Grantová agentura České republiky podpořila dva projekty ÚCHP mířící do materiálového a atmosférického výzkumu

Grantová agentura České republiky (GA ČR) podpoří od roku 2026 více než 400 nových projektů základního výzkumu. Mezi úspěšnými žadateli jsou i dva týmy z Ústavu chemických procesů AV ČR, které získaly Standardní projekty – nejprestižnější formu podpory základního výzkumu v Česku.

Projekt Ing. Jana Storcha, Ph.D. z Výzkumné skupiny pokročilých materiálů a organické syntézy se zaměřuje na řízené vytváření chirality ve dvou-rozměrných materiálech na bázi TMDC a na vývoj pokročilých chiroptických zařízení. Tým doc. RNDr. Naděždy Zíkové, Ph.D. z Výzkumné skupiny chemie a fyziky aerosolů bude zkoumat roli biogenních aerosolů v procesech tvorby oblaků a jejich interakci s městským znečištěním.

O tom, čemu se budou věnovat v následujících třech letech a jaké nové poznatky chtějí do svého oboru přinést, jsme si povídali s oběma hlavními řešiteli.

Ing. Jan Storch, Ph.D. – Projekt: Chirality engineering in 2D TMDCs via helicene functionalization: a route to high-performance chiroptical devices

• Váš projekt se zaměřuje na řízenou tvorbu chirality v 2D TMDC materiálech. Co je hlavní vědecká otázka, kterou chcete během projektu zodpovědět?

Chceme pochopit, zda lze tenké vrstvy TMDC materiálů, tvořené jen několika atomy přechodného kovu a síry či selenu, upravit tak, aby začaly selektivně reagovat na levotočivé a pravotočivé světlo. Jinými slovy, zda jim můžeme dodat chiralitu, kterou samy o sobě vůbec nemají. Za normálních okolností to neumějí. Pokud však na jejich povrch připojíme speciální molekuly zvané heliceny, které mají charakteristický šroubovicový tvar, může se jejich optické chování zásadně proměnit. Hlavní otázkou tedy je, jestli dokáže několik atomových vrstev skutečně tzv. převzít chiralitu od organických molekul. A pokud ano, jakým mechanismem se tento přenos odehrává.

• Chirální 2D materiály jsou celosvětově považovány za jednu z nejperspektivnějších oblastí pro budoucí optoelektroniku. V čem je právě kombinace TMDCs a helicenů tak průlomová?

Heliceny jsou fascinující molekuly, protože mají obrovské hodnoty specifické rotace a jejich elektronový obal se vine jako závit u šroubu, což jim dává mimořádně silnou chiralitu a velmi specifický způsob, jakým interagují se světlem. Mají ale jednu slabinu, a to že prakticky nesvítí, jejich fluorescence je velmi totiž velmi nízká. Dvourozměrné materiály typu TMDC představují přesný opak. Jsou mimořádně tenké a stabilní, a díky silným excitonovým emisím dokážou jasně a efektivně zářit. Když se tyto dva světy spojí, vzniká hybrid, který může nabídnout to nejlepší z obou: výraznou a stabilní světelnou emisi TMDC a silnou chirální odezvu helicenů. Ve výsledku tak získáme materiál, který je nejen tenký a opticky aktivní, ale zároveň citlivý k polarizaci světla. Jde o velmi mladý směr výzkumu, který se teprve rodí, a právě proto má potenciál přinést nové objevy a aplikace.

• Jak bude prakticky probíhat „chirality engineering“? Jaké experimentální techniky a postupy jsou pro tento typ výzkumu klíčové?

V praxi jde o promyšlený postup, v němž se přirozeně propojují metody organické chemie, materiálové vědy i optiky. Nejprve kolegové z VŠCHT připraví vrstvy TMDC materiálů, tenké jen několik atomů. Poté syntetizujeme vhodné deriváty helicenů a rozdělíme je na opticky čisté formy, tedy na levotočivé a pravotočivé varianty. Tyto molekuly pak na povrch 2D materiálů připojujeme dvěma způsoby, a to buď pevnou kovalentní vazbou, nebo šetrnější koordinační interakcí. A pak přichází klíčový moment, zjistit, zda se chiralita skutečně přenesla. K tomu používáme optické metody, které dokážou zachytit i velmi malé rozdíly v tom, jak materiál absorbuje či vyzařuje světlo. Zjednodušeně řečeno sledujeme, jestli nový hybridní materiál začne dávat přednost „levému“ nebo „pravému“ světlu a zda skutečně získal chiralitu.

• Jaké vlastnosti chiroptických zařízení by mohly výsledky vašeho výzkumu do budoucna vylepšit – rychlost, účinnost, miniaturizaci nebo něco úplně jiného?

Jeden z nejpřesvědčivějších a zároveň nejpraktičtějších příkladů se týká energetické úspornosti displejů. Možná to zní nenápadně, ale většina těch nemodernějších, včetně mobilních zařízení, používá polarizační filtr, který pohltí zhruba polovinu světla, které z displeje vychází. Displej musí svítit dvakrát tolik, aby se zachoval jas a kontrast. A protože právě displej je největším „žroutem energie“ v telefonu, výrazně to zkracuje výdrž baterie. Pokud by však jednotlivé pixely dokázaly svítit přímo cirkulárně polarizovaným světlem, tedy CPL, polarizační filtr by toto světlo už nepohltil. Neztrácela by se polovina výkonu a stejného jasu by bylo možné dosáhnout s výrazně menší spotřebou energie. To by znamenalo nižší energetickou náročnost a delší výdrž baterie. A to je jen jeden konkrétní příklad. Chiralní materiály mohou najít uplatnění také v rychlé optoelektronice, moderních senzorech nebo fotonice nové generace, tedy všude tam, kde se počítá s přesnou kontrolou světla a jeho polarizace.

• Projekt bude probíhat v mezioborovém prostředí (organická chemie, fyzika materiálů, optika). Jaké výhody a výzvy toto propojení přináší pro váš tým?

Multioborová spolupráce je pro tento výzkum naprosto zásadní. Organická chemie dokáže přesně navrhnout a připravit molekuly helicenů, a tím celý proces začíná. Materiálová chemie vytváří dvourozměrné TMDC struktury, tedy platformu, na níž se chiralita může projevit. Optika a fyzika pak odhalují, co se v materiálu skutečně odehrává a zda se chiralita přenesla tak, jak jsme zamýšleli. Výzvou je samozřejmě komunikace mezi jednotlivými obory. Každý z nich má vlastní slovník, vlastní přístup a jinou představu o tom, jak problém uchopit. Když se ale tyto různé vědecké jazyky propojí, často z toho vzniknou nové a nečekané nápady. Právě takové prostředí tento projekt vytváří, a právě z toho často přicházejí ty nejzajímavější výsledky.

• GA ČR dlouhodobě podporuje rozvoj mladých vědců. Jakou roli v projektu budou mít doktorandi a začínající výzkumníci?

Mladí vědci v projektu sehrají mimořádně důležitou roli. Od začátku je počítáno s tím, že se zapojí do všech jeho fází, od syntézy helicenů a přípravy dvourozměrných materiálů až po optická měření, analýzu dat a přípravu publikací. Díky tomu získají zkušenosti s pokročilými spektroskopickými technikami, přípravou nanomateriálů i s každodenní prací v multidisciplinárním týmu. Pro doktorandy a také pro magisterské studenty je to příležitost být u zrodu nové výzkumné oblasti a zároveň vyrůst v odborníky, kteří dokážou přirozeně spojovat chemii, fyziku i materiálovou vědu. A právě takové uvažování dnes věda potřebuje nejvíce.

doc. RNDr. Naděžda Zíková, Ph.D. – Projekt: Role of Biogenic Aerosols in Cloud Condensation and Ice Nucleation and its Interaction with Urban Pollution

• Jaká je hlavní vědecká motivace projektu? Co o roli biogenních aerosolů v tvorbě oblaků stále ještě nevíme?

Rádi bychom se detailně podívali na to, jakou roli hrají biogenní aerosoly, tedy aerosolové částice biologického původu, na tvorbu kapek nebo ledu v oblačnosti. Z publikovaných laboratorních studií víme, že mohou být významnými kondenzačními i krystalizačními jádry, ale téměř nevíme, jak se chovají v reálné atmosféře, hlavně pokud jsou smísená s dalšími částicemi antropogenního původu. Dlouhodobá terénní pozorování v tomto směru chybí.

• Váš projekt propojuje atmosférickou chemii, fyziku aerosolů i problematiku městského znečištění. Co je podle vás na tomto výzkumu největší výzva?

Největší výzvou bude postihnout a změřit všechny důležité parametry komplexního systému antropogenní aerosol-oblaka-biogenní částice včetně interakcí, které jsou nelineární, proměnlivé v čase a silně závislé na meteorologických podmínkách. Klíčové bude zejména oddělit vlastní biogenní vliv od efektů způsobených antropogenními emisemi, a to jak v oblacích, tak mimo ně.

• Jak budete experimentálně zkoumat interakce mezi biogenními aerosoly a antropogenním znečištěním? Plánujete laboratorní experimenty, terénní měření, modelování – nebo kombinaci těchto přístupů?

Plánujeme poměrně rozsáhlá terénní měření na dvou stanicích, která doplníme modelováním zdrojů a původu vzduchovým mas. Budeme kombinovat kontinuální měření kondenzačních a krystalizačních jader, bioaerosolů a fyzikálních a chemických vlastností aerosolu. Budeme mít dlouhodobé měření na Národní atmosférické observatoři Košetice na Vysočině, kde již stávající infrastrukturu rozšíříme o čtyři intenzivní kampaně a následně se přesuneme na Milešovku, kde na stanici Ústavu fyziky atmosféry AV ČR přidáme roční měření, která tam dosud nebyla.

• Jak by lepší porozumění procesům kondenzace a nukleace ledu mohlo zlepšit naše predikční modely počasí a klimatu?

Většina současných modelů pracuje jen s celkovou hmotou aerosolu a vody v atmosféře. Jen málo z nich dokáže explicitně reprezentovat velikostní rozdělení částic a kapek či krystalů ledu, takže mnoho klíčových procesů je stále založeno na parametrizacích. Tím, že přesněji popíšeme, jak kondenzace a ledová nukleace závisí na velikosti částic, chemickém složení a podílu biogenní frakce, poskytneme empirické vztahy, které lze přímo implementovat do schémat oblačné mikrofyziky. To by mělo zpřesnit předpověď počasí a zároveň snížit nejistoty v projekcích budoucího klimatu.

• Urbanizace a klimatické změny zásadně ovlivňují kvalitu ovzduší. Jaké nové poznatky může váš projekt přinést právě ve vztahu k městskému prostředí?

Chceme kvantifikovat, jak různé typy antropogenního znečištění ovlivňují schopnost biogenního aerosolu tvořit kapky a led. To nám umožní rozlišit účinky jednotlivých emisních zdrojů podle jejich chemického složení a fyzikálních vlastností. Na základě těchto dat bude možné lépe odhadovat vliv znečištění na oblačnost a klima, aniž by bylo nutné provádět velmi detailní měření pro každý případ, a současně identifikovat typy znečištění, které by bylo vhodné sledovat nebo regulovat, pokud chceme minimalizovat jejich dopad na kvalitu ovzduší a klimatické procesy.

• Projekt má i výrazný edukační rozměr. Jak budete zapojovat mladé vědce nebo studenty a co byste chtěla, aby si z výzkumu odnesli?

V projektu budou zapojeni dva naši doktorandi, Charlie Saldua Andan, M.Sc. a Joseph Durat, M.Sc., kteří budou zodpovědní za část měření, zpracování dat a publikace výsledků. Projekt jim poskytne zkušenosti se všemi fázemi vědecké práce – od návrhu experimentu přes analýzu dat až po publikaci – a zároveň bude základem pro jejich disertace a budoucí vědeckou kariéru. Cílem je, aby si osvojili samostatné analytické dovednosti, práci s komplexními datovými soubory a schopnost propojit fyzikální, chemické a biogenní vlastnosti atmosférického aerosolu.

Děkujeme za rozhovor a přejeme, ať se výzkumu daří!

Kromě dvou projektů, kde ÚCHP vystupuje jako hlavní řešitel, uspěli naši vědci také ve dvou projektech, na nichž se podílíme jako spoluřešitelé. Na tyto projekty připravujeme samostatný rozhovor.