Poľsko si uvedomuje význam vedy a moderných technológií pre budovanie silného priemyslu, skvelou ukážkou je centrum Solaris v Krakove.
Synchrotrónové centrum Solaris v poľskom Krakove je jediné svojho druhu v strednej Európe. Zdroj pozadia: iStock.com/indigo making studio. Foto: Z. Šulák Hergovitsová
Len hodinu od našich severných hraníc leží poľský Krakov, známy bohatou históriou, kultúrou a krásnymi pamiatkami. V posledných rokoch sa toto starobylé mesto stáva aj centrom vedy a výskumu, ktorý zastrešuje jedna z najstarších európskych univerzít, Jagelovská univerzita, založená v roku 1364. Sídlia tam aj inovatívne technologické startupy či biotechnologické spoločnosti.
V septembri sme mali možnosť navštíviť najlepšie krakovské adresy v oblasti vedy, výskumu a nových technológií aj my z redakcie portálu VEDA NA DOSAH. Návšteva Krakova, ktorý má našliapnuté stať sa lídrom vo vede a výskume v stredoeurópskom regióne, nám ukázala, že Poliaci si jasne uvedomujú význam vedy a výskumu pre silnú ekonomiku.
Synchrotrónové radiačné centrum Solaris
Prvou zastávkou na našej ceste bolo špičkové Synchrotrónové radiačné centrum Solaris (Solaris Synchrotron Radiation Center), ktoré sa nachádza na území 3. kampusu Jagelovskej univerzity.
Zvonka nenápadne pôsobiaca budova ukrýva vnútri moderný synchrotrónový urýchľovač častíc, jediný svojho druhu v strednej Európe, ktorý vedcom umožňuje vďaka svetlu emitovanému elektrónmi študovať štruktúru materiálov, skúmať vírusy či baktérie alebo simulovať určité reakcie prebiehajúce medzi molekulami alebo atómami.
Budova Synchrotrónového radiačného centra Solaris v Krakove. Foto: Z. Šulák Hergovitsová
Synchrotrón má pre stredoeurópsky región veľký význam, hoci patrí medzi najmenšie zariadenia tohto druhu na svete. Vďaka nemu už vedci z Poľska nemusia cestovať za výskumom do Japonska, Nemecka či Francúzska. Centrum Solaris prispieva aj k transferu technológií, ktoré nachádzajú uplatnenie v priemysle.
Interdisciplinárne laboratórium pre medzinárodný výskum
Vedec Marcin Sikora, vedúci oddelenia pre výskum, ktorý nás previedol centrom Solaris, nám priblížil chod výskumného centra aj fungovanie synchrotrónového urýchľovača. Niektoré z experimentov sme si mohli pozrieť aj zblízka.
Podľa Marcina Sikoru je Solaris malou výskumnou fabrikou, ktorá nedisponuje robotmi alebo výrobnými linkami, ale špičkovým urýchľovačom častíc tretej generácie a dvomi kryomikroskopmi najnovšej generácie.
Synchrotrónové radiačné centrum Solaris v Krakove disponuje špičkovým vybavením. Foto: Z. Šulák Hergovitsová
Hoci názov centra odkazuje na kultový vedecko-fantastický román Stanisława Lema Solaris z roku 1961, centrum nie je žiadne sci-fi, ale miesto, kde vďaka najmodernejšiemu vybaveniu prebieha výskum pod taktovkou vedcov z celého sveta. Synchrotrónové žiarenie tam nachádza uplatnenie v širokom spektre vedeckých disciplín, ako sú fyzika, chémia, materiálová veda, farmakológia, medicína, biológia, ale aj geológia či archeológia.
Jedinečné interdisciplinárne laboratórium je otvorené pre poľské aj medzinárodné výskumné tímy. Dvakrát do roka vyhlasuje Solaris otvorenú výzvu na predkladanie návrhov. Jarná výzva na predkladanie návrhov bude otvorená 1. marca 2025 a svoj projekt môžu prihlásiť aj vedci zo Slovenska.
Žiadosti sa musia podávať online prostredníctvom webovej stránky Solaris User Network. O akceptovaní projektu rozhoduje medzinárodná komisia zložená z odborníkov na konkrétne výskumné techniky.
Najväčšia poľská investícia od roku 1972
Centrum Solaris, ktoré funguje od roku 2015 a pre vedeckú obec je otvorené od roku 2018, je výsledkom spolupráce medzi Jagelovskou univerzitou a laboratóriom MAX IV, výskumným zariadením vo švédskom Lunde.
Ako sme sa dozvedeli, na svete je asi 50 synchrotrónových urýchľovačov, z toho pätnásť v Európe. Najväčší a najsilnejší synchrotrónový urýchľovač častíc sa nachádza vo francúzskom Grenobli. Ten poľský je identickou kópiou švédskeho modelu v Lunde.
V prípade centra Solaris ide o najväčšiu vedeckú investíciu v krajine od čias vybudovania jadrového reaktora Maria v Poľsku v roku 1972. Náklady na jeho vybudovanie boli hradené z fondov Európskej únie a vyšplhali sa na 50 miliónov eur.
Na prevádzku a rozširovanie centra pritom idú ďalšie milióny. Poľsko si však uvedomuje, že veda a moderné technológie sú základňou na budovanie silného priemyslu.
Ako funguje synchrotrón?
Priestrannej hale v centre Solaris dominuje masívny betónový tunel, čo je vlastne samotný synchrotrónový urýchľovač, kde sa generuje elektromagnetické žiarenie – od infračerveného až po röntgenové -, ktoré umožňuje skúmať hmotu.
Na vytvorenie synchrotrónového žiarenia sú potrebné voľné elektróny. Tie vytvára elektrónové delo a elektróny sa urýchľujú v lineárnom urýchľovači, odkiaľ sa vstrekujú do synchrotrónu. Použitím sily dvanástich elektromagnetov sa ich dráha zakriví a pohybujú sa v kruhu, pričom vyžarujú synchrotrónové žiarenie.
Následne sú lúče svetla emitované elektrónmi odvádzané cez takzvané beamlines (voľne preložené dráhy lúča). Ide o miesta na urýchľovači, kadiaľ je svetlo odvádzané zo synchrotrónu cez malú trubicu s vákuom a na jej konci sa nachádza vedecký prístroj, ktorý je súčasťou konkrétnej výskumnej stanice (v angličtine end station). Tam pracujú vedecké tímy na svojich projektoch.
V centre Solaris má každá beamline svoj názov a slúži inému výskumnému účelu. Ako zaujímavosť možno uviesť, že názvy jednotlivých beamlines odkazujú na svetovú fantasy literatúru a zároveň na použité experimentálne metódy.
Betónový tunel v priestrannej hale je vlastne synchrotrón. Foto: Z. Šulák Hergovitsová
Pohľad do vnútra hmoty
Podľa Marcina Sikoru, ktorý nás po Solarise sprevádzal, jednotlivé zariadenia plnia akúsi funkciu mikroskopu. Nejde však o mikroskop pracujúci s klasickým svetlom, ale s röntgenovým žiarením. „Röntgenové žiarenie sa nevytvára v malej trubici, ako pri rtg žiarení, ale v urýchľovači. Máme kruhový urýchľovač, ktorý má obvod asi sto metrov,“ vysvetlil Sikora a dodal, že „častice sa v ňom pohybujú takmer rýchlosťou svetla“.
Svetlo emitované synchrotrónom je miliónkrát jasnejšie ako svetlo, ktoré prichádza na Zem zo Slnka. Je tenké asi ako ľudský vlas, ale vďaka svojej intenzite umožňuje vedcom detailne skúmať vnútro aj vonkajšok vzorky, podľa toho, na čo sa potrebujú zamerať.
„Môžeme nahliadnuť do vnútra ľudského tela alebo môžeme vo vzorke materiálu batérie zistiť, kde sa nachádza atóm mangánu či lítia, môžeme skúmať štruktúru atómu v biologických vzorkách a tak ďalej. Používame rôzne experimentálne metódy, ktoré využívajú toto svetlo, a meriame, ako sa svetlo láme. Aký je tieň tohto svetla, ako je svetlo absorbované, čo sa odráža od našich vzoriek. Získavame tak informácie o vnútrajšku aj vonkajšku hmoty,“ vysvetlil Sikora.
V súčasnosti SOLARIS poskytuje svetlo pre osem výskumných staníc. Ďalšie tri sa budujú, pričom budú určené na výskum v oblasti biotechnológií. Solaris si môžete pozrieť zblízka prostredníctvom virtuálnej prehliadky.
Využitie v medicíne aj archeológii
Synchrotrónové žiarenie umožňuje prevratné diagnostické metódy v medicíne, ale napríklad aj v archeológii. Využitie našlo napríklad pri rozbore staroegyptskej kozmetiky či zloženia materiálov, ktoré použili starovekí Rimania na stavbu Hadriánovho akvaduktu v Tunisku. Získané poznatky potom umožnili použitie lepších metód pri jeho obnove.
Počas prehliadky výskumného centra sme si mohli pozrieť výskum vzorky aj v praxi. Vedec skúmajúci kus jantáru, v ktorom bol zakonzervovaný miniatúrny prehistorický komár, nám vysvetlil, že optickým mikroskopom by sme ho nevideli, pretože jantár nie je priehľadný. Na štúdium vzorky vedci v tomto prípade použili počítačovú tomografiu. Na obrazovke sme komára videli zväčšeného a v 3D, pričom sme ho mohli pozorovať z rôznych uhlov a do najmenších detailov.
Farmaceutický priemysel, forenzné laboratóriá aj potravinárstvo
Synchrotrónový výskum využíva aj farmaceutický priemysel alebo forenzné laboratóriá. Vďaka synchrotrónovému žiareniu totiž vedci dokážu detegovať stopové množstvá prvkov, napríklad jedov. Týmto spôsobom sa napríklad podarilo objasniť príčinu smrti hudobného skladateľa Ludwiga van Beethoven. Vedci použili synchrotrónové žiarenie na preskúmanie šiestich Beethovenových vlasov a zistili, že zomrel na otravu olovom.
Grzegorz z tímu Astra nám priblížil, na čom aj s kolegami pracuje. Foto: Z. Šulák Hergovitsová
Počas prehliadky sme sa zoznámili s tímom mladých vedcov z výskumného tímu Astra. Ako nám Dora a Grzegorz vysvetlili, výhodou ich metódy je, že dokážu skúmať biologické vzorky v prirodzenej forme. Pri práci využívajú metódu absorpčnej spektroskopie a Ramanovej spektroskopie. Okrem iného skúmali mäso a rukolu z hamburgera z rýchleho občerstvenia s cieľom zistiť, ktorý druh železa dokáže naše telo lepšie využiť.
Kryoelektrónový mikroskop
Okrem synchrotrónového urýchľovača sa v Solarise nachádzajú aj ďalšie špeciálne zariadenia, konkrétne dva moderné kryoelektrónové mikroskopy najnovšej generácie: Titan Krios G3i a Glacios, ktoré sú súčasťou pracoviska pre kryoelektrónovú mikroskopiu. Pri experimentoch sa používajú techniky analýzy jednotlivých častíc (SPA), kryoelektrónovej tomografie (cET) a mikrokryštálovej elektrónovej difrakcie (MicroED) na analýzu vzoriek s atómovým rozlíšením.
Kryoelektrónový mikroskop funguje podobne ako bežný mikroskop, pri pozorovaní však nevyužíva na zobrazovanie viditeľné svetlo, ale prúd elektrónov. Okrem elektrónov navyše využíva aj fyzikálne nízke teploty, ktoré dokážu vzorku rýchlo zmraziť v pohybe, no zachovajú jej tvar.
Vedec pri práci s kryomikroskopom. Foto: Z. Šulák Hergovitsová
Vedcom umožňuje zobrazovať bunky a ich zložky, mikroorganizmy (napríklad baktérie a huby) a biomolekuly (napríklad vírusy, ribozómy, proteíny, DNA, protilátky). Využíva sa napríklad vo výskume štruktúry materiálov, polovodičov využívaných v IT priemysle, vo výskume kvantových technológií či v biomedicínskom alebo biotechnologickom výskume.
Od bežného mikroskopu sa kryomikroskop líši aj vzhľadom a veľkosťou. Pripomína veľkú skriňu s vákuovou komorou. V Solarise má vyhradenú špeciálnu miestnosť. Do jednej z vákuových komôr vedec vloží vzorku, osvetlí ju a všetko zachytí výkonná kamera.
Kryomikroskop na prvý pohľad pripomína skôr skriňu než mikroskop. Foto: Z. Šulák Hergovitsová
Škola užívateľov XFEL a synchrotrónového žiarenia 2024 na Slovensku
Na Slovensku síce nemáme synchrotrónový urýchľovač častíc, máme však mnoho šikovných vedcov, ktorí by mohli jeho schopnosti využiť vo svojom výskume. Aj preto sa v dňoch 14. až 18. októbra 2024 uskutoční Škola užívateľov XFEL a synchrotrónového žiarenia, ktorej cieľom je výchova slovenskej komunity používajúcej zdroje fotónov a neutrónov pre výskumné projekty slovenských vedcov.
Na podujatí sa zúčastnia špičkoví odborníci nielen z European XFEL, ale tiež z iných vedeckých centier, medzi nimi aj vedec Marcin Sikora z poľského centra Solaris.
Program školy bude zameraný na oboznámenie sa s vybranými experimentálnymi technikami, ktoré využívajú významné FEL zdroje, zdroje synchrotrónového a neutrónového žiarenia. Zvýšená pozornosť bude venovaná neutrónovému rozptylu, zobrazovacím technikám, biologickým a materiálovým aplikáciám. Viac sa o škole SFEL2024 dočítate v článku na našom portáli VEDA NA DOSAH.
Zdroj: SOLARIS National Synchrotron Radiation Centre
(zh)
