Miroslav Kolíbal získal medaili za nadstavbu elektronového mikroskopu

Jakou souvislost lze najít mezi nanodráty, elektronovým mikroskopem a českým králem Jiřím z Kunštátu a Poděbrad? Společným jmenovatelem všech těchto tří věcí je mladý vědec a inovátor Miroslav Kolíbal, který působí na Ústavu fyzikálního inženýrství FSI VUT v Brně a také jako vědecký pracovník CEITECu VUT. Ve své vědecké práci se soustředí na výzkum základních fyzikálních procesů, které vedou ke vzniku jednorozměrných polovodičových struktur, tzv. nanodrátů. Současně s tím pro usnadnění a pokrok ve svém bádání se spolu s kolegy z firmy FEI spolupodílel na vývoji nadstavby pro elektronový mikroskop, která umožňuje sledovat proces řízeného růstu nanodrátů v reálném čase. Za svoji práci a osobní přínos v oboru byl Miroslav Kolíbal nedávno oceněn Medailí Jiřího z Kunštátu a Poděbrad, krále českého.

Můžete, prosím, přiblížit podrobněji obsah vašeho výzkumu?

Teď právě sedíme na „štábu“ Ústavu fyzikálního inženýrství na strojní fakultě VUT, kde mezi oblasti výzkumu patří již od počátku fyzika povrchů. Se zmenšujícími se rozměry elektronických součástek se zvětšuje význam jejich povrchu. A u pevných látek je to tak, že povrch se chová odlišně než samotný objemový materiál. Když si vezmete velkou kostku křemíku, bude mít jiné fyzikální vlastnosti, než když bude hodně maličká, v řádech nanometrů, což jsou ty okřídlené „setiny vlasu“. Jenže to jsou dnes rozměry, které mají tranzistory v počítačích či mobilech. Tudíž se naráží na nové problémy při jejich výrobě a je potřeba najít způsob, jak tyto základní součástky připravovat, aby z nich sestavená zařízení byla funkční a přinášela nové možnosti např. v elektronice. Ve své práci proto zkouším zjistit, jak se dají nanomateriály vyrobit a jaké mají vlastnosti. Zjednodušeně řečeno: jak nechat narůst drát o průměru 10 nanometrů z germánia, křemíku či jiného materiálu relevantního pro polovodičový průmysl, a jaké bude mít tento nanodrát fyzikální vlastnosti a jak se budou lišit od vlastností křemíkové desky, na niž jsou čipy vyráběny.

To je ale pouze jedna část vaší práce…

To, co vyvíjíme, jsme také schopni vidět – dokážeme ve speciálně upraveném elektronovém mikroskopu pozorovat, jak nanodrát roste v reálném čase. Což je jakási přidaná hodnota mojí práce a spolupráce s FEI, protože takové pozorování v rastrovacím elektronovém mikroskopu opravdu není zatím běžná věc. Je to poměrně složité a nám se takové pozorování povedlo možná jako prvním na světě. Nikdo něco podobného před námi nedělal a naše práce má značný ohlas. Je vždycky lepší, když dané jevy můžete vidět v mikroskopu přímo, než když jste odkázaní na nepřímé techniky. Těch je v analýze nanostruktur většina: něco změříte, zpracujete graf a z toho usuzujete, co se při růstu stalo a jak samotná struktura vypadá. Kdežto díky mikroskopu to přímo vidíte.

V čem spočívá převratná úprava elektronového mikroskopu?

Při běžném pozorování elektronovým mikroskopem v něm musí být vakuum. Do mikroskopu vložíte vzorek, zavřete a vakuovou pumpou vyčerpáte vzduch. Vakuum je nutná podmínka, aby bylo něco vidět, protože se „díváte“ pomocí elektronů, a ne fotonů jako v běžném optickém mikroskopu. Jenže když „roste“ nanodrát, děje se to často za extrémních podmínek, jako je teplota okolo 400 stupňů Celsia nebo vysoký tlak plynů, které jsou hořlavé, výbušné a podobně. Bylo tedy nutné změnit tu část mikroskopu, která se stará o detekci elektronů, abychom mohli pozorovat i za zvýšeného tlaku a teploty, což normálně možné není. Jedna část spolupráce s FEI se tak týká úpravy komory elektronového mikroskopu. Máme mikroskop vyčerpaný do vakua, a v něm je umístěna ještě další malá komora, kam napustíme pracovní plyn a kde provádíme experimenty, ale zároveň máme zajištěno, že okolo té komory je vakuum. Tento postup bude zřejmě možné časem i komercionalizovat, takže naše spolupráce s FEI bude mít brzy i přímý dopad na praxi. Obdobně jako růst nanodrátů lze sledovat například růst grafenu a další jevy, které mají velký aplikační potenciál.

To zní trochu tak, jako by samotná metoda pro praxi až tak přínosná nebyla?

Co je praxe? Experimentální část mého výzkumu na běžný život bezprostřední přímý účinek opravdu nemá. Fakt, že dokážu vyrobit nanodrát s určitými vlastnostmi ještě neznamená, že za rok ho najdete ve svém novém mobilu. Je to jako s celým základním výzkumem, viditelné výsledky bývají pomalé a postupné, ale podaří-li se nám, aby vyrostlo něco, co bude extrémně zajímavé, využití v elektronickém zařízení může být velmi rychlé, samozřejmě v případě, že náš výzkum zaujme některou z velkých technologických firem.

Při udílení ceny zhodnotila porota také váš „zdravý skepticismus“. Co si pod tím představit?

Jsem skeptický, až je mi to někdy líto. Ale mám zato, že je pro vědu zdravé při plánování experimentů nejprve všude vidět možné problémy. Protože ony nakonec vždycky vyvstanou. A pokud je nepředpokládáte, ženete se do něčeho, co může skončit nezdarem a jen ztratíte spoustu času kvůli tomu, že jste se včas nedokázali na vše podívat kriticky a zvážit všechny dosažitelné informace. Ale často mne mrzí, když někdo přijde s nápadem a já jsem přehnaně skeptický. Pak se utěšuji, že o tom věda je: v týmu si lidé musí věci pořádně probrat, zda má vůbec cenu se do toho pouštět.

A při tom všem skepticismu, máte i nějaký sen, kam byste chtěl se svojí prací dojít?

V tom jsem asi trochu krátkozraký. Kam já bych chtěl dojít? Minimálně bych si přál být ve svém oboru opravdu dobrý, tak dobrý, aby se o nás, skupině Tomáše Šikoly v CEITECu a na FSI VUT vědělo, že jsme dobří v tom, co děláme a že umíme dělat věci i jinak než ostatní, s originálním přístupem.

Jak jinak?

Například na tom, jak použít nanodráty neobvyklým způsobem, pracujeme nyní s Biofyzikálním ústavem AV ČR: snažíme se vyvinout senzor pro detekci DNA nebo různých biomolekul, který kombinuje dvě detekční techniky dohromady.

K čemu by takový biosenzor mohl sloužit?

Když přijdete k lékaři s chřipkou, stačí mu kapka krve, aby potvrdil, že se jedná opravdu o chřipku. Analýza je to poměrně jednoduchá. My bychom chtěli podobně jednoduchou analýzu vyvinout i pro onemocnění, které je obtížné diagnostikovat, jako je rakovina. Každá nemoc se v organismu projevuje typickými příznaky, člověk má vždycky v sobě něco, co není obvyklé, tyto varovné signály lékařská věda zná a detekovat je umí. Ale detekovat je v okamžiku, kdy je jich malé množství, tedy včas a v počátku choroby, to neumíme. Je to extrémně náročný úkol, protože v kapce krve je všechno možné, nejen ta jedna molekula, kterou potřebujete dostat na senzor. Je spousta analytických fyzikálních metod, které jsou užitečné, ale biologové je neznají. Oni se zaměřují na jednoduché věci, což je logické. Potřebují vzít kapku krve, kápnout ji na nějakou funkcionalizovanou podložku, např. posvítit na ni světlem a pokud detekují nějakou přesně danou odezvu, vědí, že je problém. Naopak fyzici umí úžasné věci, ale dělají všechno složité a často pro své experimenty potřebují finančně náročná zařízení. A my se nyní snažíme spojit vše dohromady. Například svítit světlem a zároveň měřit např. elektrické vlastnosti senzoru, spojit obě techniky dohromady a přiblížit se citlivosti na jednu molekulu použitím jednoduchého detekčního schématu. Právě CEITEC je ideálním místem pro podobný výzkum, protože v něm se biologové mohou spojit s námi, materiálovými vědci, a výzkum může jít ne odděleně, jak je to běžné, ale ruku v ruce.

(jih)

Témata