Úspěchy FŽP v mezinárodním vědeckém prostředí

Fakultě životního prostředí (FŽP) se v poslední době daří jak v tuzemsku (viz úspěšné akreditace či nové projekty), tak i na mezinárodní scéně v oblastech základního a aplikovaného výzkumu.

Důkazem úspěchu v oblasti základního výzkumu jsou nedávné publikace z roku 2021 a 2022 uveřejněné v prestižních časopisech Nature Communications¹ a Science Advances². Tyto publikace vznikly na základě mezinárodní spolupráce, na které se významně jako hlavní a/nebo korespondenční autor podílel doktor Orava z Katedry environmentální chemie a technologie, FŽP. Článek s názvem „In situ correlation between metastable phase-transformation mechanism and kinetics in a metallic glass“ byl editory v době zveřejnění vybrán mezi 50 nejvýznamnějších nedávno publikovaných článků o materiálové vědě a chemii a v březnu 2023 byl zařazen do tematické sbírky, která představuje nejlepší výzkum v oboru metalurgie publikované v Nature Communications³. Druhý článek, který se zabývá biomimetickými aplikacemi kovových skel s názvem „Metallic Mimosa pudica: A 3D biomimetic buckling structure made of metallic glasses“, byl zařazen v rubrice významných výzkumných novinek zveřejněných v Nature Review Materials⁴. Oba články se zabývají studiem kinetiky a principu krystalizace kovových skel a jejich využití při přípravě nových funkčních materiálů.

Kovová skla jsou materiály, které nacházejí své uplatnění například jako vinutí transformátorů díky svým magnetickým vlastnostem, estetické materiály pro „high-end“ produkty, jako Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), nebo pro vesmírné aplikace v podobě odolných mechanických součástek. V poslední době se velká část výzkumu soustředí na využití biokompatibility kovových skel v oblasti implantátů (permanentní a dočasné), a také v enviromentální problematice, kde některá složení jsou studována pro jejich aplikační potenciál v oblastech katalýzy nebo vodíkové technologie.

Prvně zmíněný článek¹ vznikl ve spolupráci mezi IFW Dresden (Německo), DESY Hamburg (Německo), Univerzitou v Cambridge (Velká Británie), Max-Planck institutu v Düsseldorfu (Německo) a FŽP. Doktor Orava vysvětluje: „Publikace se zabývá kinetikou fázových transformací, tj. přechodem skla na krystal, která byla studována za použití unikátní kombinace experimentálních technik zahrnující např. elektromagnetickou levitaci, atomární tomografii (obr. 1) nebo využití rentgenova záření generovaného na synchrotronu DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) v Hamburgu za použití extrémních a kontrolovaných rychlostí ohřevu dosahujících až desetitisíce stupňů Celsia za sekundu v širokém rozsahu teplot.“ V článku jsou poprvé definovány komplexní podmínky, za kterých může sklo vytvářet sklo-krystalické kompozity s výhodnými materiálovými vlastnostmi, zvláště pak vylepšenými mechanickými parametry, které často představují limit ve využití kovových skel jako strukturních materiálů. Samotný nový experimentální přístup lze obecně použít pro mapování fázových transformací v jiných systémech tvořících funkční kompozit.

Publikace v Science Advances² vznikla spoluprací vědců z Institutu fyziky, Čínské akademie věd v Pekingu, IFW Dresden (Německo) a FŽP. Pomocí laserového řezání byla vytvořena struktura připomínající svojí funkcí rostlinu Mimosa pudica (citlivka stydlivá). Funkční vlastnost byla do listu uvedena pomocí nanosekundového laserového zápisu, při kterém dochází ke krystalizaci magneticky aktivního kovového skla na bázi železa. Výsledkem zápisu je periodická kovová sklo-krystalická struktura, která reaguje na přítomnost externího magnetického pole ve smyslu opakovaného zavírání a otevírání listu, tj. napodobuje reakci citlivky na externí podnět jako je např. dotek (obr. 2). Jedná se o první demonstraci intrinsického reversibilního ohýbání kovového skla, které připomíná origami. Na rozdíl od origami, kde vytvořený ohyb je nevratný, tj. výslednou strukturu již nelze přeměnit v jinou, je tvarová změna u kovového skla zcela vratná a lze ji manuálně měnit mezi konvexní a konkávní konfigurací. Výsledky zveřejněné v práci nabízí novou cestu pro přípravu a studium kovových skel s automatizovanými funkcemi požadovaných např. v robotice a elektronických zařízeních, které vyžadují bezkontaktní expanzi, kontrakci a jiné tvarové změny.

To, že i aplikovaný výzkum se dá dělat na špičkové mezinárodní úrovni, dokazuje tým vedený prof. Janošem a doktorem Henychem, který se podílí na řešení projektu Green Ultrafiltration Water Cleaning Technologies (GreenWaterTech)⁵ zaměřeného na odstraňování tzv. emergentních polutantů a patogenů z vod (obr. 3). Na projektu podpořeném v rámci programu AquaticPollutants se podílí kromě českých institucí (FŽP UJEP a Ústav anorganické chemie AV ČR, ÚACH) též dvě francouzské instituce (French National Center for Scientific Research (CNRS) / Research Institute for Catalysis and Environment of Lyon (IRCELYON) a Ecole Normale Supérieure de Lyon), a Švédská zemědělská univerzita (Swedish University of Agricultural Sciences). V čele konsorcia je prof. Lars Österlund z univerzity v Uppsale. Cílem projektu je navrhnout kombinovaný modul pro čištění vod, přičemž některé z klíčových komponent (nanosorbenty či fotokatalyzátory na bázi oxidu ceričitého, titaničitého a dalších) byly vyvinuty na FŽP resp. ÚACH. Základ týmu, který se úspěšně prosazuje v silné mezinárodní konkurenci, tvoří absolventi doktorského studia na FŽP a současní doktorandi.

Obr. 1. Rekonstrukce složení sklo-krystalického kompozitu kovového skla na bázi Cu-Zr-Al pomocí atomární tomografie. Převzato z literatury¹.

Obr. 2. Vlevo: reakce citlivky na dotek. Vpravo: zavírání a otevírání listu kovového skla v externím magnetickém poli. Převzato z literatury².

Obr. 3. Schématické znázornění fotokatalyzátoru pro ultrafiltraci vody. Nanočástice oxidu ceričitého mají vysokou pseudoenzymatickou aktivitu a viricidální vlastnosti. Převzato z literatury⁶.

POUŽITÉ ODKAZY

¹Orava et al., In situ correlation between metastable phase-transformation mechanism and kinetics in a metallic glass. Nature Communications 12 (2021) 2839. https://doi.org/10.1038/s41467-021-23028-9

²Li et al., Metallic Mimosa pudica: A 3D biomimetic buckling structure made of metallic glasses. Science Advances 8 (2022) eabm7658. https://doi.org/10.1126/sciadv.abm7658

³https://www.nature.com/collections/gxfyskqtkm

⁴Vartanian, Program’s in the pattern. Nat. Rev. Mater. 7 (2022) 682. https://doi.org/10.1038/s41578-022-00481-6

⁵https://aquatic-pollutants.eu/Blog/GreenWaterTech+February+2023.html

⁶Henych et al., How the surface chemical properties of nanoceria are related to its enzyme-like, antiviral and degradation activity. Environmental Science: Nano 9 (2022) 3485. https://doi.org/10.1039/D2EN00173J