FAKULTY

Katarína Macková – 19.12.2018 – 10,5 minúty čítania

Mojou snahou je predpovedať nové funkčné materiály pomocou počítačového modelovania na atómovej úrovni

V prípade nanorúrok dokážeme dosiahnuť extrémne magnetické interakcie, čo bude mať zaiste dobré využitie. Ale ešte nechcem predbiehať, hovorí uznávaná vedkyňa z Materiálovotechnologickej fakulty STU Mariana Derzsi.

 

Ako ste sa dostali k oblasti, v ktorej pracujete?

Vyštudovala som matematicko-fyzikálnu fakultu na Univerzite Komenského. Vždy ma priťahovali prírodné vedy, pretože tam bola dôležitá logika a pochopenie – memorovanie mi nikdy nešlo. Najhoršia bola pre mňa história (smiech). Rodina a priatelia ma v mojom rozhodnutí podporili.

Po jeho ukončení ste išli ihneď do zahraničia, alebo ste nejakú dobu fungovali aj tu?

Doktorát som ešte spravila na Slovensku na Ústave anorganickej chémie Slovenskej akadémie vied. Potom som vycestovala do Krakova. Bola som na konferencii, kde som sa  kontaktovala na jedného profesora s tým, či by som mohla prísť na krátku prax ešte počas doktorandského štúdia, a v laboratóriu sa mi zapáčilo. Keď som potom hľadala postgraduálnu prax, zostala som u nich. Mala som štipendium Márie Curie Sklodowskej. Bolo to v rámci jedného projektu, kde boli výskumníci z celej Európy.

O čo konkrétne šlo?

Bol to geofyzikálny výskum. Hlavnou myšlienkou bolo pochopiť procesy vo vnútri Zeme od samotného atómu až po posuvy pôdy, vulkány a podobne. Naša skupina bola na najzákladnejšej úrovni, snažili sme sa pochopiť, čo sa deje na úrovni atómov.

Kam ste šli po roku v Krakove?

Do Varšavy, tam som zostala 9 rokov. Medzičasom som sa šla ešte „pozrieť“ do Paríža a potom som pracovala na jednom projekte na Padovskej univerzite.  

A čo vás presvedčilo vrátiť sa na Slovensko?

Do zahraničia som šla preto, lebo som, ako každý vedec, chcela nadobudnúť skúsenosti. Vo vede a výskume je veľmi dôležité, aby ste šli aj niekam inam, teda aby ste nezostali vo svojich vychodených koľajách. Potrebujete vidieť, ako sa pracuje inde, a naučiť sa nové veci. No a, samozrejme, bola tu aj finančná stránka, ktorá nepochybne zohrala svoju úlohu. Ale bola by som šla tak či tak; nás, ktorí sme chceli spraviť doktorát a potom pokračovať ďalej, na našom ústave viedli v tomto duchu: treba ísť nazbierať skúsenosti a potom sa vrátiť.

Poďme teda k vášmu návratu. Ako prebiehal?

Stretla som sa s kolegom z vysokoškolských čias a on ma upozornil na toto nové pracovisko. Pozvali ma sem so seminárnou prednáškou a takto sa to celé začalo.

Ste rada, že ste späť?

Áno, som. Za tie roky som sa naučila, že najdôležitejšie sú medziľudské vzťahy. Môže byť všetko super, ale keď nefunguje komunikácia, nie je to ono. U nás je „zdravé prostredie“ a ľudia sú tu naozaj kvôli tomu, aby robili vedu a výskum a aby vzdelávali novú generáciu.

Poďme teraz k vášmu výskumu, konkrétne k nanorúrkam. Na čom sa tento výskum zakladá?

Venujem sa modelovaniu molekulových štruktúr pomocou počítačov, teda sa zaujímam o materiály na atómovej úrovni. To znamená o to, ako sú atómy medzi sebou pospájané a rozložené v priestore a aký má toto rozloženie vplyv na ich vlastnosti. Výskum nanorúrok sa začal vo Varšave, kde mám stále intenzívnu spoluprácu, keďže som tam bola 9 rokov. Je tam technologické laboratórium nových funkčných materiálov a snažia sa v ňom syntetizovať úplne nové anorganické látky, ktoré by mali nejakú zaujímavú funkciu. Napríklad aby mali zaujímavé magnetické, prípadne elektrické vlastnosti. Alebo aby sa dali využiť na syntézu iných exotických, aby sa pomocou nich dali syntetizovať iné materiály. Nanorúrky sú budované z atómov striebra a fluóru; s týmito dvoma prvkami veľa pracujeme, pretože sa snažíme syntetizovať a predpovedať materiál, ktorý by sa dal v budúcnosti použiť ako supravodivý.

A v čom je hlavný význam vášho výskumu?

Môj výskum pomohol k tomu, že pomocou počítačového modelovania som mohla namodelovať materiál ešte predtým, ako bol syntetizovaný, a mohla som predpovedať, za akých podmienok ho môžeme syntetizovať. A ak áno, ako by vyzerala jeho štruktúra. Keď už viem, aká je, dokážem vypočítať vlastnosti. Pri modelovaní materiálu na báze fluóru a striebra sme vedeli, ako základný materiál vyzerá na atómovej úrovni. Vedeli sme, že sa skladá z vrstiev a je veľmi podobný iným materiálom, ktoré sú supravodivé a sú na báze medi a kyslíka. Ide o rodinu keramických materiálov, ktoré dosahujú najvyššiu teplotu, pri ktorej začínajú byť supravodivodivé.

Čo je tu hlavnou snahou?

Dosiahnuť supravodivosť pri čo najvyšších teplotách. Pretože doteraz všetky supravodivé materiály, ktoré poznáme - teda veľká väčšina z nich - je supravodivá pri veľmi nízkych teplotách, cca mínus 200 stupňov Celzia, čo je absolútne nepraktické. Tie na báze medi a kyslíka zatiaľ dosahujú najvyššie teploty supravodivosti, ale stále je príliš nízka; hovoríme o teplote tekutého dusíka, čiže mínus 70 stupňov Celzia. To je stále veľmi málo. Veríme, že ak by sme v materiáloch na báze medi a kyslíka vymenili meď za striebro a kyslík na fluór, existuje šanca, že by sme mohli dosiahnuť vyššiu teplotu supravodivosti a materiály by boli praktické.

Čo by sa z nich potom dalo urobiť?

Používame ich už aj teraz, len ich treba chladiť. Bolo by to technologicky jednoduchšie a neboli by veľké náklady.

Ako ste vlastne nanorúrky objavili?

Pri uvedenom materiáli zo striebra a fluóru, ktorý sme skúmali, sme si všimli, že jeho vrstvy sú zvlnené, pričom pri materiáli na báze medi a kyslíka boli úplne hladké. Následne sme sa snažili dosiahnuť takú situáciu, akú sme poznali, čiže hladkosť vrstiev, a teda sme sa ich pokúsili vyrovnať. Poslali sme materiál kolegom vo Washingtone, oni urobili vysokotlakový experiment a pozorovali, čo to spraví. Očakávali sme, že sa vrstvy vyrovnajú.

A vyrovnali sa?

Nie. Začala som simulovať situáciu stláčania a podarilo sa mi zistiť, že pri určitom tlaku sa vrstvy nielenže nezačali vyrovnávať, ale lámať, zvíjať a vytvárať rúrky. Na začiatku sme to nepochopili, pretože pri stláčaní sa atómy snažia tvoriť čoraz viac kontaktov a vyplniť priestor čo najefektívnejšie. Až analýzy a modelovanie vysvetlili, prečo sa to takto deje. Vezmite si napríklad röntgen; odráža sa od atómov a podľa toho, ako sa odráža, viete povedať, ako sú atómy pospájané. Keď je však štruktúra úplne nová, je veľmi ťažké zistiť, aká je, pretože potrebujete nejaký štartovací model. A tie modely sa väčšinou berú z databázy podobných materiálov. Taký však neexistoval a my sme nevedeli, od čoho začať. Ďalším faktorom je vnútorná štruktúra atómov; elektróny sa pohybujú na dráhach, ktoré nazývame orbitály a pomocou nich sa môžu navzájom prichytiť. Spájanie sa atómov teda nie je dané len tým, aký majú priestor, ale aj tým, ako majú dostupné orbitály, pomocou ktorých robia väzby.

Ako sa nanorúrky budú dať prakticky využiť?

To je ešte ďaleká budúcnosť. Ako prvé potrebujeme zistiť, či tento materiál vieme dekompresovať bez toho, aby sa nám rozpadol. Ďalšou vecou sú elektrické  a magnetické vlastnosti; väčšinou keď laik počuje o magnetizme, má na mysli železo, čo v našom jazyku znamená feromagnetický materiál. Predstavme si, že každý atóm je akoby magnetka, ktorá niekam ukazuje. Keď sú všetky orientované jedným smerom, vtedy hovoríme, že ide o feromagnetické usporiadanie. Existujú však aj iné materiály, kde atómy nie sú orientované jedným smerom, ale dajme tomu striedavo. Tomu hovoríme antiferomagnetizmus; takýto materiál sa nám navonok nejaví ako magnetický, ale na atómovej úrovni nás zaujíma sila interakcie. Pri nanorúrkach sme usúdili, že je obrovská, dokonca jedna z najväčších, akú poznáme.

Prečo je to dôležité?

Ak sa vrátime k skupine materiálov na báze medi a kyslíka, je to najväčšia rodina supravodivých materiálov, ktorá dosahuje najvyššie teploty supravodivosti. My veríme, že to veľmi súvisí s magnetickými interakciami vo vnútri materiálu, pretože presne v tomto prípade sú extrémne silné. Čím je sila interakcie silnejšia, tým je aj teplota supravodivosti vyššia. My sme zistili, že v prípade  nanorúrok je sila interakcie trikrát vyššia, ako náš doterajší rekord, čo pre nás bolo významné zistenie. V tomto materiáli dokážeme dosiahnuť extrémne magnetické interakcie, čo bude mať zaiste dobré využitie. Ale ešte nechcem predbiehať.

Prečo predbiehať?

Pretože zatiaľ len analyzujeme; ešte sa nebavíme o materiáloch v pravom zmysle slova, iba o nejakej chemickej zlúčenine, ktorá má isté elektrické a magnetické vlastnosti. Ďalším krokom bude pochopiť, či vôbec môžeme takýto materiál technologicky spracovať. Materiály, s ktorými pracujeme, sú maličké prášky, respektíve kryštáliky. Aby sme z nich mohli urobiť technologicky významný materiál, potrebujeme ho veľa. Tiež potrebujeme, aby bol vo veľkom množstve stabilný. A tieto technologické problémy už my neriešime, na to je tu iná skupina vedcov.


Aké je technologické využitie supravodivosti?

Bežná je napríklad magnetická rezonancia. Takisto môžeme spomenúť rýchlovlak; konkrétne taký, ktorý doslova levituje nad zemou. Supravodivý materiál odpudzuje magnetické pole a tým, že ho odpudzuje, sa zdvíha. A odpadá trenie. Najviac supravodivého materiálu bolo použitého na budovanie urýchľovača v CERNe - tam sa snažia zistiť podstatu hmoty a opäť sa pri tom používajú supravodivé magnety. Teda, lepšie povedané, dlhé kilometre supravodivých drôtov.


Poďme ešte k vášmu tohtoročnému oceneniu L’ORÉAL-UNESCO Women in Science 2018. S čím súviselo?

Veľmi blízko s uvedením výskumom. Ale je komplexnejšie, pretože jeho súčasťou je aj ďalší aspekt, a to ako zviditeľniť ženy nielen vo vede, ale aj v popularizácii vedy, najmä podporiť a povzbudiť aj iné ženy a dievčatá, aby šli do vedy. Sú tam teda zahrnuté aj tieto moje aktivity. Kľúčovým aspektom je predstaviť projekt, na ktorom chceme v budúcnosti pracovať, pričom je dôležité práve to, čo sme už doposiaľ spravili. Pretože na tom sa zakladá dôvera, že budúci výskum dokážete robiť, že máte na to kompetenciu.

Je evidentné, že vás výskum baví. Čo vás na ňom oslovuje najviac?

Práve to, že sa snažím hľadať v teórii pomocou počítačových simulácií nové materiály a zlúčeniny s kryštalickou štruktúrou; také, ktoré ešte nie sú známe, a pochopiť, ako tá štruktúra, teda rozloženie atómu v priestore, súvisí s ich vlastnosťami.

Poďme ešte k vašim záľubám. Ako oddychujete?

Pre mňa je moja práca aj hobby a zrejme je to aj vidieť (smiech). Ako prácu skôr vnímam umytie riadu. Ale, samozrejme, ani čokoládu nemôžete jesť donekonečna, prišlo by vám zle. Preto sú pre mňa napríklad okamihy umývania riadu relaxujúce. Ale toto je svet, v ktorom žijem, ktorý ma veľmi baví a keď sa už chcem od toho vzdialiť, najobľúbenejšou činnosťou je pre mňa záhradníčenie a kvety. Som z botanickej rodiny, môj otec sa celý život venoval pestovaniu kvetín, najmä subtropických. Bolo naším spoločným snom, že jedného dňa budeme mať laboratórium, kde budeme môcť krížiť nové rastliny na genetickej úrovni. Mali sme citrus, ktorý bol väčší ako dvojposchodový dom, a z každej strany ho otec zaštiepil inak. Z jednej strany to bol grapefruit, z druhej pomaranč, z ďalšej mandarínka...mali sme tam všetky možné chute. Napokon som sa pobrala smerom k fyzike, ale tu sa to celé začalo.

  

Text: Katarína Macková
Foto: Matej Kováč