High Entropy Oxides: Oceněný doktorand Erik Ščasnovič pracuje na výzkumu a vývoji nových keramických materiálů

Každý den pro něj znamená možnost se něco nového naučit. Touha po získávání informací je u něj silnější než cestování a návštěva historických památek. Ty prý stačí vidět jen na obrázku. Co ho na nich zajímá, jsou vědecké a technické možnosti, které jsou v těchto dílech skryté. Doktorand CEITEC VUT ze skupiny prof. Maci Pokročilá multifunkční keramika vyhrál v soutěži Brno Ph.D. Talent. V oceněném projektu se zaměřuje na přípravu a charakterizaci nových keramických materiálů – tzv. HEOs. Uplatnění by mohly najít třeba v bateriích.

Co pro slovenského studenta znamená ocenění v soutěži Brno Ph.D. Talent?

Já jsem si myslel, že je to taková lokální, malá soutěž, o kterou se zajímá jen aktuální ročník soutěžících. Ale pak mi blahopřáli i starší kolegové z CEITEC. A až díky těmto reakcím jsem zjistil, že je to prestižní ocenění doktorandů, kterou sleduje širší odborná veřejnost.

Jakou strukturu musí mít soutěžní projekt?

Jedná se o představení plánu projektu – zhruba 12 stran textu. První dvě strany obsahují životopis, motivaci a zbylých deset stran jsou o projektu – cíl, teorie, pracovní zázemí, spolupracující kolegové, rozvrh výzkumu apod.

O čem je Váš výherní?

Můj projekt se zabývá studiem nově vzniklé skupiny keramických materiálů, které se nazývají HEOs – vysokoentropické oxidy (z angl. high-entropy oxides). Materiály patřící do této skupiny se vyznačují vysokým stupněm stability a jednofázovou strukturou, což umožňuje dosáhnout lepších vlastností ve srovnání se současně dostupnými materiály, např. lepší odolnosti proti oděru, elektrické vodivosti/supravodivosti, možného zvýšení kapacity a prodloužení životnosti baterií atd. S těmito materiály přišla americká profesorka v roce 2015, kdy o nich publikovala článek, a já bych rád na její výzkum navázal a přispěl „vlastní troškou“.

To znamená?

Když se přijde s něčím novým, vždycky se zkoumá, jaké by to mohlo mít uplatnění. Soustředíme se primárně na jeden druh zmíněných nových materiálů, o kterém předběžně víme, že by se dal uplatnit v elektrotechnice.

Jaká je náplň Vaší práce?

Primárně pracuji v laboratoři. Objednávám a nakupuji základní prášky – zejména oxidy, které v přesném poměru meleme v planetovém kulovém mlýně, aby se dosáhlo homogenního míchání a zmenšení velikosti částic. Takto smíchaný prášek se poté slinuje (tepelné zpracování keramických prášků, kdy se mění v pevnou hmotu s konkrétním tvarem). K tomu primárně používáme elektrické jiskrové spékání (angl. SPS – spark plasma sintering), což nemá úplně každý. V Česku jsou jen dva přístroje, a to v Brně a Praze. Spočívá jednoduše řečeno v tom, že se prášek v grafitové formě stlačí a pustí se do něj elektrický proud, který při průchodu formou s práškem vytváří teplo.

Zatím jsme ve fázi zdokonalování přípravy a zpracování materiálu. Je velmi náročné dostat z pěti prvků jednofázovou strukturu. To znamená, že každý z těch 5 použitých materiálů má jinou strukturu uspořádání a my se snažíme, aby měly všechny stejnou. Někdy se stane, že dva materiály reagují jen mezi sebou, a ne s dalšími. Takže to se snažíme teď „vychytat“. A v další fázi budeme slinutou keramiku charakterizovat.

Co si od nich slibujete?

Doufáme, že se nám podaří připravit materiály pro elektrotechnické aplikace, třeba jako součást baterií. V souvislosti s tím rozvíjíme spolupráci s Fakultou elektrotechnickou, které posíláme vzorky. Výsledky bychom měli mít do několika týdnů. Konkrétně by tyto materiály měly sloužit jako anoda baterie nebo pevný elektrolyt. Ukazuje se, že by měly mít vyšší životnost a/nebo větší výkon než ty doposud používané.

Jsou i nějaké skeptické názory na HEOs materiály, že nejsou tak „super“?

Ano, v poslední době se začaly objevovat i takové přístupy. Naším primárním cílem je vytvořit jednofázovou stabilní strukturu. A skeptici si myslí, že není stabilní z hlediska času. Že se prostě časem rozpadne a už nebude jednofázová. Teď se tedy vedou debaty, jestli to je, nebo není pravda. Já jsem „fact-based“ člověk – když čtu nějaký výzkum a nejlépe když ho můžu i sám ověřit, pak to považuji za pravdivé. Ale aktuálně se nemůžu přiklonit na žádnou stranu.

Člověk by si řekl, že dnes už je vše objevené. A Vy teď studujete nové materiály. Jak vznikly?

(Smích) to jsem si taky myslel, než jsem šel na vysokou školu – že už je vše objevené a vyzkoumané. Ale pak jsem přišel na to, že jen v 1 gramu oxidu zirkoničitého je cca 5*10^21 atomů (což je triliarda částic, což je biliónkrát víc než lidí na Zemi...). Každá částice může být trochu jinde, může tam být defekt nebo atom navíc, příměs něčeho nechtěného, protože čistý prvek se nedá lehce vyextrahovat… Takže je velmi hodně proměnných. Tyto nové materiály jsou výsledkem dlouholetého výzkumu. Už od doby kamenné přes bronzovou až po dobu železnou se lidstvo snažilo vytvořit lepší a lepší materiály z hlediska vlastností a jejich využití. Zlepšila se mikrostruktura – různé výrobní a zpracovatelské postupy, chemické složení – přídavné/slitinové prvky atd. Od roku 2004 se začaly vyrábět slitiny kovů z 5 a více materiálů, tzv. high-entropy alloy. Tohohle přístupu se pak „chytli“ i keramici, kteří přemýšleli nad tím: co když to nebude čistý prvek, ale oxid, to by mohlo mít zas lepší vlastnosti. A takový je vývoj nových materiálů.

Vždycky jste chtěl být výzkumník se zaměřením na keramiku?

Já jsem chtěl jít na zubaře. Jenže jsem na střední škole zjistil, co je organická chemie. Díky tomu a díky skutečnosti, že mě bavila fyzika, jsem to pak viděl spíš na technický obor. Když jsme si se spolužáky vybírali vysoké školy, shodla se asi polovina z nás, že půjde do Brna. V té době také začaly vycházet filmy o Ironmanovi, kterého jsem od dětství miloval. Díky těmto filmům jsem o zařízeních/strojích přemýšlel trochu komplexněji. Začal jsem si uvědomovat, že není příliš efektivní zvyšovat výkon zařízení "pouhým" zvyšováním jeho výkonu... Co kdyby se optimalizoval tvar, pracovní podmínky nebo materiály? To by nám přineslo zvýšení výkonu prakticky „zadarmo“. Materiálové inženýrství jsem si vybral téměř zcela náhodně. Procházel jsem nabídku bakalářských oborů a padl mi do oka. Vůbec nic jsem o něm nevěděl ani ho nezkoumal. Věděl jsem jen, že v mých představách to zní naprosto dokonale.

Všichni si to představují tak, že dělám hrníčky (smích). Zrovna mého otce se kolegové ptali, proč studuju vysokou školu, když vlastně budu vyrábět hrníčky a talířky (smích). Samozřejmě jim to vysvětlil, jako jsem ho tehdy poučil já asi 40hodinovou přednáškou (smích). Ale musím se přiznat, že i já jsem si kdysi spojoval keramiku jen s kuchyňským nádobím. Teď už aspoň lidi tuší, že se dají dělat i keramické zubní implantáty nebo kloubní náhrady.

Jak tedy vysvětlujete, co děláte?

Přemýšlel jsem nad tím a přišel jsem na docela univerzální vysvětlení – keramika je to, co vám zůstane, když si odmyslíte kovy a plasty. Všechno ostatní je většinou keramika. A to už začalo moje okolí chápat. Nevýhodou je, že si ji lidé často pletou například se sklem, přičemž na hodinkách bývá často průhledná keramika. Dále se keramika používá například v elektrotechnice v podobě oxidů, například křemíku a dalších, které se používají jako součástky v zařízeních, jako jsou telefony a počítače. Keramika je takovým tajným hrdinou, kterého málokdo vidí.

Chtěl byste se vrátit na Slovensko?

Asi ne. Bydlel jsem u jednoho z větších měst na Slovensku a pak jsem se přestěhoval do Brna. A zjistil jsem, co všechno nabízí. Třeba po 22. hodině si člověk může objednat jakékoli jídlo chce, je tu CEITEC, je tu milion možností, asi pět bazénů, různá sportoviště. Takové možnosti na Slovensku vyjma Bratislavy nejsou. Ale hlavní město mi nepřijde vhodné pro bydlení, je to asi stejné jako to máte vy s Prahou. Brno je takové vesnické, ale s výhodou hlavního města.

Chystáte se na stáž?

Zatím by to nemělo smysl, protože v tom projektu jsme vážně na začátku. Ale s vedoucím práce se bavíme o možnosti pak vyjet do Velké Británie nebo třeba Číny. Vyberu si pak podle toho, jestli mi má daná země co nabídnout do výzkumu. Nepotřebuju a ani nemám touhu nějak cestovat po památkách – třeba Eiffelova věž nebo Notre-Dame a prakticky téměř jakákoli historická budova mě vůbec nelákají. Když chci, podívám se na Google mapy, a to mi stačí.

Skutečně není nic, co byste chtěl vidět? Kam třeba jedete na dovolenou?

Do Jordánska, ale to spíš kvůli partnerce, která tam má kamarády ze stáže. Takže tam jedeme primárně za lidmi, ne až tak kvůli památkám. O čem ale sním, je Japonsko. Na Japoncích se mi líbí, že jsou velmi čestní a pracovití. U nich podaná ruka platí, jsou spolehliví. To mi je velmi sympatické a blízké, protože k takovým hodnotám jsem byl vždycky veden. Všude choď včas, vždycky se chovej slušně, vždycky pozdrav starší – to jsou jen základní věci, které mi kladli na srdce rodiče a které dodržuju stále.

Takže Vás láká příroda a touha po poznání. Potřebujete se stále učit něco nového, je to tak?

To je vcelku výstižné. Stále potřebuju vstřebávat nějaké nové informace. Já jsem i přemýšlel nad svými koníčky a já vlastně u ničeho dlouho nevydržel. Nemám totiž rád, když se neposouvám, když nevidím výsledky. Potřebuju je vidět a ideálně hned. Na CEITEC jsem častokrát i do noci, dvanáct hodin denně, abych získal novou informaci. Když nám v projektu něco nevychází nebo nefunguje, tak se většinou zahrabu do knih, ptám se profesorů, docentů a prosím je o pomoc. Naštěstí jsou vždy velmi ochotní a nápomocní.

Zdroj: CEITEC VUT

Témata