují obrovskou účinnost přeměny. Přesto jsou zatím jen na 10 %, což je jen necelá polovina teoretického maxima (22 %) účinnosti. „Myslím si, že do deseti let se tato technologie stane běžným konkurentem současným technologiím,“ myslí si Tuček a ve skrytu duše doufá, že řešením by mohly být právě některé materiály, na kterých olomoucký tým spolupracuje zejména s německými kolegy z Univerzity v Erlangenu.

Sen

Jak bude vypadat jeho život v roce 2026, si ale Jiří Tuček raději netroufá odhadovat. „Něčeho bych chtěl ještě ve vědě dosáhnout, ponořit se do ní hlouběji. Rád bych se vrátil k otázkám, jimiž jsem se zabýval v průběhu doktorátu.“ Tehdy byl ponořen do magnetismu. Většina jevů v této oblasti není dokonale matematicky popsána. Kupříkladu problém magnetických nanočástic, jež mají tendenci se shlukovat. To je veliký problém při medicínských aplikacích nanotechnologií, neboť vznikají mikroobjekty, které ztrácejí veškeré vlastnosti, kvůli kterým vědci nanočástice připravili. „Rád bych toto chování popsal matematicky, neboť se o to zatím nikdo nepokusil,“ sní Tuček o možnosti vysvětlit, jak se shluky částic vytvářejí a jak předejít tomu, aby se tvořily. „Dala by se pak namodelovat nějaká látka, jíž by se nanočástice pokryly, a pomohla by nám zamezit těmto nežádoucím interakcím anebo je naopak podpořit.“

Velkou výzvu vidí také v přípravě magnetických materiálů na bázi uhlíku. „To je dlouholetý sen vědecké komunity – připravit materiál, který nenese kovové prvky a je přitom magnetický. V tomto směru jsme možná nejdál ze všech světových laboratoří. Nedávno jsme připravili doposud nejsilnější ‚nekovový‘ magnet chemickou úpravou dvojrozměrného grafenu,“ říká Tuček a věří, že jsou na stopě novým materiálům, jež by otevřely dveře k aplikacím ve spintronice nebo medicíně. Jestli se mu to podaří? Při pohledu na svůj pracovní rozvrh, v němž spoustu času zabírá administrativa, je skeptický. Současně však doufá, že bude mít mnoho studentů s podobnými vizemi, kteří mu v tomto směru bádání pomohou.

Patří ke mně: běžecké boty

Jako malý kluk jsem trávil celé dny s kamarády venku. Hráli jsme fotbal a dělali klasické klukoviny, ale naší nejoblíbenější hrou byla hoňkoschovka. Časem jsem začal běhání vyhledávat stále častěji a dnes mohu jednoznačně prohlásit, že je to můj nejmilejší koníček, jemuž věnuji téměř veškerý svůj volný čas.

Obouvám své oblíbené běžecké boty a utíkám na trénink. Ve skupině běžců jsem nejstarší a prý i nejpomalejší, ale pro mne ten sport je spojen spíše s vytrvalostí. Vždycky při něm vypnu hlavu, všechny problémy se vzdálí a soustředím se jen sám na sebe a na výkon, který chci podat. Vloni jsem si splnil životní sen – zaběhl půlmaraton a na letošek už mám naplánované tři další – v Praze, Olomouci a Hradci Králové. Někdy v budoucnu bych rád uběhl celý maraton. Svou lásku tedy nemohu upínat jen k jedněm botám, neboť bych daleko nedoběhl.

Jiří Tuček (*1978)

Rodák z Olomouce, patriot šťastný z toho, že se mu podařilo získat bydlení s výhledem na historické jádro města a zajímavou práci.

Absolvoval Gymnázium v Olomouci–Hejčíně, jednu z prvních polistopadových škol, v níž se veškerá výuka (krom češtiny) odehrávala v anglickém jazyce. Vystudovat aplikovanou fyziku na Přírodovědecké fakultě Univerzity Palackého v Olomouci, tamtéž získal doktorát a docenturu.

V současnosti vedoucí vědecký pracovník v Regionálním centru pokročilých technologií a materiálů Univerzity Palackého v Olomouci. Je autorem nebo spoluautorem 102 článků, indexovaných v databázi Web Of Science, s 1560 citacemi a h-indexem 20.

Všímá si, jak s přibývajícím vzděláním podvědomě klesá ochota zkoušet nové věci, respektive vnímavost k tomu, co je nové, neprobádané. „Jedete po nějaké koleji, a když přijde výhybka, vy neuhnete. Prostě si řeknete: ‚Pojedu stále rovně, protože tam to funguje!‘ Už neuděláte důležitý odklon, který by mohl přinést nové poznání,“ uvažuje. Za výhodnou příležitost proti tomuto trendu bojovat považuje mít k sobě nějakého mladého studenta nebo nějakou, jak říká, „dychtivou mysl budoucnosti“, která ještě není zasažena tolika poznatky a přijde za vámi s nápadem: „,Pane docente, co kdybychom zkusili toto...‘ A vy už si řeknete: ‚to asi nebude to pravé, ale je to mladý mozek, možná na tom něco bude.‘ Prostě ho necháte jít jinou cestou a kolikrát se stane, že ta cesta opravdu není slepá. Že se začíná rozvětvovat a skutečně někam pokračuje.“

Navzdory právě řečenému stále doufá, že se mu podaří pochopit a popsat nějaké dosud neprobádané magnetické jevy a jejich projevy. Trápí jej jen narůstající byrokracie, která jej s přibývajícími léty a funkcemi ve vědecké obci odvádí od vědecké práce. Ideálně by si představoval 80 % svého času věnuje ve prospěch vědy.

Líbil by se mu model, v němž by za vědci přicházeli mecenáši a říkali: „Mě se líbí, co děláte, tady máte prostředky, o nic se nestarejte, dělejte jen vědu.“ Výsledky takové práce by samozřejmě patřily tomuto člověku. Tento model, funkční v USA či Japonsku, se u nás zatím teprve rozbíhá. Na druhou stranu si není jist, zda by chtěl do vědy investovat 14–16 hodin denně, jak je to v citovaných zemích obvyklé.

Proustův dotazník

Kdy se cítíte bezbranný? — V letadle. Když vím, že cokoliv by se stalo, nemohu nic udělat.

Co děláte, když si chcete dopřát extra luxus? — Když mám hodně dobrou náladu, tak si dám nejraději věneček se šlehačkou. To je sladkost, která mne hodně uspokojuje.

Co v životě děláte rychle? — Rychle uklízím. Vzhledem k tomu, že mne to moc nebaví, je to činnost, která mi jde nejrychleji.

 

Soubory

článek ve formátu pdf: V201604_226-229.pdf (573 kB)

Diskuse

Žádné příspěvky