REGIONÁLNÍ CENTRUM POKROČILÝCH TECHNOLOGIÍ A MATERIÁLŮ

Transkript

1 REGIONÁLNÍ CENTRUM POKROČILÝCH TECHNOLOGIÍ A MATERIÁLŮ výzkum inovace vzdělávání

2 REGIONÁLNÍ CENTRUM POKROČILÝCH TECHNOLOGIÍ A MATERIÁLŮ Šlechtitelů 11, Olomouc rcptm@upol.cz Vedení centra Prof. RNDr. Radek Zbořil, Ph.D. - Generální ředitel Doc. RNDr. Ondřej Haderka, Ph.D. - Vědecký ředitel Prof. Ing. Pavel Hobza, Dr.Sc., FRSC, dr.h.c. - Koordinátor zahraniční spolupráce Mgr. Dalibor Jančík, Ph.D. - Projektový manažer Mgr. Pavel Tuček, Ph.D. - Koordinátor grantové strategie a propagace Správní rada Prof. RNDr. Miroslav Mašláň, CSc., Univerzita Palackého v Olomouci Ing. Antonín Mlčoch, CSc., Univerzita Palackého v Olomouci Ing. Radim Ledl, LAC, s.r.o. Doc. Jan Řídký, Dr.Sc., Fyzikální ústav AV ČR v. v. i. Ing. Jiřina Shrbená, Inova Pro, s.r.o. Prof. RNDr. Juraj Ševčík, Ph.D., Univerzita Palackého v Olomouci Prof. RNDr. Jitka Ulrichová, CSc., Univerzita Palackého v Olomouci Administrativní podpora Mgr. Petra Jungová - Vedoucí oddělení výběrových řízení Mgr. Gabriela Rozehnalová - Vedoucí právního oddělení Ing. Jana Zimová - Koordinátor stavby Ing. Hana Krejčiříková - Ekonomka RCPTM Mgr. Veronika Poláková - Asistentka personálních záležitostí Alena Hynková, Ing. Monika Macharáčková, Mgr. Lucie Mohelníková, Mgr. Miroslava Plaštiaková, Mgr. Jan Klapal vydalo: Regionální centrum pokročilých technologií a materiálů, 2013 grafické zpracování: Ing. arch. Linda Pišová, Mgr. Ondřej Růžička; foto: Viktor Čáp

3 RCPTM 2 Úvodní slovo ředitele RCPTM VE ZKRATCE 6 Výzkumné skupiny RCPTM 8 Přístroje a výzkumná infrastruktura RCPTM - STŘÍPKY Z VÝZKUMU 12 Království grafenu materiály s omezenými dimenzemi a neomezenými možnostmi 14 Fotony - poslové při studiu vesmíru a podstaty hmoty 16 Ekologicky šetrné nanotechnologie pro čistou vodu 18 Nanomedicína nové možnosti v diagnostice i terapii 20 Koordinační sloučeniny v biomedicínském a materiálovém výzkumu 22 Svět biomolekul a jejich interakcí očima superpočítače a nanosenzorů 24 Miniaturizace - nová výzva v analytické chemii RCPTM A TRANSFER TECHNOLOGIÍ 27 Pohled do nebe i pekla 28 Pohled do nitra materiálů 29 Pohled pod kůži 30 Léčba podzemních vod 30 Rychlá kontrola kvality RCPTM MEZINÁRODNÍ CENTRUM VĚDY A VZDĚLÁVÁNÍ 31 Významní zahraniční vědci v RCPTM 34 Nastupující generace RCPTM RCPTM V ČÍSLECH 36 Grantová úspěšnost 37 Vybrané publikace a patenty 40 Ocenění 41 Slovo na závěr

4 1 RCPTM Úvodní slovo ředitele RCPTM má všechny předpoklady být silným mezinárodním vědeckým centrem, neboť je vybudováno na třech pilířích, které jsou, dle mého, základem udržitelnosti jakékoliv vědecké instituce. První z nich spočívá v kvalitním aplikovaném výzkumu, který ovšem vychází z excelentního výzkumu základního. Druhý se opírá o multizdrojové financování založené na vyvážených příjmech z publikačního výkonu, grantového výkonu, transferu technologií a pedagogického výkonu. Poslední pilíř je internacionalizace na všech stupních s důrazem na vysokou vědeckou kvalitu zahraničních nebo reintegrujících se vědců. Skutečně jsou to už tři roky od vzniku Centra, které se dnes honosí dlouhým názvem Regionální centrum pokročilých technologií a materiálů. Nevím, nakolik se vžil jeho název, ale jeho zkratka (RCPTM) se postupně stává značkou vědecké kvality v národním, evropském i světovém kontextu. RCPTM v době svého vzniku v roce 2010 určitě nebylo novorozencem, který by se o sebe nedokázal postarat. Již v té době se opíralo o personální a přístrojové kapacity vybudované v rámci několika velkých národních projektů, zejména Výzkumných záměrů a Výzkumných center. V RCPTM se navíc sešla na chemických a fyzikálních katedrách zapojených do Centra mimořádně silná generace mladých vědců se schopností generovat špičkové výsledky jak v oblasti základního, tak aplikovaného výzkumu. Nicméně podpora z Evropských strukturálních fondů v rámci OP VaVpI bezesporu způsobila, že z dospívajícího dítěte je dnes zdravý a vyzrálý jedinec, v nejlepších letech (průměrný věk zaměstnanců je 33 let) a s velkou mezinárodní zkušeností. Právě obrovský mezinárodní přesah, velmi kvalitní, věkově vyvážená a silně internacionalizovaná personální základna a v neposlední řadě unikátní přístrojové vybavení jsou hlavní pilíře, o které se RCPTM systematicky opírá. V oblasti mezinárodní spolupráce Centrum dlouhodobě spolupracuje s více než třemi desítkami významných světových pracovišť. V některých oblastech výzkumu tak vznikly velmi pevné vazby a mezinárodní sítě, které spoluurčují vědecký vývoj v dané oblasti. Z řady příkladů lze uvést výzkum uhlíkových kvantových teček ve spolupráci s partnery na Cornell University a University of Ioannina, environmentální výzkum nových ekologicky šetrných technologií ve spolupráci s kolegy na Florida Institute of Technology, výzkum biomedicínských, katalytických a magnetických aplikací nanočástic ve spolupráci s kolegy z EPFL Lausanne a univerzit v Padově a Tokiu. Studium grafenu, jeho interakcí a aplikací probíhá společně s partnery na univerzitách v Pohangu a Aarhus. Podobných příkladů by se daly najít skutečně desítky. Centrum je navíc zapojeno do mezinárodních projektů včetně projektů sedmého rámcového programu EU, prestižních projektů Pierre Auger Observatory, CERN-ATLAS a řady dalších. Co je ovšem dle mého zásadní, je zapojení mladých pracovníků, na úrovni studentů doktorských studijních programů a post-doc pracovníků, do řešení těchto výzkumných projektů se zahraničními partnery. Jen v roce 2012 naši vědci absolvovali více než 60 stáží v téměř dvaceti zemích. Za neméně důležitý považuji zájem zahraničních vědců o pracovní pozice a stáže v RCPTM. Myslím, že právě v tomto ohledu lze zaznamenat největší posun oproti letům minulým. Téměř každodenně registruji žádosti o post-doc a PhD pozice v jednotlivých pracovních skupinách Centra. Také díky tomu je dnes Centrum již výrazně internacionalizované s téměř třemi desítkami vědců ze zahraničí. Jsou to především mladí vědci například z Itálie, USA, Německa, Polska nebo Řecka. V řadách zaměstnanců Centra jsou ovšem také významné kapacity světové vědy z USA, Izraele nebo Hongkongu, profesoři ověnčení řadou prestižních ocenění a působící v edičních radách předních světových časopisů, kteří odvádí neocenitelnou práci při vědecké výchově mladší generace. Pokud bych si měl sám odpovědět na otázku, co přivádí mladé i zkušené pracovníky ze světa právě do RCPTM, vím určitě, že to nejsou platové podmínky. Dnes již 2

5 sice můžeme nabídnout platy na úrovni srovnatelné s laboratořemi v západní Evropě nebo USA, ale mladé lidi, zejména v badatelské sféře, mnohem více zajímá možnost dalšího vědeckého růstu a práce na zajímavých tématech a unikátních zařízeních. Myslím tedy, že je to právě vědecká kvalita, zajímavá témata s velkým aplikačním potenciálem a, dokonce i ve světovém měřítku mimořádné, technické a přístrojové zázemí Centra. O kvalitě základního výzkumu realizovaného v Centru svědčí více než 500 impaktovaných publikací, které Centrum za tři roky své existence publikovalo v nejprestižnějších světových časopisech jako jsou Science, Chemical Reviews, Nature Communications, Accounts of Chemical Research, ACS Nano, Physical Review Letters nebo Journal of the American Chemical Society. Není bez zajímavosti, že přes 30 procent z těchto prací bylo publikováno v časopisech s vyšším impaktním faktorem než 5, což je obecně akceptovaná značka vědecké excelence. Výjimečné postavení Centra na národní úrovni v oblasti základního výzkumu demonstruje také zapojení do dvou projektů Center excelence GAČR zaměřených na studium biomolekul a interakce potravinových doplňků s léčivy a nutrigenetiky. Kromě základního výzkumu se RCPTM ovšem zaměřuje také na špičkový aplikovaný výzkum. Produkty aplikovaného výzkumu a patentované technologie vyvinuté v RCPTM totiž úspěšně fungují na mnoha destinacích po celém světě. Technologie výroby nanoželeza, na které se podíleli zaměstnanci RCPTM, je dnes běžně aplikována sanačními firmami k čištění podzemních vod na desítkách lokalit v ČR, Evropě i Asii. Detektory vysokoenergetického kosmického záření vyvíjené v Centru ve spolupráci s FZÚ AVČR jsou klíčovou součástí prestižní světové observatoře pro studium elementárních částic Pierre Auger Observatory v Argentině, Mössbauerovy spektrometry pro charakterizaci železo obsahujících materiálů pracují například v JAR, Anglii, Švédsku, Německu nebo USA, speciální kamery na pozorování noční oblohy byly instalovány v Namibii, Mexiku, USA či na Kanárských ostrovech. Boroskopy určené ke snímání teploty plamene jsou distribuovány do řady zemí v Evropě, Jižní Americe či Asii. Některé další environmentální a medicínské technologie jsou ve fázi pilotních, poloprovozních či klinických testů. Výzkum na zakázku si objednávají v RCPTM také přední světové firmy, za všechny lze zmínit firmu Procter & Gamble (USA), dlouhodobě podporující výzkum prostupnosti látek kůží pomocí výpočetní chemie, nebo firmu Waters (Německo), využívající zejména komplexní analytický potenciál Centra. O kvalitě aplikovaného výzkumu RCPTM svědčí také jeho koordinační role při řízení osmiletého projektu Center kompetence Technologické agentury ČR zaměřeného na ekologicky šetrné nanotechnologie a biotechnologie při čištění vod a půd, do něhož jsou zapojeny také největší tuzemské firmy pohybující se na trhu sanace a čištění vod. Právě analytické zázemí RCPTM je v mnoha ohledech výjimečné, také díky podpoře z Evropského fondu regionálního rozvoje. Například laboratoř mikroskopických technik disponující vysokorozlišovací transmisní elektronovou mikroskopií s možností práce za nízkých teplot, v kombinaci se skenovací elektronovou mikroskopií, rastrovací tunelovou mikroskopií, mikroskopií atomárních sil, mikroskopií magnetických sil, fluorescenční či konfokální mikroskopií, reprezentuje špičkové mikroskopické pracoviště v celoevropském kontextu. Podobně laboratoř zahrnující měření fyzikálních vlastností ve velkých magnetických polích (PPMS), magnetizační měření (SQUID), NMR spektroskopii či Mössbauerovu spektroskopii v polích do 10 T je jednou z nejlépe vybavených magnetických laboratoří v Evropě. Z předchozího textu by se mohlo zdát, že RCPTM má před sebou jen světlé zítřky. Z pozice ředitele ovšem vidím mnohé problémy, které souvisí se zdroji financování a národní politikou podpory vědy a výzkumu. Samotné RCPTM vyrostlo na křídlech operačního programu hlásajícího masivní podporu aplikovaného až průmyslového výzkumu s požadovanou vysokou mírou financování center z neveřejných zdrojů. Po čase se ovšem ukazuje, že taková míra dofinancování je u řady center nejen obtížně naplnitelná, ale může představovat i nedovolenou podporu z hlediska nadměrného využívání unikátních zařízení soukromou sférou. V národním programu udržitelnosti, který má zabezpečit zdroje financování VaVpI center na léta budoucí, je tak jasně, alespoň z finančního hlediska, preferován výzkum základní. Tento přístup ode zdi ke zdi je bohužel typický pro způsob financování české vědy. Zabezpečit udržitelnost velkých vědeckých center je pak samozřejmě nesmírně náročné. RCPTM má ovšem předpoklady být silným mezinárodním vědeckým centrem, neboť je vybudováno na třech pilířích, které jsou, dle mého, základem udržitelnosti jakékoliv vědecké instituce. První z nich spočívá v kvalitním aplikovaném výzkumu, který ovšem vychází z excelentního výzkumu základního. Druhý se opírá o multizdrojové financování založené na vyvážených příjmech z publikačního výkonu, grantového výkonu, transferu technologií a pedagogického výkonu. Poslední pilíř je internacionalizace na všech stupních s důrazem na vysokou vědeckou kvalitu zahraničních nebo reintegrujících se vědců. Bez ohledu na pravidla hry, která nemohu ovlivnit, věřím, že při udržení této filosofie bude RCPTM pokračovat ve zvyšování a zkvalitňování vědeckého výkonu, transferu nových technologií a výchově nové generace vědců, kteří v budoucnu přispějí k dobrému jménu a mezinárodní prestiži nejen RCPTM, ale i města Olomouce, Olomouckého kraje a České republiky. V Olomouci 30. září 2013 Prof. RNDr. Radek Zbořil, Ph.D. 3

6

7 2 RCPTM VE ZKRATCE Regionální Centrum Pokročilých Technologií a Materiálů (RCPTM) je vědecko-výzkumným pracovištěm Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci, jehož hlavním cílem je špičkový výzkum a transfer high-tech technologií do medicínské, průmyslové a environmentální praxe s velkým důrazem na zapojení Centra do mezinárodních sítí a konsorcií. Centrum jako takové je založeno na mezinárodně etablovaném vědeckém týmu, který v minulosti řešil několik projektů na úrovni Výzkumných záměrů a Výzkumných center. Od roku 2010 byl vědecký tým výrazně rozšířen a internacionalizován díky podpoře z Operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace (OP VaVpI). Tato podpora činila přibližně 500 milionů Kč, z toho 400 milionů bylo investováno do unikátních přístrojů a výstavby nové budovy Centra. Zbývající část prostředků byla použita na podporu mladých vědeckých pracovníků a internacionalizace. RCPTM má dnes přibližně 100 členný vědecký tým, který je z více jak 25 procent tvořen zahraničními odborníky. RCPTM se zabývá především chemickým, materiálovým a optickým výzkumem. Prioritní oblasti výzkumu zahrnují nanočástice oxidů kovů pro katalytické, magnetické a biomedicínské aplikace, uhlíkové nanostruktury na bázi grafenu a kvantových teček, nanočástice kovů pro antimikrobiální úpravy a technologie čištění vod, medicinální, výpočetní a koordinační chemii, fotoniku a vývoj přístrojových technik pro aplikace v optice a analytické chemii. Centrum ročně publikuje přes 200 původních vědeckých prací v prestižních zahraničních časopisech (průměrný IF~4,0) a spolupracuje s více než 30 předními světovými pracovišti. Centrum je dlouhodobě úspěšné v národní i mezinárodní grantové politice. Za dobu tříleté existence RCPTM byli pracovníci Centra úspěšní v celkem 55 předkládaných projektech, jejichž dotace pro RCPTM činila přes 520 mil. Kč. Mezi nejvýznamnější patří projekty Center kompetence Technologické agentury České republiky, Center excelence Grantové agentury České republiky a 7. rámcového programu EU. Centrum je zároveň zapojeno do prestižních mezinárodních kolaborací typu Pierre Auger Observatory nebo CERN-ATLAS. Pracoviště Centra mají také dlouholetou tradici spolupráce s průmyslem i veřejnými organizacemi na poli aplikovaného výzkumu. RCPTM spolupracuje s přibližně 50 tuzemskými i zahraničními průmyslovými partnery. Kromě vývoje hightech postupů a technologií nabízí také moderní přístrojový park využitelný v rámci zakázkového výzkumu nebo při realizaci společných projektů. Pracovníci Centra garantují také řadu magisterských a doktorských studijních programů v oborech fyzikální chemie, anorganické chemie, analytické chemie, materiálové chemie, nanotechnologií, aplikované fyziky či optiky a optoelektroniky. Během existence RCPTM úspěšně ukončilo studium, pod vedením pracovníků Centra, téměř sedm desítek studentů magisterského studia a téměř dvě desítky studentů v doktorských studijních programech. Již během studia jsou PhD studenti finančně podporováni formou částečných úvazků či mimořádných stipendií. Nejlepší z absolventů doktorských studijních programů poté nastupují na pracovní pozice v jednotlivých výzkumných odděleních Centra. 5

8 Výzkumné skupiny RCPTM Nanokrystalické oxidy kovů Vedoucí: Doc. RNDr. Libor Machala, Ph.D. Skupina se zaměřuje na výzkum nanokrystalických oxidů kovů především pro biomedicínské aplikace a environmentální technologie. Jedná se především o vývoj magnetických nanočástic oxidů železa, které se využívají jako kontrastní látky při zobrazování metodou magnetické rezonance, nosiče léčiv pro cílený transport v protinádorové terapii nebo při magnetické separaci biomolekul a buněk. V oblasti environmentální chemie skupina pracuje na vývoji nových typů magnetických sorbentů, ekologicky šetrných oxidantů na bázi železanů a železičnanů alkalických kovů nebo magneticky separovatelných katalyzátorů. Významné je také studium biogenních nanočástic oxidů železa pro biotechnologické aplikace, tenkých oxidických filmů pro technologie přímého solárního štěpení vody nebo magnetických nanočástic jako elektrochemických biosenzorů. Uhlíkové nanostruktury, biomolekuly a simulace Vedoucí: Prof. RNDr. Michal Otyepka, Ph.D. Skupina se dlouhodobě věnuje výzkumu grafenu a jeho derivátů (fluorografenu, grafen oxidu). Výzkum zahrnuje vývoj nových metod funkcionalizace a chemické modifikace grafenu nebo teoretický i experimentální popis interakce grafenu s kovy a rozpouštědly. Dalšími významnými směry je výzkum fluorescenčních uhlíkových kvantových teček a jejich aplikace pro značení buněk nebo studium porézních uhlíkových nanostruktur pro environmentální a katalytické aplikace. Skupina vyvíjí také teoretické metody a nástroje pro studium biomakromolekul. Věnuje se zejména struktuře a dynamice biomakromolekul a jejich funkčních komponent a interakcím biomolekul s membránovými dvojvrstvami, enzymy a nanomateriály. Biologicky aktivní komplexy a molekulární magnety Vedoucí: Prof. RNDr. Zdeněk Trávníček, Ph.D. Skupina se zaměřujeme na nové komplexní sloučeniny přechodných prvků, zejména na vývoj nových typů biologicky aktivních sloučenin s medicínským aplikačním potenciálem (např. látky s protinádorovými, protizánětlivými nebo antidiabetickými účinky), přípravu a studium molekulových magnetů a molekulových přepínačů s využitím např. v oblasti senzorů, paměťových či záznamových médií s vysokou hustotou záznamu, výzkum hybridních molekulárně-krystalických nanostruktur s funkcionalizovaným nanokrystalickým nosičem na bázi oxidů železa a navázanou koordinační sloučeninou. 6

9 Optické a fotonické technologie Vedoucí: Prof. RNDr. Miroslav Hrabovský, DrSc. Skupina se dlouhodobě věnuje výzkumu optických kvantových a nelineárních jevů a kvantové informatice, výzkumu nestandardních detekčních systémů na bázi optiky s citlivostí na jednotlivé fotony, speciálních mikro/ nano optických povrchů a tomu odpovídajících optických technologií a měřicích metod. Další směry zahrnují vývoj metod pro depozici a charakterizaci tenkých vrstev metodami depozice z plazmatu a vakuového napařování. Skupina vyvíjí optické bezkontaktní měřicí metody založené na interferometrii v polích koherenční zrnitosti a v bílém světle a moiré topografii. Skupina se svými aktivitami také podílí na řešení prestižních mezinárodních projektů, jako je ATLAS CERN (výzkum podstaty hmoty na urychlovači LHC v CERNu u Ženevy) nebo Pierre Auger Observatory (výzkum vysokoenergetického kosmického záření). Kovové nanomateriály Vedoucí: Doc. RNDr. Libor Kvítek, CSc. Nanotechnologie v analytické chemii Vedoucí: Prof. RNDr. Karel Lemr, Ph.D. Skupina pracuje na výzkumu nanokrystalických kovů zejména na bázi železa a vzácných kovů. Hlavní aplikační směry zahrnují použití nanoželeza v in situ technologiích čištění podzemních vod (v projektu 7. rámcového programu EU Taking Nanotechnological Remediation Processes from Lab Scale to End User Applications for the Restoration of a Clean Environment FP7-NMP ), dále použití nanostříbra v antimikrobiálních technologiích a aplikace nanočástic kovů v katalýze. Skupina také vyvíjí materiály a kompozity pro aplikace v povrchově zesílené Ramanově spektroskopii, zejména pro stanovení medicínsky zajímavých substancí. V oblasti základního výzkumu se skupina věnuje komplexnímu popisu toxicity nanokovů, mechanismu antibakteriálního účinku nanostříbra nebo mechanismu interakce nanoželeza s vybranými polutanty. Skupina se zaměřuje na popis a modelování analytických procesů při přechodu do nanoměřítka (ionizace látek, nanoseparační lože, vliv nanočástic na interakci záření s analytem, elektrochemické přeměny) a charakterizaci nanomateriálů pomocí metod analytické chemie (např. kapilární elektroforéza). Dále pracuje na vývoji nových analytických zařízení (iontové zdroje, separační systémy, citlivé detekční systémy) a pokročilých analytických metod (nižší meze detekce, zrychlení analýz). Mezi další preferenční směry patří vývoj metod ke sledování přeměn toxických i farmakologicky zajímavých látek a popis interakce těchto látek s živými organismy. Skupina se zabývá také základním výzkumem ionizace a fragmentace v hmotnostní spektrometrii, prekoncentrace, chromatografické a elektroforetické separace. Ze získaných poznatků se vychází například při analýze potravin nebo v klinické a forenzní analýze. FOTO VIKTOR 7

10 Přístroje a výzkumná infrastruktura Regionální centrum pokročilých technologií a materiálů v Olomouci dnes reprezentuje jedno z nejlépe vybavených pracovišť pro materiálový, nanotechnologický, chemický a optický výzkum v evropském i světovém měřítku. Budování špičkových laboratoří bylo zahájeno díky řešení několika projektů MŠMT (Výzkumné záměry a centra), později bylo přístrojové vybavení výrazně posíleno s ohledem na požadavky zapojení do velkých mezinárodních kolaborací. K zatím poslednímu co do objemu největšímu posílení přístrojového parku došlo v posledních třech letech v průběhu realizační fáze řešení projektu OP VaVpI. Široké spektrum syntetických i analytických technik, kterými RCPTM disponuje, je dáno nejen pestrým výzkumným zaměřením Centra, ale také obrovskou mírou multidisciplinarity výzkumu v oblasti nanotechnologií, které svým aplikačním potenciálem zasahují do medicíny, ekologie, biotechnologií, energetiky i celé řady dalších oblastí. Při samotném sestavování přístrojového parku Centra byla zvolena cesta vzniku několika specializovaných laboratoří zastřešujících příbuzné techniky. Některé laboratoře (laboratoř mikroskopických technik a laboratoř pro analýzu ve vnějších magnetických polích) jsou zcela unikátní v evropském i světovém měřítku, což nabízí obrovský potenciál využití v oblasti kolaborativního výzkumu a mezinárodní spolupráce. Například vysokorozlišovací elektronový mikroskop je svými parametry nejvýkonnějším mikroskopem v České republice. Laboratoř mikroskopických technik Jedná se o soubor mikroskopických technik, které svým složením pokrývají široké spektrum požadovaných analýz. Za vlajkovou loď nejen této laboratoře, ale i Centra, lze považovat transmisní elektronový mikroskop s vysokým rozlišením (0,08 nm) s možností měření za nízkých teplot (cryohrtem) a disponující technikami chemického mapování jako EDX a EELS. Park mikroskopických technik je dále doplněn standardním transmisním elektronovým mikroskopem (TEM), skenujícím elektronovým mikroskopem (SEM) se systémem EDX, mikroskopem atomárních a magnetických sil (AFM/MFM), resp. skenovací tunelovou mikroskopií (STM). Z tzv. klasických mikroskopických technik jsou k dispozici fluorescenční a konfokální optický mikroskop. Laboratoř technik pro analýzy ve vnějších magnetických polích Tato laboratoř zastřešuje některé spektroskopické techniky, ale také přístroje pro měření fyzikálněchemických vlastností materiálů ve vnějších magnetických polích. Je to například magnetometr SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) pracující ve vnějších polích do 7 T s možností měření FC/ ZFC křivek, hysterezních smyček, teplotních závislostí a susceptibility, Mössbauerovy spektrometry pro měření v širokém rozmezí teplot a vnějším magnetickém poli do 10 T. Mezi nejnovější zařízení patří systém pro měření fyzikálních vlastností (Physical Property Measuring System - PPMS) dovolující měření elektrických, magnetických, optických a transportních vlastností ve vnějších polích do 9 T nebo NMR spektrometr (600 MHz) s možností analýzy vzorků v pevné fázi. 8

11 Laboratoř RTG technik pro strukturní a fázovou analýzu Tato skupina technik zahrnuje spektroskopické a difrakční metody využívající RTG záření pro komplexní strukturní, fázovou a chemickou analýzu materiálů. Z těchto technik jsou k dispozici RTG práškový difraktometr umožňující fázovou analýzu a zpracování vzorků za vysokých teplot (XRD), RTG monokrystalový difraktometr a RTG fluorescenční spektrometr (XRF) umožňující analýzu pevných a kapalných vzorků v prvkovém rozsahu od sodíku až po uran. Novou technikou je XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) pro analýzu pevných vzorků do hloubky 10 nm s prvkovým rozsahem lithium až uran. Laboratoř spektroskopických, chromatografických a termických metod Laboratoř je tvořena zejména přístroji na bázi hmotnostní spektrometrie a dalších spektroskopických technik, ale i chromatografickými technikami, metodami termické analýzy a kalorimetrie. Tato analytická laboratoř využívá například hmotnostní spektrometr s vysokým rozlišením, hmotnostní spektrometr s ionizací indukčně vázaným plazmatem (ICP-MS) a laserovou ablací, kapilární elektroforézu s tandemovým hmotnostním spektrometrem, plynový resp. kapalinový chromatograf, atomový absorpční spektrofotometr či elementární analyzátor (CHNS). Další využitelné spektroskopické techniky jsou IČ/Ramanova spektroskopie, disperzní Ramanův mikroskop, mikro-ramanova spektroskopie a elektronová paramagnetická rezonance (EPR). Skupina technik pro termickou analýzu materiálů je zastoupena simultánním termickým analyzátorem s analýzou uvolněných plynů (TG/DSC/EGA) a izotermickým titračním kalorimetrem. Laboratoř analýzy velikostních a povrchových vlastností materiálů Tato laboratoř se opírá o skupinu technik dovolujících kvalitativně i kvantitativně posoudit povrchové a velikostní vlastnosti materiálů včetně plochy povrchu, povrchové energie, porozity materiálů, smáčivosti povrchů či distribuce velikosti částic. Zastoupeny jsou BET analyzátor měření plochy povrchu a porozity materiálů, zařízení pro měření chemisorpce a specifické plochy povrchů s možností analýzy až do 450 C, DLS analyzátor (Dynamic Light Scattering) pro měření distribuce velikosti částic a zeta potenciálu, SEA (Surface Energy Analyser) analyzátor pro měření povrchové energie metodou inverzní plynové chromatografie. V neposlední řadě je k dispozici zařízení pro měření smáčivosti povrchů metodou kontaktního úhlu a možností stanovení povrchového napětí resp. povrchové volné energie tuhých látek. 9

12 Optická laboratoř Optická laboratoř disponuje především unikátními laserovými a depozičními systémy a systémy na opracování (nano)povrchů. Laboratoř využívá pikosekundový laserový systém s vysokou opakovací frekvencí, pulsní femtosekundový laserový systém se zesilovačem a optickým parametrickým zesilovačem, pulsní femtosekundový systém s cavity dumpingem a generátorem druhé a třetí harmonické frekvence, nanosekundový laser a několik intenzifikovaných CCD kamer s vysokou kvantovou účinností. Techniky pro přípravu povrchů a vrstev jsou zastoupeny zejména centry pro zpracování povrchů broušením a následně leštěním pro přípravu optických i neoptických povrchů s drsností pod 10 nm. Tyto povrchy mohou být následně upravovány za pomoci vakuové napařovací aparatury pro depozici tenkých vrstev, plazmatického systému pro depozici funkčních struktur nanoklastrů a testovány pomocí aparatury pro měření složení gradientních vrstev, rozptylometru a technikami optické spektroskopie. Laboratoř výpočetní chemie Laboratoř je vybavena výpočetními klastry pro simulace vlastností nových materiálů, biomakromolekul a hybridních komplexních systémů. Stávající softwarové i hardwarové vybavení umožňuje predikci mechanických a elektronických vlastností pevné fáze, širokého spektra fyzikálně chemických vlastností molekul, konformačního chování biomakromolekul, studium účinnosti katalytických procesů a posouzení vzájemné afinity látek. Laboratoř disponuje výpočetními klastry o celkovém objemu cca 3100 CPU a 7,3 TB RAM a datovými úložišti s celkovou kapacitou více než 80 TB. Kvantově chemické výpočty jsou prováděny s pomocí programů Gaussian, Molpro, Turbomole, VASP, Molcas, Abinit. Pro molekulárně dynamické simulace jsou požívány například programy AMBER, CHARMM, NAMD a GROMACS. Syntetická laboratoř Centrum není skladbou přístrojového parku zaměřeno pouze na samotnou charakterizaci materiálů, ale disponuje také širokou škálou technik a zařízení umožňujících přípravu a zpracování materiálů v laboratorních a poloprovozních podmínkách. Jedná se například o reakční autoklávy, laboratorní pece, mikrovlnné systémy pro přípravu materiálů, dispergátor nanočástic, tryskový a kulový mlýn pro homogenizaci částic, centrifugy, ultrazvukové aparatury popř. depoziční systémy využívající chladnou plazmu. Pro testovaní laboratorně vyvinutých metod přípravy nanomateriálů ve větším měřítku jsou k dispozici poloprovozní fluidní a rotační pece pro práci v inertní, oxidační a redukční atmosféře. 10

13

14 3 RCPTM - STŘÍPKY Z VÝZKUMU KRÁLOVSTVÍ GRAFENU - MATERIÁLY S OMEZENÝMI DIMENZEMI A NEOMEZENÝMI MOŽNOSTMI Netradiční formy uhlíku fascinují vědce od počátku devadesátých let minulého století. Fulleren, tvořený šedesáti atomy uhlíku ve tvaru kopacího míče, je tvrdší než diamant, uhlíkové nanotrubičky jsou zase pevnější než ocel a stávají se běžnou součástí řady komerčních produktů. Pravděpodobně nejstudovanějším materiálem současnosti je ale grafen, dvoudimenzionální list uhlíkových atomů podobný včelí plástvi. Za jeho objev získali v roce 2010 Andre Geim a Konstantin Novoselov Nobelovu cenu za fyziku. Grafen je skutečně materiálem s obrovskými možnostmi využití. Vede elektrický proud lépe než měď a elektrony v jeho struktuře se pohybují téměř rychlostí světla. Je také transparentní, mimořádně pevný a nejlepší známý vodič tepla. Fluorografen a příbuzné deriváty Svět grafenu, jeho derivátů, vlastností a interakcí tvoří dnes jednu z klíčových aktivit vědců v RCPTM. Již v roce 2010 stála olomoucká skupina u objevu prvního stechiometrického derivátu grafenu - fluorografenu, který je nejtenčím známým izolantem. Při přípravě vyšla skupina kolem prof. Otyepky a prof. Bourlinose (University of Ioannina, Řecko) z trojdimenzionálního grafit fluoridu, který chemicky leptala organickým rozpouštědlem sulfolanem. Není bez zajímavosti, že fluorografen objevila ve stejném čase také skupina vědců na univerzitě v Manchesteru pod vedením Geima a Novoselova, kteří použili mechanickou cestu přípravy. Práce obou skupin vyšly ve stejném čísle prestižního časopisu Small (Small 2010). Fluorografen, materiál s vlastnostmi podobnými teflonu, otevřel cestu k dalším derivátům grafenu s řízenými elektronickými vlastnostmi, např. šířkou zakázaného pásu. Olomoučtí vědci předpověděli elektronické a optické vlastnosti těchto fluorovaných, chlorovaných a bromovaných derivátů, což představuje významný krok ke konstrukci budoucích dvoudimenzionálních polovodičů. Tato práce se dokonce objevila na přebalu prestižního časopisu o teoretické a výpočetní chemii, který vydává Americká chemická společnost (J. Chem. Theory Comput. 2013). Nedávno také pracovníci RCPTM publikovali první komplexní systematizaci všech existujících halogenovaných grafenových systémů včetně jejich vlastností a potencionálních aplikací v časopise ACS Nano (ACS Nano 2013). Funkcionalizace grafenu a jeho aplikace Kromě halogenovaných derivátů grafenu se RCPTM intenzivně věnuje také kovalentní i nekovalentní funkcionalizaci grafenu, tj. chemické modifikaci, která by umožnila vylepšit některé vlastnosti, zejména dispergovatelnost ve vodě, nebo modulovat elektronické a magnetické vlastnosti. V loňském roce publikoval mezinárodní tým pod vedením prof. Zbořila, ve spolupráci s kolegy z Jižní Koreje (Pohang University) a Řecka (NCSR Demokritos), první systematizaci všech možných přístupů k funkcionalizaci grafenu včetně popisu vlastností jeho dalších chemických sourozenců grafanu s kovalentně vázanými atomy vodíku a grafen oxidu s různě vázanými atomy kyslíku (Chem. Rev. 2012). 12

15 Práce v Chemical Reviews, která za první půlrok od vydání získala více než 100 citací, se dotýká také použití grafenu například při sekvenování DNA nebo vývoji nových senzorů. Měla by především inspirovat vědecké týmy při hledání dalších aplikací grafenu. V této cestě jim může pomoci také studie, ve které se pracovníkům RCPTM podařilo změřit míru vzájemného působení grafenu s různými organickými rozpouštědly (J. Am. Chem. Soc. 2013) a kovy (ACS Nano 2013). V práci, na níž se podíleli také kolegové z Aarhus University v Dánsku, byla mimo jiné prokázána mimořádná afinita grafenu k mědi. Tato láska dvou excelentních vodičů může mít v budoucnu velký význam při konstrukci nové generace elektronických součástek a senzorů. Mezi největší výzvy, na kterých vědci RCPTM v oblasti grafenové chemie v současnosti pracují, patří například cílená funkcionalizace směrem k magnetickému grafenu, vývoj nových dvoudimenzionálních derivátů s polovodičovými vlastnostmi, příprava nových typů grafenových kvantových teček nebo pochopení interakce grafenu s RNA, DNA a jinými biomolekulami. Při naplňování těchto výzev by měl pracovníkům RCPTM pomoci také unikátní transmisní elektronový mikroskop s vysokým rozlišením, možností velmi citlivého chemického mapování nanostruktur a práce v kryogenním režimu. Tento mikroskop je první svého druhu v České republice. Vybrané publikace: Zbořil, R.; Karlický, R.; Bourlinos, A.B.; Steriotis, T.A.; Stubos, A.K.; Georgakilas, K.; Šafářová, K.; Jančík, D.; Trapalis, Ch.; Otyepka, M.: Graphene Fluoride: A Stable Stoichiometric Graphene Derivative and its Chemical Conversion to Graphene. Small 6, , Karlický, K.; Otyepka, M.: Band Gaps and Optical Spectra of Chlorographene, Fluorographene and Graphane from G0W0, GW0 and GW Calculations on Top of PBE and HSE06 Orbitals. J. Chem. Theory Comput. 9, , Karlický, F.; Datta, K.K.R; Otyepka, M.; Zbořil, R.: Halogenated Graphenes: Rapidly Growing Family of Graphene Derivatives. ACS Nano 7, , Georgakilas, V.; Otyepka, M.; Bourlinos, A.B.; Chandra, V.; Kim, N.; K. Kemp, Ch.; Hobza, P.; Zbořil, R.; Kim, K.S.: Functionalization of Graphene: Covalent and Non- Covalent Approaches, Derivatives and Applications. Chem. Rev. 112, , Lazar, P.; Karlický, F.; Jurečka, P.; Kocman, M.; Otyepková, E.; Šafářová, K.; Otyepka, M.: Adsorption of Small Organic Molecules on Graphene, J. Am. Chem. Soc. 135, , Lazar, P.; Zhang, S.; Šafářová, K.; Li, Q.; Froning, J.P.; Granatier, J.; Hobza, P.; Zbořil, R.; Besenbacher, F.; Dong, M.; Otyepka, M.: Quantification of the Interaction Forces between Metals and Graphene by Quantum Chemical Calculations and Dynamic Force Measurements under Ambient Conditions. ACS Nano 7, , Grantová podpora: Centrum excelence GAČR P208/12/G016, Řízení struktury a funkce biomolekul na molekulové úrovni: souhra teorie a experimentu. Hlavní řešitel: Prof. Ing. Pavel Hobza, DrSc., FRSC; Spoluřešitel: Prof. RNDr. Michal Otyepka, Ph.D. 13

16 FOTONY - POSLOVÉ PŘI STUDIU VESMÍRU A PODSTATY HMOTY Tajemství počátku vesmíru. Podstata vlastností těch nejmenších částeček hmoty. Strašidelné (dle Alberta Einsteina) působení na dálku v kvantovém světě. Co mají všechny tyhle záhady společného? Ve skutečnosti více, než by se na první pohled zdálo, neboť všechny jen velmi neochotně odhalují pravdu o sobě a stojí na hranici našeho poznání. Nedopřávají nám pokoje a tušíme, že tam někde za obzorem našich vědomostí jsou nějak spojeny. A tak stavíme větší a větší urychlovače, k jejichž provozu se musí propojit velké mezinárodní vědecké úsilí, abychom nahlédli o kousek dál do nitra hmoty. A přece k nám z vesmíru přilétají částice obdařené energií o mnoho řádů vyšší, o jejichž původu zatím nemáme tušení. Ve všech těchto případech se snažíme oponu poodhalit pomocí nepatrných pilných poslů částic světla fotonů, ať už k nám přicházejí z hlubin vesmíru, nebo vypovídají o setkání s jinými cestovateli, případně je sami vysíláme, aby nám o tom vzdáleném velkém i malém světě přinesli zprávu. A tu a tam, trochu nečekaně, získáváme i zcela nové nástroje pro náš všední život. Vysokoenergetické částice RCPTM přispívá k jednomu takovému nahlédnutí do hlubin vesmíru svým podílem na stavbě a provozování Observatoře Pierre Augera vybudované v argentinské pampě, která studuje ty nejmenší částice hmoty dopadající z vesmíru a nesoucí obrovskou energii. Když tyto částice dopadnou do zemské atmosféry, vyprodukují rozsáhlou spršku miliard sekundárních částic. Povaha a původ primárních částic jsou pro vědce velkou neznámou, kterou se observatoř pokouší objasnit. Tyto částice mohou pocházet z rozpadu supermasivních částic temné hmoty, stejně jako mohou vznikat postupným urychlováním v astrofyzikálních objektech. Jeden ze směrů studia se zaměřuje také na události vyvolané vysokoenergetickými neutriny. Pracovníci Centra se podíleli na stavbě optické části observatoře a v současnosti přispívají k jejímu zdárnému provozu a sběru dat. Dalším projektem, který nahlíží do světa vysokoenergetických částic ve vesmíru, je projekt observatoře Cherenkov Telescope Array, na jehož přípravné fázi se Centrum rovněž podílí. Naopak do nitra hmoty nahlíží projekt CERN-ATLAS, jehož bezpochyby nejdůležitějším úkolem je potvrzení existence Higgsova bosonu elementární částice předpovězené standardním modelem částicové fyziky, která vysvětluje, proč mají jiné elementární částice (jako např. kvarky nebo elektrony) hmotnost. Taková částice byla skutečně pozorována v očekávané oblasti energií okolo 126 GeV (Science 2012). Jde o největší objev na poli částicové fyziky za posledních třicet let, neboť právě před třiceti lety byly objeveny bosony W a Z, které potvrdily konstrukci standardního modelu částicové fyziky. Dalšími zajímavými oblastmi, kterými se experiment CERN-ATLAS zabývá, je hledání supersymetrických částic, zkoumání proton-protonových interakcí (Nature Commun. 2011) nebo hledání dalších znaků nové fyziky, jako jsou extradimenze, produkce mikroskopických černých děr nebo axionů. RCPTM se na kolaboraci CERN-ATLAS podílí zejména modelováním optických detekčních procesů. Kvantová informatika Zkoumání vlastností kvantového mikrosvěta vedlo ke vzniku nové vědní oblasti kvantové informatiky. Kvantové zpracování informace umožní implementaci rychlejších výpočetních algoritmů, rychlejší metody prohledávání databází nebo bezpečnější metody komunikace, než jaké jsou dosažitelné metodami klasické fyziky. Kvantově optická skupina v RCPTM studuje kvantové algoritmy a protokoly s cílem přiblížit tuto oblast co nejblíže praktickým aplikacím. V laboratořích 14

17 RCPTM se využívají jednotlivé fotony jako nosiče kvantové informace a za pomoci jedno- a dvoufotonové interference se provádí zpracování informace. Mezi nejvýznamnější výsledky dosažené v této oblasti v poslední době patří např. implementace laditelného fázového hradla (Phys. Rev. Lett. 2011). Toto zařízení je prominentním členem rodiny elementárních kvantově-informačních nástrojů. Může být použito jako stavební prvek široké palety kvantově informačních zařízení. Navíc tato implementace byla první, která poskytla plnou laditelnost a maximální efektivitu povolenou zákony kvantové fyziky. Jedním z dalších produktů RCPTM v této oblasti je multifunkční kvantové klonovací zařízení, které je analogií klasické kopírky, ovšem s tím rozdílem, že se řídí kvantovými zákony. Může duplikovat neznámý kvantový stav s takovou přesností, jak to jen kvantová fyzika dovoluje. Takové zařízení lze pak využít rovněž pro efektivní odposlech kvantové kryptografie (Phys. Rev. Lett. 2013). Experimentální testování odolnosti kvantové kryptografie přispívá ke stanovení hranic její bezpečnosti. Vedle návrhu a stavby prvků pro kvantové zpracování informace se RCPTM rovněž zabývá návrhem originálních detekčních schémat pro analýzu vlastností dvoufotonových stavů světla a návrhem nových prvků a struktur pro generaci fotonových párů. Skupina navrhla nové metody analýzy kvantových stavů párových polí, které jsou aplikovatelné pro absolutní kalibraci detektorů (Opt. Lett. 2012) na úrovni jednotlivých fotonů. Rovněž lze těmito metodami generovat multifotonové neklasické stavy světla (Opt. Express 2013), které nemají obdobu v klasické fyzice a vyznačují se nižším šumem, než jaký je v rámci klasické fyziky dosažitelný. V oblasti částicové fyziky usiluje RCPTM o ještě širší zapojení do mezinárodních kolaborací. Vedle zmíněného projektu Cherenkov Telescope Array se jeví nadějně rovněž zapojení RCPTM do projektu CBM - Compressed Baryonic Matter, který bude využívat srážek atomových jader k výzkumu vysoce stlačené jaderné hmoty. Další výzvou, na které optické skupiny RCPTM v současnosti pracují, je zdokonalení metod generace, manipulace a detekce kvantové informace takovým způsobem, který by otevřel dveře k širšímu praktickému využití na poli kvantové informatiky a metrologie. Vybrané publikace: ATLAS Collaboration: Measurement of the Inelastic Proton-Proton Cross-Section at Root s=7 TeV with the ATLAS Detector. Nature Commun. 2, 463, ATLAS Collaboration: A Particle Consistent with the Higgs Boson Observed with the ATLAS Detector at the Large Hadron Collider. Science 338, 1576, Lemr, K.; Černoch, A.; Soubusta, J.; Kieling, K.; Eisert, J.; Dušek, M.: Experimental Implementation of the Optimal Linear-Optical Controlled Phase Gate. Phys. Rev. Lett. 106, 13602, Bartkiewicz, K.; Lemr, K.; Černoch, A.; Soubusta, J.; Miranowicz, A.: Experimental Eavesdropping Based on Optimal Quantum Cloning. Phys. Rev. Lett. 110, , Peřina, J. Jr.; Haderka, O.; Michálek, V.: Sub-Poissonian-Light Generation by Postselection from Twin Beams. Opt. Express 21, 19387, Peřina, J. Jr.; Haderka, O.; Michálek, V.; Hamar, M.: Absolute Detector Calibration Using Twin Beams. Opt. Letters 37, 2475, Grantová podpora: Zapojení do mezinárodních kolaborací CERN-ATLAS a Pierre Auger Observatory 15

18 EKOLOGICKY ŠETRNÉ NANOTECHNOLOGIE PRO ČISTOU VODU Zabezpečení dostatečného množství nezávadné vody je prioritou všech vládních politik na celém světě. Osmdesát procent světové populace přitom žije v lokalitách s vysoce problematickou kvalitou vodních zdrojů. Podle údajů Světové zdravotnické organizace a agentury Deutshe Bank Research, které pravidelně monitorují globální trh vodního hospodářství, vzrostla za posledních 50 let průměrná spotřeba vody na jednoho obyvatele Země na dvojnásobek, zejména v důsledku radikálního nárůstu spotřeby vody pro průmyslové, zemědělské a návazné aplikace. Tento trend jde ruku v ruce s nárůstem znečištění všech zdrojů vod včetně vody pitné. Chlorované uhlovodíky, těžké kovy, radioaktivní sloučeniny, arzen, kyanidy, fosfor, herbicidy, bojové chemické látky, sinice. To je jen několik příkladů vysoce toxických složek, které znečišťují vody po celém světě. Nanoželezo pro in situ čištění podzemních vod Vědecké skupiny RCPTM se dlouhodobě věnují vývoji nových ekologicky šetrných technologií čištění vod a půd. Jedná se především o technologii na bázi nulmocného železa pro in situ čištění kontaminovaných podzemních vod. Elementární železo, ve formě povrchově stabilizovaných nanočástic, dokáže po zasáknutí plout v podzemní vodě, a svým redukčním a precipitačním efektem převádí vysoce toxické rozpuštěné látky na výrazně méně toxické či zcela netoxické fáze. Pracovníci RCPTM stáli u vývoje velkokapacitní výroby nanoželeza (EP , 2013), které se dnes již běžně používá při sanaci podzemních vod znečištěných zejména chlorovanými uhlovodíky, nitrosloučeninami, chromem, uranem a dalšími těžkými kovy. Společnost Nanoiron, s.r.o., která technologii využívá, je dnes největším evropským producentem nanoželeza. Kromě podílu na vývoji technologie výroby a stabilizace nanoželeza se RCPTM intenzivně věnuje studiu mechanismů odbourání vybraných polutantů. V loňském roce vědci RCPTM ve spolupráci s kolegy z Brna odhalili unikátní selektivní toxicitu nanoželeza vůči sinicím (Environ. Sci. Technol. 2012). Zjistili, že nanoželezo je multifunkční zbraň v boji se sinicemi, neboť dokáže nejen degradovat buňky cyanobakterií, ale současně navázat toxický mykrocystin, který se tak nemůže uvolnit do vodního sloupce. V neposlední řadě plní nanoželezo i preventivní roli, neboť z vody odstraňuje fosfor klíčovou živinu sinic. Skupiny Centra se věnují také vývoji nových hybridních systémů na bázi nanoželeza a nanostříbra umožňujících odstranění fosforu v kombinaci s vysokým antimikrobiálním efektem (Environ. Sci. Technol. 2013). Takové kompozity mají výhodu zejména v možnosti magnetické separace a opakovaného použití. RCPTM je v oblasti výzkumu a aplikací nanoželeza zapojeno do prestižního evropského projektu koordinovaného kolegy z univerzity ve Stuttgartu. V tomto projektu jsou pracovníci Centra zodpovědní právě za vývoj nanoželeza a optimalizaci jeho povrchových a migračních vlastností pro aplikace na celé řadě lokalit v Evropě. Vysoké valenční stavy železa v oxidačních technologiích Kromě moderní reduktivní technologie využívající nanoželezo se RCPTM podílí také na vývoji ekologicky šetrné oxidativní technologie založené na aplikaci sloučenin železa ve vysokých valenčních stavech (železanů, železičnanů). V rámci dlouhodobé spolupráce s kolegy z Florida Institute of Technology olomoučtí vědci prokázali mimo jiné vysokou účinnost železanů pro odbourání bojových chemických látek (J. Hazard. Mater. 2012) nebo v procesu odstranění kyanidů a těžkých kovů (Chem. Eur. J. 2011). Nedávná studie publikovaná v časopise Environmental Science & Technology pak ukázala obrovský aplikační potenciál železanu draselného při likvidaci arzenitanů a arzeničnanů ve vodách. Arzen dnes představuje vážný ekologický problém nejen v řadě asijských zemí, ale i v USA a Evropě. Studie prokazuje, že železany jsou schopny odstraňovat arzen i ve velkých 16

19 koncentracích, přičemž potřebné koncentrace železanů jsou naopak velmi nízké. Klíčový je ovšem mechanismus odstranění spočívající v pevném zabudování pětimocného arzenu do struktury vznikajícího oxidu železitého, čímž nemůže docházet k jeho sekundárnímu uvolnění do životního prostředí (Environ. Sci. Technol. 2013). Na optimalizaci a komercionalizaci technologie odstranění arzenu, stejně jako na desítkách dalších environmentálních aktivit, pracuje RCPTM i v rámci národního Centra kompetence Ekologicky šetrné nanotechnologie a biotechnologie pro čištění vod a půd. Do osmiletého projektu, podpořeného TAČR částkou 316 mil. Kč, jsou kromě RCPTM jakožto koordinujícího pracoviště dále zapojeni akademičtí partneři z Technické univerzity v Liberci a Mikrobiologického ústavu AVČR v Praze. Na vývoji a komercionalizaci technologií se pak podílí šest významných průmyslových partnerů na trhu čištění vod (AECOM CZ, s.r.o., AQUATEST, a.s., DEKONTA a.s., GEOtest, a.s., LAC, s.r.o., MEGA a.s.). Mezi velké výzvy, které chce RCPTM naplnit v oblasti environmentálních technologií, patří zejména dokončení vývoje velkokapacitní výroby železanů a jejich komerční použití v technologiích čištění odpadních, povrchových a pitných vod. Podobně intenzivně pracovníci Centra vyvíjí velkokapacitní technologii likvidace sinic pro testování na reálných lokalitách. Velmi blízko komerčnímu využití jsou také technologie antimikrobiálních úprav filtrů a membrán pomocí nanostříbra, které prodlouží životnost materiálů používaných v procesech filtrace vod s vysokým výskytem mikroorganismů. V neposlední řadě jednotky Centra pracují na kombinaci biotechnologií a nanotechnologií pro degradaci hormonálně aktivních látek a léčiv, které se do vod dostávají v důsledku rozsáhlého používání zejména hormonální antikoncepce a analgetik. Stávající technologie odstranění těchto toxických látek jsou buď neúčinné, velmi nákladné nebo nešetrné k životnímu prostředí. Vybrané publikace: Zbořil, R.; Schneeweiss, O.; Filip, J.; Mašláň, M.: The Method of Synthesis of the Iron Nanopowder with the Protective Oxidic Coat from Natural and Synthetic Nanopowdered Iron Oxides and Oxihydroxides. EP , Maršálek, B.; Jančula, D.; Maršálková, E.; Mašláň, M.; Šafářová, K.; Tuček, J.; Zbořil, R.: Multimodal Action and Selective Toxicity of Zerovalent Iron Nanoparticles against Cyanobacteria. Environ. Sci. Technol. 46, , Marková, Z.; Šišková, K.; Filip, J.; Čuda, J.; Kolář, K.; Šafářová, K.; Medřík, I.; Zbořil, R.: Air Stable Magnetic Bimetallic Fe-Ag Nanoparticles for Advanced Antimicrobial Treatment and Phosphorus Removal, Environ. Sci. Technol. 47, , Zbořil, R.; Andrle, M.; Oplustil, L.; Machala, L.; Tuček, J.; Filip, J.; Marušák, Z.; Sharma, V.K.: Treatment of Chemical Warfare Agents by Zero-Valent Iron Nanoparticles and Ferrate(VI)/(III) Composite, J. Hazard. Mater. 211, , Filip, J.; Yngard, R.A.; Šišková, K.; Marušák, Z.; Ettler, V.; Sajdl, P.; Sharma, V.K.; Zbořil, R.: Mechanisms and Efficiency of the Simultaneous Removal of Metals and Cyanides by Using Ferrate(VI): Crucial Roles of Nanocrystalline Iron(III) Oxyhydroxides and Metal Carbonates, Chem. Eur. J. 17, , Prucek, R.; Tuček, J.; Kolařík, J.; Filip, J.; Marušák, V.K.; Zbořil, R.: Ferrate(VI)-Induced Arsenite and Arsenate Removal by In Situ Structural Incorporation into Magnetic Iron(III) Oxide Nanoparticles, Environ. Sci. Technol. 47, , Grantová podpora: Centrum kompetence TAČR TE , Ekologicky šetrné nanotechnologie a biotechnologie pro čištění vod a půd. Hlavní řešitel: Prof. RNDr. Radek Zbořil, Ph.D. FP7-NMP , Taking Nanotechnological Remediation Processes from Lab Scale to End User Applications for the Restoration of a Clean Environment. Spoluřešitel: Prof. RNDr. Radek Zbořil, Ph.D. 17

20 NANOMEDICÍNA - NOVÉ MOŽNOSTI V DIAGNOSTICE I TERAPII Přes obrovské pokroky současné medicíny stojí před vědci desítky výzev v řadě diagnostických i terapeutických přístupů. Z mnoha příkladů lze jmenovat nalezení nových metod v boji s bakteriemi, které jsou stále rezistentnější vůči antibiotické léčbě. Podobně je z hlediska úspěšnosti léčby stále důležitější vývoj postupů včasné a přesné diagnózy onemocnění, často s použitím nových typů kontrastních látek. Snad největší výzvou zůstává zvýšení účinnosti protinádorové terapie současně se snížením výskytu a závažnosti vedlejších účinků. Ve všech zmíněných oblastech nabízí nanomateriály zajímavá a vysoce účinná řešení a řada z medicínských nanotechnologií již prochází různými fázemi klinických testů. Jedná se zejména o využití nanostříbra v antimikrobiálních aplikacích a nanočástic oxidů železa pro cílený magnetický transport léčiv či zlepšení kontrastních vlastností při zobrazování pomocí magnetické rezonance. Nanostříbro nový nástroj v boji s bakteriemi Studiu nanostříbra a jeho biologické aktivity se skupina RCPTM okolo docenta Kvítka věnuje už od roku Jeho výhodou oproti antibiotikům je skutečnost, že si bakterie doposud vůči němu nevyvinuly mechanismy obrany. V roce 2006, ve spolupráci s kolegy z Lékařské fakulty UP (prof. Milan Kolář), publikovala skupina v časopise Journal of Physical Chemistry B přelomovou práci kvantifikující antibakteriální aktivitu nanočástic stříbra vůči široké škále bakterií. Tato práce byla do září 2013 citována již téměř 500 krát a stala se základem pro práce desítek dalších skupin po celém světě. Podobně pracovníci RCPTM jako první stanovili antifungální aktivitu nanostříbra, kterou popsali v roce 2009 v časopise Biomaterials (více jak 100 citací). V posledním období se výzkum v RCPTM soustředí na pochopení akutní a chronické toxicity nanostříbra vůči vyšším organismům, jako je např. Drosophila melanogaster (Environ. Sci. Technol. 2011), nebo na vývoj metod magnetického transportu nanostříbra pro cílené antimikrobiální aplikace (Biomaterials 2011). Z dalších významných výstupů lze zmínit popis hemokompatibility nanostříbra ve spolupráci s kolegy z Tübingenu (Acta Biomater. 2013). Přehlednou práci o mechanismu účinku nanostříbra, jeho biologické aktivitě, přípravě kompozitů s biopolymery a perspektivách publikoval prof. Zbořil, ve spolupráci s kolegy z Cornell University a Florida Institute of Technology, v časopise Advances in Colloid and Interface Science (2011). (U.S. Food and Drug Administration) pro klinické použití. Superparamagnetické nanočástice oxidu železitého se používají pro zlepšení kontrastních vlastností při zobrazování magnetickou rezonancí. Další aplikace je v cílené protinádorové terapii, kdy se na velký specifický povrch magnetických nanočástic naváže kancerostatická látka, která je pomocí vnějšího magnetického pole zacílena přímo k nádorovému místu a tam je uvolněna změnou fyziologických podmínek nebo parametrů pole. Tímto způsobem může být dramaticky snížena škála vedlejších účinků spojených s klasickou protinádorovou terapií. V oblasti magnetických nanosystémů pro biomedicínu má RCPTM letitou historii. V roce 2009 patentovali vědci Centra novou perorální kontrastní látku pro MRI diagnostiku dutiny břišní, založenou na inkorporaci nanočástic oxidu železitého do porézní struktury aluminosilikátu bentonitu. Tato látka byla v následujících letech úspěšně klinicky testována na více jak 100 pacientech s nejrůznějšími onemocněními gastrointestinálního traktu. Z nedávných úspěchů lze vyzdvihnout také vývoj magnetických Magnetické nanočástice pro transport léčiv i diagnostiku Magnetické nanočástice oxidu železitého (maghemitu) představují velmi progresivní materiál pro biomedicínské aplikace. Díky svým netoxickým a biodegradabilním vlastnostem byl nanomaghemit schválen americkou FDA 18