Náš výzkum přispívá k inovacím v molekulové elektronice

Jste držitelem rekordu v počtu článků v rámci všech stipendistů Nadace Experientia. Jaký je recept na váš úspěch?
Zřejmě spolupráce. V době svého doktorátu jsem působil na třech univerzitách – první rok na VŠCHT v Praze, dále na Masarykově univerzitě v Brně a na Fribourgské univerzitě ve Švýcarsku. Využil jsem kontaktů ze všech tří institucí a články byly výsledkem této spolupráce. Nikdy nebyly čistě syntetické, čistě teoretické ani čistě fyzikálně-chemické, vždy se jednalo o nějakou kombinaci. Když spolupracujete se skvělými vědci, jste jednoduše produktivnější. Navíc po skončení pobytu ve Švýcarsku jsem odjel na další postdoktorandskou stáž do Spojených států amerických, kde jsem byl svědkem, že spolupráce může fungovat ještě daleko lépe.

Ve svém výzkumu v rámci Nadace Experientia jste se zaměřil na design, syntézu a následnou charakterizaci stabilních fragmentů grafenu. Čím jsou zajímavé?
Grafen je materiál, který má fantastické vlastnosti. Problém spočívá v tom, že se vzhledem k velikosti molekul jedná v podstatě o nekonečnou dvojrozměrnou mřížku atomů uhlíků, která tvarem připomíná list papíru. Nejde ji tedy přesně a snadno syntetizovat v laboratoři z malých molekul. Přesto se ale grafen dá získat i z obyčejné tužky. Tuha je vlastně mnoho „molekul“ grafenu naskládaných na sobě, jako stoh obrovského množství listů papíru. Vlastnosti stohu papíru jsou jiné než vlastnosti jednoho listu. Stejně tak vlastnosti tuhy jsou jiné než vlastnosti grafenu. Ale i grafen je vodič elektrického proudu a pro elektroniku by bylo velice výhodné, kdyby grafen mohl být i polovodič. Proto se vědci snaží syntetizovat fragmenty grafenu jako malé molekuly (Obrázek 1a), aby jejich studiem pochopili, co je příčinou specifických vlastností grafenu, a uměli je tak přesně modifikovat. V našem výzkumu jsme se zaměřili na fragment, polyaromatický uhlovodík triangulen (Obrázek 1b), který má trojúhelníkový tvar. Tento fragment je speciální v tom, že má dva nepárové elektrony. To je vlastnost velmi odlišná od naprosté většiny organických molekul, které známe, protože tyto mají elektrony téměř vždy spárované. Když máte v molekule nepárové elektrony, můžete je například uspořádat v magnetickém poli. Spárované elektrony ale ve většině organických molekul s magnetickým polem neinteragují, pokud není velmi silné.

Centrálním tématem projektu byla příprava stabilního derivátu triangulenu. Jak jeho příprava probíhala?
Když máte v molekulách nepárové elektrony, jsou tyto molekuly značně reaktivní, a proto nestabilní. Například je nemůžete mít na vzduchu. Kyslík je totiž velmi speciální molekula složená ze dvou atomů kyslíku, která má taktéž dva nepárové elektrony, což je mezi běžnými molekulami obrovská výjimka. A protože má kyslík nepárové elektrony, tak s naší molekulou, která má taktéž nepárové elektrony, velmi snadno reaguje. Z toho důvodu jsme se snažili vyvinout metodu přípravy prekurzoru, ze kterého by bylo možné v jednom kroku připravit kineticky stabilní triangulen.

Malé organické molekuly tohoto typu mohou v nepříliš vzdálené budoucnosti vést k velkým inovacím v průmyslu elektronických zařízení. Jak k ní napomohou?
Například tím, že mají nepárové elektrony, mají tyto molekuly magnetické vlastnosti. To znamená, že když je budete skládat do nějakého materiálu, můžete vytvořit malinkaté magnety. Se spiny nepárových elektronů můžete operovat z jednoho směru (stavu) na opačný. Výhodou molekuly jako magnetu je, že je v ní možné uložit jeden bit informace. Na uložení veškerých znalostí, knih, informací a dat, které lidstvo vyprodukovalo, by nám stačilo malé množství materiálu. Navíc spiny nepárových elektronů se navzájem „cítí“ a této vlastnosti se využívá například ve výzkumu kvantových počítačů.

V dalším projektu jsme s Michalem Juríčkem pracovali i s jinou specifickou vlastností molekul, než jsou nepárové elektrony, a tou je chiralita, tedy asymetrie prostorového rozložení atomů v molekule. Dvě molekuly složené ze stejných atomů mohou mít díky chiralitě odlišnou vodivost elektronů s různým spinem. I to se využívá v poměrně mladém a perspektivním oboru molekulové spinové elektroniky (spintroniky).

Proč jste se vy osobně specializoval právě na tuto oblast chemie?
Doktorát jsem absolvoval na více univerzitách a na každé z nich jsem se přiučil jinému typu chemie. Na všech třech pozicích jsem se ovšem zabýval molekulami, které mají nepárové elektrony a jsou velmi reaktivní. Zaměřoval jsem se na studium mechanismů fotochemických a pyrolytických reakcí. Když ve fotochemické reakci přeměníte jednu molekulu na druhou, často k tomu nedojde přímo. Při přeměně molekul se vytvářejí velmi krátce žijící intermediáty, které žijí například nano- nebo i pikosekundu. Zkoumal jsem, jakou mají strukturu a jak lze ovlivňovat jejich reaktivitu nebo délku života. Když porozumíte přeměně jedné molekuly na druhou, můžete nastavit podmínky reakce tak, že vytvoříte úplně nové produkty, které předtím nebyly dosažitelné. A to mi přišlo velmi zajímavé.

Díky grantu Nadace Experientia jste vycestoval na Basilejskou univerzitu ve Švýcarsku do skupiny profesora Juríčka. Čím vás vlastně oslovil?
S Michalem Juríčkem se známe dlouho, pocházíme ze stejného města na Slovensku. Na střední škole jsme oba dělali chemickou olympiádu. Michal Juríček je skvělý chemik. Když začal dělat nezávislý výzkum, bylo mi jasné, že bude patřit ke špičce minimálně v Evropě. Navíc se ve svém výzkumu začal věnoval tomu, co mě už dlouho zajímalo a lákalo. Kromě toho mi bylo jasné, že když budu pracovat s ním, budu dělat kvalitní výzkum, který mě bude bavit, ale také se v jeho skupině rychle adaptuji na nové prostředí. To je při tak krátkém pobytu velice důležité.

Jak vypadala spolupráce s profesorem Juríčkem? Jak pracuje a co jste se od něj zásadního přiučil?
Michal Juríček je absolutně fantastický v prezentaci výsledků a v psaní grantů. Například minulý rok získal ERC starting grant pro mladé vědce. Před tím dva roky pracoval ve Spojených státech ve skupině profesora Stoddarta, který získal Nobelovou cenu za chemii v roce 2016. Tam se naučil, jak napsat výborný článek, jak vysvětlit vědecké komunitě, proč je jeho výzkum důležitý a proč je třeba se mu věnovat. Jeho zkušenosti a know-how mi velmi pomohly. Troufám si říct, že od té doby píši lepší články i grantové přihlášky, které jsem napsal tři. Dvě byly úspěšné, a to je především jeho zásluha.

Jaké byly vaše dojmy z Basilejské univerzity? V čem se tamní vědecké prostředí liší od českého?
Obrovský rozdíl jsem viděl v podpoře administrativy. Prof. Juríček si v Basileji založil vlastní skupinu a když jsem viděl, jaká je podpora ze strany administrativy na univerzitě, velice příjemně mě to překvapilo. Celý čas se mohl věnovat práci v laboratoři a výzkumu – nejen interakcí se studenty, ale dokonce i  on sám mohl trávit většinu času prací v laboratoři. A to není úplně běžné. Dnes, protože jsem v podobné pozici, vidím, že je to zásluha administrativy.  Nemusím nic řešit, mám grant a když si potřebuji třeba něco koupit, neběhám za “dvaceti“ lidmi, zkrátka si to objednám přes aplikaci. Veškerou další administrativu zajišťuje paní sekretářka. Podpora administrativního aparátu na univerzitách ve Švýcarsku je skvělá a ve Spojených státech byla snad ještě lepší. V tomto český systém stále dost zaostává. V Praze i v Brně stráví vedoucí příliš mnoho času administrativní činností, která je obírá o hodnotný čas, který by mohli věnovat buď studentům, anebo samotné vědě.

S jakým cílem jste na stáž odjížděl?
V době doktorátu, který jsem strávil na třech různých univerzitách, jsem dělal všechno možné, od syntézy po kvantově-chemické výpočty. Částečně jsem rozuměl všemu, ale necítil jsem se jako odborník ani v jedné oblasti. A přece jen jsem při doktorátu strávil více času při výpočtech než při samotné chemické syntéze. Cítil jsem, že se potřebuji vrátit do laboratoře, nabýt sebevědomí a získat pocit, že jsem i dobrý syntetický chemik. Výzkum, který jsem s Michalem Juríčkem dělal, byl právě spojením organické a fyzikální chemie intermediátů, ale samotný projekt vyžadoval především značné množství syntetické práce. Bylo pro mě velmi motivující, že budu schopen využít své znalosti o reaktivních intermediátech a zároveň nabudu trochu sebevědomí mezi syntetickými chemiky. A myslím si, že se mi to podařilo. V Basileji jsem strávil osm měsíců a sám sebe jsem přesvědčil, že dokážu být v syntéze celkem dobrý.  Podařilo se mi připravit molekulu, ke která vedla neočekávaně složitá cesta.

Stáž mi také poskytla čas se zamyslet, kam bych se chtěl dále posunout. Podal jsem si žádost o grant u švýcarské grantové agentury a dostal jsem peníze na to, abych vyjel na další postdoktorandskou stáž do Chicaga na Northwestern University. Pobyt v Basileji byl pro mě zkrátka profesně velmi důležitý.

Po stáži v Chicagu jste se vrátil zpět do Basileje, kde jste založil vlastní výzkumnou skupinu. Prozraďte, čím se vaše skupina zabývá?
Snažíme se připravovat materiály z organických molekul, skrze které by se dobře transportovaly elektrony. Proč si myslím, že je to důležité? Z důvodu globálního oteplování musíme změnit způsob, jakým produkujeme energii, na které stojí celá naše společnost. Musíme přejít na způsob výroby elektřiny, který neprodukuje emise oxidu uhličitého a neurychluje globální oteplování. Existují solární články, které jsou postavené na anorganické technologii. Ty využívají především křemík, který absorbuje energii ze světla a tu přemění na elektřinu. I když je výroba těchto solárních článků dnes levná, vyžaduje obrovské množství energie. Křemíkový solární článek má životnost zhruba třicet let, ale tím, jak je jeho výroba náročná, trvá tomuto článku tři až čtyři roky, než vůbec splatí tu investici energie. V nejbližších desetiletích ale musíme změnit produkci elektrické energie, a to doslova, na masové škále, ale nemáme tolik volných energetických zdrojů potřebných k produkci tak ohromného množství solárních článků na bázi křemíku. Bylo jasné, že vědci musí přijít s náhradou křemíkových solárních článků. Jedno z řešení, které má obrovský potenciál, jsou právě organické molekuly. Jejich výroba je díky nově vyvinutým syntézám levná, rychlá a nevyžaduje tak velkou prvotní investici energie. Jejich účinnost ale zatím stále pokulhává.

Jak z organických molekul solární panel vytvoříte?
Snažíme se z organických molekul vytvořit materiál, který bude absorbovat viditelné světlo, ale zároveň bude schopen „vytvořit” a vést negativní náboj, tedy elektrony. Výzvou je, že molekuly, které jsou ve fotovoltaických článcích výborné ve vedení elektronů, mají sférický tvar a molekuly, které výborně absorbují viditelné světlo, jsou naopak ploché. Zabýváme se tedy otázkou, jak najít správnou rovnováhu mezi vlastnostmi jednoho a druhého světa, abychom získali to nejlepší z obou. Naší hypotézou je, že když vezmeme ploché molekuly a uspořádáme je v prostoru tak, aby se podobaly těm sférickým, dosáhneme synergie vlastností molekul z obou těchto světů.

Kolik času na tento projekt máte?
Je to projekt na čtyři roky. Dostal jsem v Basileji peníze na vlastní skupinu, mám zde k dispozici doktorandy a píšu granty, abych zaměstnal jednoho postdoktoranda. Mám čtyři roky na to, abych dokázal, že jsem schopen tyto molekuly připravit a že mají vlastnosti, které očekávám. Následně je chci aplikovat a ve spolupráci vytvořit solární článek.

Můžete na závěr říci, co pro vás osobně znamenal grant od Nadace Experientia a jak vás stáž, na kterou jste mohl díky nadaci vycestovat, kariérně i lidsky posunula?
Osobně je pro mě velmi zajímavý a inspirující celý příběh Nadace Experientia a lidí, kteří za nadací stojí. Dávají vlastní peníze do toho, aby jiní rostli, což je úplně fantastická myšlenka. Já jsem studoval na střední škole v Prievidzi, kde jsme měli úžasného profesora chemie Miroslava Kozáka, kterému se podařilo dostat velký počet studentů na mezinárodní chemickou olympiádu. My, jeho studenti, se s ním dodnes každoročně scházíme. Vznikla tak komunita desítek mladých lidí (já patřím mezi ty starší). Víme, že pro některé jeho studenty jsou určité věci těžko dostupné, protože každý pochází z jiného sociálního zázemí. A tak jsme se my starší, co už jsme schopni investovat část našich peněz do rozvoje jiných lidí, rozhodli dát se dohromady a založili jsme neziskovou organizaci Prievidzská chemická společnost. Postupně začínáme podporovat mladé nadané chemiky ze středních škol na Slovensku. Existujeme zatím druhým rokem, postupně zjišťujeme, co si můžeme dovolit a co by se nám líbilo. Inspiraci máme právě i v Nadaci Experientia. Takže pro mě osobně to má ještě jiný význam, než že jsem dostal možnost vycestovat. Toto je neméně důležitá zkušenost, kterou jsem si odnesl.

Je něco, co byste vzkázal potenciálním žadatelům o grant Nadace Experientia?
Když se ohlédnu zpět na období svých postdoktorandských stáží, tak mě zaráží, jak rychle čas utekl. Člověk se přestěhuje, začíná nový projekt a chvíli to trvá, než se aklimatizuje na nové prostředí a kolegy. Ještě před koncem stáže už musí přemýšlet co dál a podávat granty, pokud chce zůstat v akademickém prostředí. Zároveň musíte být v dnešní vědě co nejproduktivnější. Vzhledem k délce stáže je toto období v kariéře dost náročné a stresující. Dnes vím, že jsem na to nebyl zcela připraven, a že jsem se měl již během svého doktorátu starších kolegů častěji ptát na jejich zkušenosti ohledně jejich postdoku. Abych byl na všechny tyto změny lépe připraven. Takže, ptejte se. Klidně i mě, rád pomůžu.

Také si promyslete, jestli chcete vyjet jenom na jednu postdoktorandskou stáž nebo na dvě a nahlédnout do více laboratoří. Jestli jenom na jednu, proberte se svým budoucím školitelem možnosti dalšího financování vašeho pobytu, abyste si ho po skončení podpory od Nadace Experientia mohli prodloužit třeba o další rok. Jeden rok je totiž velice krátká doba. K tomu vám přeji šťastnou volbu a hodně úspěchů.