Témou aprílovej vedeckej cukrárne bude nanosvet a prostriedky, ktoré nám ho umožňujú skúmať a lepšie spoznávať. Prednášať bude Ing. Ján Šoltýs, PhD., ktorý sa na pôde Elektrotechnického ústavu SAV venuje výskumu mikro a nanoštruktúr pomocou mikroskopu atomárnych a magnetických síl. Podieľa sa taktiež na vývoji nových skenovacích techník a príprave nanoštruktúr pomocou elektrónovej litografie.
B. H.: Prečo ste sa rozhodli venovať práve nanotechnológiám?
J. ŠOLTÝS: Po skončení vysokoškolského štúdia v odbore mikroelektronika som dostal ponuku na doktorandské štúdium v Elektrotechnickom ústave SAV. Práca mala byť zameraná na tzv. AFM nanolitografiu, čo vlastne znamená vytváranie nanoštruktúr pomocou mikroskopu atomárnych síl (AFM). Tento špeciálny mikroskop bol na tú dobu dosť vzácny prístroj. V rámci Slovenska bol Elektrotechnický ústav prvým inštitútom, ktorý disponoval týmto zariadením. Bolo to v roku 2001, čiže len 15 rokov od vynájdenia AFM. Takže to bola relatívne novinka medzi vedeckými prístrojmi a pre mňa to bola lákavá ponuka pracovať s niečím novým, s čím ešte nikto v našich končinách nemal praktické skúsenosti. Vtedy tento prístroj ešte nepatril medzi štandardné vybavenie ani v zahraničných vedeckých laboratóriách, takže dlho som sa nemusel rozhodovať.
B. H.: Čím je tento vedný a výskumný odbor zaujímavý a ako môže reálne ovplyvniť náš život?
J. ŠOLTÝS: Vedci už dávnejšie zistili, že materiály s malými rozmermi môžu mať výrazne odlišné alebo úplne nové vlastnosti než majú obyčajne na makroskopickej mierke. Hovoríme o časticiach, štruktúrach alebo tenkých vrstvách s rozmermi menej než 100 nm. Pre lepšiu predstavu, 100 nm je zhruba tisícina priemeru ľudského vlasu. Nanotechnológiami nazývame technologické postupy, pomocou ktorých vieme takéto malé „vecičky“ pripraviť, prípadne s nimi manipulovať alebo ďalej modifikovať ich vlastnosti. Pre nás vedcov je tento odbor zaujímavý tým, aké neskutočne široké možnosti výskumu ponúka. Či už je to oblasť elektroniky, materiálového výskumu, biomedicíny a farmaceutického priemyslu, všade sa vďaka nanotechnológiám otvárajú nové možnosti inovácií. Pokiaľ ide o oblasť elektroniky tak okrem toho, že máme každým rokom k dispozícií výkonnejšie čipy s nižšou spotrebou, pamäte s väčšou hustotou záznamu a kvalitnejšie displeje, tak môžeme očakávať nástup flexibilnej (ohybnej) elektronikya tiež rôznych senzorov s vysokou citlivosťou, ako aj výrazné zlepšenie výkonu batérií. V materiálovom výskume sa nanotechnológie využívajú na vývoj materiálov s vysokou tvrdosťou, hydrofóbnosťou, tepelnou a chemickou odolnosťou, atď. Nedá mi spomenúť aj oblasť biológie a medicíny, kde majú nanotechnológie veľký potenciál. Už teraz mnohé vedecké skupiny pracujú na vývoji novej generácie nanozariadení, ktorými možno študovať biologické procesy na molekulárnej úrovni a charakterizovať chemické, mechanické a iné molekulárne vlastnosti. Tieto pokroky povedú k vývoju nástrojov pre biomedicínske aplikácie v terapeutickej, diagnostickej a preventívnej medicíne.
B. H.: Vyzerá to tak, že nanotechnológie nám naozaj môžu priniesť množstvo užitočných aplikácií. Keďže je to však pomerne nové, nie celkom preskúmané odvetvie, máme sa aj niečoho obávať?
J. ŠOLTÝS: Ako som už spomenul, využitie nanočastíc prinesie množstvo inovácií zrejme v každom vednom odbore či priemyselnom odvetví. Nanočastice sa skúmajú nielen za tým účelom, aby sme vedeli určiť pre ktorú aplikáciu by sa najviac hodili, ale je taktiež nutné skúmať aj možné riziká, ktoré ich nasadenie môže spôsobiť. Keďže nanočastice sa využívajú v medicíne, v potravinovom priemysle či v kozmetike, je nutné podrobne skúmať ich vplyv na naše zdravie. Kvôli ich malým rozmerom, môže nastať problém s ich vylučovaním z tela, prípadne k ich spájaniu do väčších celkov alebo ku spájaniu s molekulami a proteínmi. Vplyvu nanočastíc na náš organizmus sa už venujú viaceré štúdie. Aby sa napríklad nestalo to, že si pomocou nanočastíc dokážeme dopraviť liečivú látku cielene na postihnuté miesto, napr. priamo do nádoru a následne zistíme, že hoci si nanočastice odviedli svoju robotu, tak naďalej ostávajú v tele, reagujú so zdravými bunkami a vyvolajú nežiadúce problémy. Európska komisia sa aj preto rozhodla vziať integrovaný, bezpečný a zodpovedný prístup k rozvoju nanotechnólogií.
B. H.: Akým spôsobom sa nanočastice skúmajú?
J. ŠOLTÝS: Dnes už máme viacero metód a prístrojov na štúdium nanočastíc. Medzi zobrazovacie metódy, teda tie, ktoré nám priamo umožnia vidieť jednotlivé nanočastice, patrí napríklad skenovací elektrónový mikroskop (SEM). S jeho pomocou si môžeme spraviť snímok povrchu vzorky, na ktorej máme nanesené nanočastice a softvér vyhodnotí štatistiku na danej ploche, t. j. ich distribúciu podľa veľkosti. SEM nás limituje svojou rozlišovacou schopnosťou, tie lepšie mikroskopy majú približne 1 nm, čo nie vždy postačuje ak chceme podrobnejšie analyzovať aj tvar nanočastíc. Vtedy je výhodnejšie použiť transmisný elektrónový mikroskop (TEM), ktorý ma o jeden rád lepšie rozlíšenie ako SEM a umožňuje nahliadnuť aj do vnútra častice, t. j. povie nám viac o jej zložení. Nanočastice môžeme zobraziť aj pomocou mikroskopu atomárnych síl (AFM), ktorý ponúka oproti SEM a TEM viacero možností. Môžeme s ním okrem tvaru častice analyzovať jej mechanické, magnetické alebo elektrické vlastnosti. Dokonca ho môžeme použiť aj na manipuláciu s nanočasticami.
Okrem spomínaných techník sa často využíva napríklad DLS technika využívajúca dynamický rozptyl svetla, ktorou sa merajú nanočastice rozpustené v nejakom roztoku. A tiež existuje viacero metód na vyšetrovanie vlastností magnetických nanočastíc, avšak tieto spravidla slúžia na meranie veľkého počtu nanočastíc vcelku.
B. H.: Na akých projektoch v súčasnosti pracujete?
J. ŠOLTÝS: V súčasnosti vediem projekt, v rámci ktorého sa snažíme rozšíriť možnosti využitia AFM mikroskopov. Tieto mikroskopy využívajú rôzne špecifické meracie hroty, ktoré si užívateľ zakúpi od výrobcu podľa toho aký typ merania chce realizovať. A my sme vyvinuli nanotechnologické postupy ako možno tieto štandardné hroty modifikovať tak, aby sme im rozšírili možnosti použitia. Z komerčných hrotov vlastne vyvíjame prototypy, s ktorými možno realizovať nové typy meraní na nano úrovni. Vtip je v tom, že tieto hroty, resp. sondy sú tenšie než ľudský vlas, takže ich ani nie je vidieť voľným okom. Človek musí byť pri manipulácií s nimi veľmi opatrný a hlavne trpezlivý, lebo málokedy sa niečo podarí na prvý krát. Práve dokončujeme špeciálny dvoj-hrot, ktorý môže slúžiť napríklad na zobrazovanie biologických buniek s vysokým rozlíšením a zároveň umožní merať ich mechanické vlastnosti.
Okrem toho spolupracujem ešte na projekte, kde sme vyvinuli submikrometrové magnetické štruktúry, ktoré by mohli slúžiť ako pamäťový element pre pamäť s vysokou hustotou záznamu. V rámci tohto projektu vyvíjame tiež techniky, s ktorými môžeme študovať magnetické vlastnosti takýchto nanoelementov. Dokážeme veľmi presne analyzovať ich vlastnosti v závislosti od zmeny vonkajšieho magnetického poľa.
B. H.: Ďakujeme za rozhovor.
Rozhovor pripravila: Barbora Hrvolová, NCP VaT pri CVTI SR
Foto: archív Ing. Ján Šoltýs, PhD.
Ilustračné foto: Pixabay.com
Uverejnila: ZVČ