Cenu Vedec roka 2019 v kategórii mladý vedecký pracovník získal RNDr. Cyril Rajnák, PhD., PhD. za výskum jednoiónových, jednomolekulových a jednoretiazkových magnetov, ktoré predstavujú odrazový mostík pre budúce hi-tech úložné zariadenia.
Cenu Vedec roka SR 2019 spoločne vyhlasujú Centrum vedecko-technických informácií SR, Slovenská akadémia vied a Zväz slovenských vedeckotechnických spoločností.
Revolúcia v pamäťových médiách
RNDr. Cyril Rajnák, PhD., PhD. sa venuje syntéze a štúdiu molekulových magnetov, v ktorých by mohla byť nositeľom informácie len jediná molekula, prípadne viac spojených molekúl. Táto technológia predstavuje revolúciu v pamäťových médiách gigantickej kapacity (rádovo zetabitov, čiže stoviek exabajtov – EB). Teoreticky umožní skladovať omnoho viac informácií ako dnešné superpočítače aj v bežných počítačoch, pamäťových diskoch či mobilných telefónoch.
Vzhľadom na to, že ide o zložitý druh výskumu, ktorý si vyžaduje rôznych špecializovaných vedcov, doktor Rajnák nám predstavil jeho detaily s časťou vedeckého tímu, v ktorom pôsobí – s prof. Ing. Romanom Bočom, DrSc. a doc. RNDr. Jánom Titišom, PhD. – obaja sú nielen výskumníkmi, ale zároveň aj pedagógmi Univerzity sv. Cyrila a Metoda (UCM) v Trnave.
Kým doktor Rajnák, najmladší z nich, sa v tíme zameriava na prípravu a charakterizáciu jednomolekulových magnetov, profesor Boča, súčasne aj rektor UCM, a docent Titiš využívajú moderné výpočtové metódy na to, aby v nich identifikovali vzťahy medzi molekulovou štruktúrou, elektrónovou štruktúrou a magnetickými vlastnosťami. Do tímu patria aj doc. Ing. Dušan Valigura, PhD. a doc. Ing. Ján Moncoľ, PhD. (z Fakulty chemickej a potravinárskej technológie Slovenskej technickej univerzity v Bratislave).
Všetci členovia vedeckého tímu (zľava dopredu): RNDr. Cyril Rajnák, PhD., PhD., doc. Ing. Ján Moncoľ, PhD., prof. Ing. Roman Boča, DrSc., doc. Ing. Dušan Valigura, PhD. (vzadu vpravo) a doc. RNDr. Ján Titiš, PhD. (vzadu vľavo). Zdroj: Archív CR
Cesta nie je márna
Profesor Roman Boča, rektor UCM, je presvedčený, že cesta ich tímu rozhodne nie je márna. „Princípy súčasného ukladania dát narazili na svoje limity. Na Zemi dnes žije už 7,75 miliardy obyvateľov a v online priestore je obrovský komunikačný smog, čo sme mohli pocítiť počas krízy spojenej s pandémiou nového koronavírusu, keď bol prenos dát veľmi pomalý. Bolo by výhodné, ak by sme mohli informácie načerpať podobne ako benzín do auta alebo do motorky,“ približuje a ďalej hovorí, že by sme radi „strčili“ do mobilu takú pamäťovú kapacitu, akú majú dnešné superpočítače. Tie však zaberajú haly. Predstava magnetickej domény v podobe jednej, dvoch, ale hoci aj tisíc molekúl je v súčasnom výskume svetielkom na konci tunela. Vo svete doň mecenáši, najmä majitelia telekomunikácií, investujú miliardy dolárov, a venuje sa mu niekoľko desiatok, ak nie stovák výskumných tímov. Nebojím sa toho, že sekunda alebo milisekunda je krátky čas na uchovanie informácie, lebo my s ňou vieme za ten čas mnoho urobiť a vieme ju mnohokrát rekonštruovať. Limity často existujú len v našich predstavách. Život v tom, čo je reálne a čo nie, už veľakrát prekvapil.“
Úložné zariadenie v podobe molekuly?
Keďže aj dnes sú informácie magneticky zapísané na pevnom disku počítača, nápad uložiť informácie do jednoatómových magnetov má svoju logiku. Julian Huguet, popularizátor vedy, oblasť tohto výskumu vysvetľuje na Youtube takto: „Magnety majú severný a južný pól. Podľa toho, ako sú orientované, môžu predstavovať 1 alebo 0, symboly binárnej číselnej sústavy (v ktorej zapisujú informácie aj počítače – pozn. red.). Atómy v podstate samy o sebe pôsobia ako malé magnety, takže jeden atóm teoreticky môže reprezentovať jeden bit.“
Ale v malej mierke sa môžu atómy správať chaoticky. „Sú veľmi citlivé na svoje okolie, čo môže spôsobiť, že sa ich póly prehodia. Vedci tomu vedia zabrániť tak, že jednoatómové magnety dajú do extrémneho chladu, pod hodnotu 1 K (kelvin), čo predstavuje – 273,15 °C.“ Takto v nich síce zapísanú informáciu udržia len na malú časť sekundy, ale nevzdávajú sa a hľadajú spôsob ako jej parametre vylepšiť natoľko, aby sa molekulárne technológie stali realitou.
Iný magnet ako na chladničke
Tím okolo doktora Rajnáka skúma malé molekuly obsahujúce atómy uhlíka, vodíka, dusíka, síry a kladne nabité častice najčastejšie z radu prechodných prvkov, akými sú kobalt, železo a iné. Kým sa na výskum tímu z UCM pozrieme ešte detailnejšie, treba povedať, že sa pohybuje v oblasti nazývanej koordinačná chémie, ktorá leží na pomedzí organickej a anorganickej chémie, ale aj fyzikálnej chémie. „Znamená to, že pracujeme napríklad s organickými donorovými ligandami (organická časť), ktoré obklopujú centrálny atóm, zväčša kovový (anorganická časť). Ten je akceptorom voľného páru darovaného použitým ligandom. Práve kovové centrum v kombinácii s vhodne zvolenou a viazanou organickou časťou dáva molekule špecifické magnetické vlastnosti. Tie sa môžu meniť prítomnosťou rôznych typov medzimolekulových interakcií v štruktúre. Z pohľadu chémie a fyziky sa za ideálny prípad považuje sledovanie magnetizmu v molekule dostatočne izolovanej od prostredia, čo je však ťažko dosiahnuteľné,“ vysvetľuje Dr. Rajnák.
Cieľom ich záujmu sú jednomolekulové, jednoiónové a jednoretiazkové magnety, ktoré za určitých okolností, akými sú extrémne nízka teplota, ale aj dodatočne aplikované magnetické pole, pomaly magneticky relaxujú. Znamená to, že molekula sa na začiatku magnetizuje a po určitom čase stratí špecifickú vlastnosť. V praxi by sa tento jav mohol využiť na proces kódovania napríklad v tvare 0-1-1-0. Bit môže nadobúdať len dve rôzne hodnoty 0 a 1.
„Tieto jednomolekulové magnety v laboratóriu syntetizujem a izolujem najčastejšie v kryštalickej forme. Nie je to však kryštál, ktorý by ste mohli použiť ako magnetku na chladničku. Jednomolekulové magnety nie sú magnetmi v pravom zmysle slova. Odlišujú sa od klasických magnetických materiálov prítomnosťou kvantových javov. Volajú sa magnetmi preto, lebo vykazujú určité podobné črty s tými klasickými. Napríklad kryštál s rozmerom 1mm3 obsahuje niekoľko miliónov koordinačných molekúl, takže sa dá teoreticky doň uložiť enormné množstvo dát. Toto by však bolo až príliš jednoduché. Výzvou ostáva izolovať každú molekulu, prípadne skupinu molekúl dostatočne ďaleko od seba a študovať ich vlastnosti takpovediac osamote. V konečnom dôsledku nejde ani tak o to, že skúmaná látka je kryštalická, to je len určitá pomôcka pri identifikácii, ale ide o to dostať vhodnú molekulu na vhodný povrch,“ približuje Dr. Rajnák a pripomína, že je to ešte náročnejšie, lebo je niekoľko metód, ako ju tam dostať. „Jednou z metód, ktorú by sme na to mohli použiť, je sublimácia (zmena skupenstva látky). Proces môže prebiehať aj pri ultravysokých vákuách a vysokých teplotách. No ak sa nám aj podarí pripraviť určité vrstvy molekúl, ešte stále môžu mať neočakávané a odlišné vlastnosti od vzorky, ktorá obsahovala doslova hromadu molekúl pokope. To už je ďalšia oblasť výskumu, ktorou sa zaoberajú fyzici.“
Kvantová skladačka
O tom, nakoľko je funkčný jednomolekulový magnet, ktorý Cyril Rajnák v laboratóriu nasyntetizuje, však vypovedajú až kvantové výpočty, ktorým sa venujú jeho kolegovia docent Titiš aj profesor Boča. „Robíme ich pomocou údajov, ktoré o „magnete“ máme, ako je napríklad teplotná závislosť nejakej magnetickej vlastnosti alebo frekvenčná závislosť magnetickej vnímavosti. Na prvý pohľad nám veľa nepovedia. Ale na základe rôznych teórií aj s ďalšími kolegami v Bratislave, ktorí napríklad vedia stanoviť štruktúru našej zlúčeniny, vieme zistiť, či je pre nás zaujímavá,“ vysvetľuje docent Ján Titiš.
Doktor Rajnák však dodáva, že ich výskum čaká ešte veľmi dlhá cesta, lebo ho sprevádza veľa problémov. Napríklad už spomínaný fakt, že tieto zlúčeniny zatiaľ fungujú pri extrémne nízkych teplotách, často na úrovni 2 – 3 kelvinov (-271,15 °C až -270,15 °C), k čomu potrebujú kvapalné hélium, ktoré je drahé. Ďalej je to nutnosť použitia dodatočného externého magnetického poľa pre nepravé jednomolekulové magnety. Ale aj to, že prípadnú informáciu by dokázali držať iba necelú sekundu.
Veľké úspechy
Napriek spomínaným prekážkam mladý vedec v spolupráci s tímom prispel k zbúraniu starých dogiem, napríklad určitého vplyvu magnetickej anizotropie na pomalú magnetickú relaxáciu komplexu medi, ale aj komplexu mangánu. Syntetizoval a charakterizoval rad nových koordinačných zlúčenín, predovšetkým centrálnych atómov Mn(II), Fe(III), Co(II), Ni(II) a Cu(II), z ktorých niektoré prejavujú unikátne fyzikálne vlastnosti a majú charakter objavov.
Napriek úspechom celej skupiny Dr. Rajnák zdôrazňuje časovú náročnosť a postupnosť krokov, s ktorou musia pri výskume rátať. „Prvým je syntéza, druhým charakterizácia látky, tretím skúmanie jej depozície (uloženia) na povrchu, štvrtým skúmanie samotného povrchu alebo jeho funkčnosti a až nakoniec je samotná aplikácia.“
Objavy doktora Rajnáka a vedeckého tímu, v ktorom pôsobí, sú vo svetovej vedeckej obci cenené. Je spoluautorom tridsiatich piatich vedeckých prác. Deväť z nich uverejnili špičkové časopisy registrované v prominentnej databáze Nature Index, pričom šesť z nich americký Inorganic Chemistry a tri z nich Chemical Communications. Podľa vedeckého citačného indexu (The Science Citation Index (SCI)), ktorý má pre vedcov veľký význam, majú články o jeho vedeckej práci už 453 citácií.
