Nanosvět vytvořený laserovými paprsky

Ve svém výzkumu vytváří nové materiály a kombinuje prvky. Vše za pomoci pulzních laserů. Od roku 2016 pracuje v Liberci na CXI, kde založil skupinu FEMTO-NANO (2017). Jeho profesní vizí jsou špičkové aplikace nanomateriálů, například vývoj inteligentních kapalin nebo regenerace čisté vody ze znečištěných zdrojů. Kromě výzkumu vzdělává studenty, získal řadu prestižních ocenění a stal se také vítězem v evropské start-upové soutěži. O tom jsme si také povídali s Rafaelem Omarem Torres Mendietou.

 

Kdy jste se poprvé setkal s výzkumem?

Moje profesní kariéra začala před více než deseti lety v Mexiku. Studoval jsem nelineární optické vlastnosti v nanostrukturovaných materiálech (nelinearita druhého a třetího řádu) pomocí využití ultrarychlých laserových zdrojů. Postupem času jsem se zabýval atypickými vlastnostmi vznikajícími při interakci mezi ultrarychlým světlem a hmotou strukturovanou v nanoměřítku. Považoval jsem za nutné rozšířit své výzkumné perspektivy o manipulaci s hmotou na bázi laseru. Proto jsem se za touto ambicí přestěhoval do Španělska, kde jsem dostal příležitost pomoci založit nový výzkumný směr ve výzkumné skupině optiky (GROC), kde jsem pracoval na své doktorské práci. Skupina vedená profesorem Jesúsem Lancisem Sáezem na Univerzitě Jaume I, je dlouhodobě považována za jeden z nejlepších výzkumných týmů v oblasti fotoniky ve Španělsku. Po jejich začlenění do konsorcia Science and Applications of Ultrafast Ultraintense Lasers (financovaného z evropského programu Consolider) se klíčovým stal výzkum špičkových aplikací odvozených od využití ultrarychlých laserů. To se dokonale shoduje s mou profesní vizí. Při práci na svém doktorátu jsem si uvědomil neuvěřitelný dosah manipulace s hmotou pomocí ultrarychlých laserových zdrojů. Takový směr výzkumu mi umožnil podílet se na různých projektech, díky nimž jsem se dostal do kontaktu se špičkovými vědci z celého světa, jako je prof. Honoris Causa, Elson Longo, považovaný za jednoho z nejlepších vědců v Brazílii, prof. Alexander Pyatenko, který je jedním z průkopníků v oblasti laserové modifikace nanomateriálů nebo prof. Ing. Anton Fojtík, CSc., spoluvynálezce jedné z nejvýkonnějších technik pro vytváření ultračistých nanomateriálů pomocí laserů (laserové ablace v kapalinách). Po ukončení doktorského studia jsem se stal postdoktorandem na Univerzitě Jaume I ve Španělsku, kde jsem začal získávat mezinárodní uznání ve svém oboru. Ale jak už to ve vědecké kariéře bývá, nastal okamžik opustit svou alma mater a začít si vybudovat vlastní výzkumnou dráhu.

 

Odkdy pracujete ve vědě a odkdy v CXI?

Když jsem hledal svou novou cestu, naskytly se mi různé příležitosti. Moje volba pro Liberec byla jasná. Ústav pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace (CXI) je pro mě ideální. Přestože ústav v té době neměl dlouhou historii, přitahoval velmi talentované výzkumníky se zajímavými nápady, získával dobré vybavení pro provádění špičkového výzkumu, a především byl otevřený pro zakládání nových výzkumných směrů. Tak jsem přišel na CXI a od roku 2017 jsem vytvořil mladý a opravdu motivovaný výzkumný tým, dnes známý jako skupina FEMTO-NANO, tvořený velmi talentovanými vycházejícími hvězdami Bc. Ondřejem Havelkou, Ing. Sabrin Abdallah, Ing. Belin Bilgin Sabit a Bc. Janem Braunem společně usilovně pracujeme na založení nového a produktivního výzkumného směru.

 

Čím se ve svém výzkumu zabýváte?

Ve svém výzkumu se zabývám výrobou nových materiálů využívajících pulzní lasery. Fascinujícím aspektem těchto typů laserů je, že na rozdíl od typických laserů se spojitými vlnami (od ukazovacích laserů až po průmyslové lasery používané k řezání nebo gravírování) pulzní lasery koncentrují mnoho energie ve velmi krátkých pulzech. Impulsy mohou být tak krátké, že lze pozorovat extrémně rychlé děje, například pohyb elektronů uvnitř atomů. To však není jediná věc, kterou můžeme s těmito lasery dělat - jejich extrémně krátká doba trvání také znamená, že koncentrace energie v pulzu je tak obrovská, že při interakci s jakýmkoli typem hmoty, včetně vzduchu, kapalin nebo pevných látek, je možné ji zásadně proměnit. Takové transformace zahrnují přeskupení atomů nebo dokonce sjednocení prvků, které se přirozeně nespojují.

 

Jaké aplikace váš výzkum umožňuje?

Protože tyto nové materiály mají nové fyzikálně-chemické vlastnosti, mohou být využité v různých aplikacích, jako je biologické značení, vývoj inteligentních kapalin, regenerace čisté vody ze zdrojů znečištěných ropnými látkami, a jak jsme zcela nedávno prokázali, velmi účinně zabíjejí bakterie. Tato nejnovější práce je obzvláště zajímavá, protože kombinace známého antibakteriálního prvku stříbra se železem umožnila vytvořit novou generaci antibakteriálního materiálu se schopností pohybovat se pomocí magnetů. Možnost pohánět antibakteriální materiál bez dotyku je velmi slibná, protože by bylo možné ničit bakterie v těžko přístupných místech, jako jsou malé otvory v lékařských nástrojích, které mají tendenci hostit oportunní bakterie, jež jsou hlavní příčinou komplikací při chirurgických zákrocích, nebo je dokonce nasměrovat dovnitř lidského těla na konkrétní místa, kde se například nachází ohrožující bakteriální populace.

 

Na jakých projektech se v současné době podílíte?

V současné době se podílím na třech hlavních projektech, které se zabývají aplikacemi nanomateriálů. Prvním z nich je projekt SGS zaměřený na výrobu nových nanokatalyzátorů, kde je mým hlavním úkolem poskytovat poradenství a dohlížet na studenty, kteří projekt vyvíjejí. Druhý můj projekt je zaměřený na vývoj nanomateriálů pro ochranu životního prostředí a udržitelnou budoucnost. Tady je mým hlavním úkolem hledat řešení současných problémů, kterým naše společnost čelí v oblasti životního prostředí, a to je znečištění vody. A konečně třetí projekt se týká udržitelné sanace dopadů radionuklidů na půdu a obnova kritických materiálů. Tady se zaměřuji na obnovu kritických materiálů. Lasery, které používám, mohou vytvářet extrémní podmínky v různých prostředích. Proto je možné získávat prvky, jako jsou surové kritické minerály, z mnoha typů prostředí. To by nám v konečném důsledku mohlo pomoci v boji proti současnému nedostatku způsobenému kombinací politického klimatu, v němž žijeme, postpandemické krize a současných neočekávaných katastrof způsobených počasím. 

 

Jste členem týmu Oddělení environmentální chemie (OECH). Jaká je vaše role a vaše úkoly?

Přestože pracuji synergicky s kolegy na oddělení OECH, úzce spolupracuji i s mnoha výzkumnými týmy na CXI, dalších fakultách TUL i na univerzitách v zahraničí. Jak kdysi prohlásil nositel Nobelovy ceny z roku 1982 Kenneth G. Wilson: "Nejtěžší problémy čisté a aplikované vědy lze vyřešit pouze otevřenou spoluprací celosvětové vědecké komunity". A přesně to se mi osobně stalo: díky spolupráci se mi podařilo vyřešit největší problémy mé vědecké práce. Zejména vyvinout mimořádné materiály, které získaly mezinárodní ohlas, jako například námi vytvořený polovodičový materiál, který získal uznání od redakční rady časopisu Nature. Jedná se o materiál, který vznikl ze spolupráce naší skupiny vědců z CXI, Federální univerzity de Sao Carlos v Brazílii a Univerzity Jaume I ve Španělsku.

 

Čím je váš výzkum typický a/nebo čím se liší od ostatních úkolů/projektů na vašem oddělení?

Přestože členové našeho oddělení pocházejí z různých prostředí, všichni jsme našli způsob, jak spojit své dovednosti a vytvořit nové poznatky. Například chemické vzdělání mého kolegy Stanislawa Waclawka a mého bývalého kolegy Vinoda Padila se skvěle doplňuje s mým fyzikálním vzděláním. To nám umožnilo zkoumat nové aplikace našich materiálů. Pracovali jsme na urychlení chemických reakcí nezbytných pro rozklad organických znečišťujících látek nacházejících se ve vodě nebo jsme zkoumali, proč mohou být nemísitelné prvky jako Fe a Cu nucené se spojit a vytvořit dosud nezkoumané nanomateriály.

 

S jakými dalšími institucemi nebo průmyslovými partnery spolupracujete?

Moji klíčoví spolupracovníci pocházejí z Feredarl University of Sao Carlos (Brazílie), University Jaume I (Španělsko), University of Padova (Itálie), Slezské technické univerzity (Polsko), Mikrobiologického ústavu Akademie věd ČR, Vratislavské univerzity (Polsko) a Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně (Česká republika).

 

Jaké zajímavosti ze svého výzkumu můžete zmínit?

Nejzajímavější je vytváření nových materiálů a kombinace prvků, které se přirozeně nevyskytují. Můžeme přitom kontrolovat, kde se má který prvek v novém materiálu nacházet, což umožňuje získat mimořádné vlastnosti. To je případ polovodiče wolframanu stříbrného, jehož interakce s laserovým zářením umožnila přerozdělení jeho atomů a to mu umožnilo získat masivní antibakteriální vlastnosti (https://doi.org/10.1038/s41598-018-19270-9). Dalším mimořádným materiálem je membrána, jejíž spojení s přesně upravenými AgTi nanoslitinami umožnilo současně získat vodu ze zdrojů znečištěných ropnými látkami a zároveň degradovat organické polutanty, které obvykle oleje doprovázejí (https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.150471). Anebo vytvoření nanozařízení AgFe, jejichž schopnost reagovat na magnetické podněty umožnila potlačit růst bakterií v obtížně přístupných místech (https://doi.org/10.1039/D2NR03902H). Vědecká zvídavost a vášeň o prohloubení znalostí inspirovala studenty z mé výzkumné skupiny FEMTO-NANO. Měl jsem tu čest vést jejich bakalářské, magisterské a doktorské práce. Naše práce byly oceněné řadou respektovaných národních institucí v České republice (například Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy ČR, Technickou univerzitou v Liberci: Cenou rektora a děkana za nejlepší diplomovou práci a vyznamenáním na regionální úrovni (Cena společnosti CRYTUR).
Kromě toho mě můj výzkum přivedl k soutěži EIT Jumpstarter v roce 2021 pořádaný Evropským inovačním a technologickým institutem (EIT), který oceňuje nejslibnější nápady v oblasti transferu technologií a podnikání. V kategorii Suroviny jsem získal první místo. Byla to zajímavá zkušenost a přivedla mě do přímého kontaktu s potenciálními průmyslovými partnery poptávajícími laserem vyráběné ultračisté nebo morfologicky atypické nanomateriály. Celkově jsem získal lepší přehled o nanotechnologickém průmyslovém ekosystému v Evropě a o současných trendech v oblasti zpracování materiálů.

 

Jaké jsou vaše další plány?

Vzhledem k pozitivním a silným zkušenostem z oblasti transferu technologií jsem si uvědomil, že můj tým by se měl etablovat a rozvíjet jako strategický partner pro průmyslové podniky a iniciovat společné projekty ve výzkumu a vývoji. Kromě toho musíme rozšířit naši síť a oslovit přední mezinárodní aktéry v oblasti vědy a techniky. Toho dosáhneme tím, že budeme sledovat stále ambicióznější vědecké a technologické cíle, a to přispěje k urychlení naší vědecké excelence a mezinárodního uznání CXI, které si všichni přejeme.