Sdílet
15. srpna 2024
Vědec Zdeněk Jakub z výzkumné skupiny Molekulární nanostruktury na površích, vedené prof. Janem Čechalem na CEITEC VUT, odhaluje v nejnovější publikaci významnou roli substrátu na vlastnosti metalo-organických sítí (MOF). Tyto materiály, ceněné pro svou flexibilitu a široké spektrum aplikací v katalýze a kvantových počítačích, jsou nyní podrobněji studovány díky unikátnímu přístupu s využitím grafenu. Výzkum ukazuje, jak grafen minimalizuje vliv substrátu a otevírá tak nové možnosti pro optimalizaci těchto materiálů.
Chápu správně, že je teď grafen velmi populární materiál, a proto jste ho použili?
ZJ: Nás zajímá primárně metalo-organická síť (MOF) na povrchu. Grafen používáme k omezení vlivu substrátu. 2D MOFy jsou materiály, ve kterých jsou atomy kovů vázány prostřednictvím organických molekul do sítí, kde se tyto komponenty pravidelně střídají. Jsou to skvělé materiály, které lze téměř libovolně upravovat: můžeme si vybrat kov a molekulu, což umožňuje přizpůsobit jejich vlastnosti. Když chceme tyto sítě studovat s atomárním rozlišením, musíme je připravit na nějakém povrchu, aby bylo možné měření provést. Potenciálním problémem však je, že k tomuto se většinou používají kovové povrchy. Ty jsou sice praktické a dobře se s nimi pracuje, ale mění vlastnosti materiálu, který nás zajímá.
O problému, že povrch mění vlastnosti MOF, se vědělo?
JČ: Vědělo se, že povrch ovlivňuje vlastnosti sítě, ale nevědělo se jak moc, protože na grafenu tyto sítě skoro nikdo neuměl připravit.
ZJ: Ano, vědělo se to, ale bylo těžké to kvantifikovat. Ono vždy záleží na konkrétní vlastnosti, která člověka u daného materiálu zajímá. Pro některé vlastnosti vliv substrátu může být minimální. My jsme každopádně provedli jednu z prvních opravdu detailních studií – porovnali jsme ten stejný materiál na tradičním zlatém substrátu a na grafenu. Zjišťovali jsme, co je jiné a jaké vlastnosti substrát ovlivňuje v kontextu různých aplikací. Konkrétně jsme ukázali, že například adsorpční vlastnosti našeho MOFu jsou kovovým substrátem zásadně ovlivněny. To je důležité pro další výzkum např. v katalýze – teď je zřejmé, že pokud hledáme nové 2D materiály pro katalytické aplikace, nemůžeme to dělat na kovových površích a pak očekávat podobné výsledky v reálných systémech. Obecně nám naše práce pomohla lépe pochopit, jak izolovat vlastnosti materiálu od vlivu povrchu.
Takže tou publikací doporučujete, aby vědci a vědkyně při práci s metalo-organickou sítí používali jako substrát grafen?
ZJ: V podstatě ano, myslím, že to je cesta, jak minimalizovat vliv substrátu v různých aplikacích – pokud je to potřeba.
Obecně spočívá naše práce ve vytváření tzv. modelových systémů, abychom získali fundamentální vhled. Díky tomu je pak člověk schopný odhadnout, jaké parametry je potřeba optimalizovat v reálném systému. Parametry jako geometrické uspořádání mřížky, elektronická struktura jednotlivých atomů a možnost mřížku deformovat mění v podstatě všechno. My tyto parametry můžeme kontrolovaně měnit a zkoumat, jak se s nimi mění vlastnosti materiálu. Když chemik připravuje podobný materiál v roztoku, takovou kontrolu nad jednotlivými parametry většinou nemá. My jsme schopni tyto detaily studovat s atomární přesností. A to je hlavní hodnota naší práce, protože pak můžeme lépe zjistit, jaké konkrétní parametry materiálu je třeba optimalizovat pro konkrétní aplikace.
JČ: Je to jako když máte mapu – najít hrad s ní je snazší než bloudit krajinou. My v podstatě poskytujeme takovou mapu, která usnadňuje nalezení optimálního řešení.
Grafen je v současné době velmi populární materiál, proč jste ho začali zkoumat?
JČ: Grafen mě zaujal, protože můžeme řídit jeho elektronické vlastnosti. Jedná se o velmi tenký materiál – jedinou vrstvu atomů uhlíku. Pomocí vnějšího elektrického pole můžeme do něj přidávat nebo z něj odebírat elektrony, což může ovlivnit jiné materiály, které jsou s ním v kontaktu. Zajímají mě externě laditelné materiály – představte si materiál, jehož vlastnosti se změní otočením regulačního kolečka. Např. použijeme zdroj napětí a nastavíme třeba 7 V a materiál začne katalyzovat reakce. Pokud napětí změníme, jeho katalytické vlastnosti se také změní. K tomu však potřebujeme grafenové zařízení, polem řízený tranzistor, které by mělo povrch bez jakýchkoli nečistot a vydrželo ve vakuu. Toho jsme zatím nedosáhli, ale jsme na dobré cestě. Zatím studujeme velmi čistý grafen, který vyrábíme přímo ve vakuu.
Jaký je největší přínos vaší publikace?
ZJ: Otevírá cestu k tomu, jak experimentálně studovat fundamentální vlastnosti metalo-organických 2D materiálů. Existuje spousta úžasných predikcí založených na počítačových simulacích, ale experimentální ověření je složitější. Často to ztroskotá právě na vlivu substrátu – to co bylo předpovězeno pro ideální izolovaný materiál už neplatí pro materiál položený na kovu. My ukazujeme, že ty předpovězené vlastnosti snad bude možné přece jen realizovat, pokud použijeme vhodný substrát. Další věc, kterou zmínil Honza, je, že grafen lze ladit externím polem. I když člověk použije stejný materiál, stejnou metalo-organickou síť, může změnit její vlastnosti tím, že substrát mírně nadopuje – přidá nebo ubere elektrony. A to jsme s grafenem schopni dělat. Zatím to sice nejsme schopni realizovat v zařízení, ale potenciál k vývoji laditelných materiálů je tu obrovský.
To by mohlo vést k čemu?
JČ: Mohli bychom například vytvořit mnohem účinnější katalyzátory. Pokusím se to vysvětlit. Katalyzátory musí vázat reaktanty a následně uvolňovat produkty po reakci, aby katalyzátor zůstal volný pro další reakci. Tradiční katalyzátory musí najít kompromis – nemohou být příliš dobré v jedné věci, aniž by to negativně ovlivnilo druhou. Dynamické materiály, které lze rychle přepínat mezi různými stavy, mohou tento problém řešit. Umožňují optimalizovat katalyzátor pro každou fázi zvlášť – pro vázaní reaktantů, reakci a uvolňování produktů. Tímto cyklickým přepínáním mohou dosáhnout mnohonásobné účinnosti.
Jak vypadá příprava materiálu? S jakým zařízením pracujete?
ZJ: Všechno děláme v ultravysokém vakuu, abychom dosáhli atomární přesnosti. Používáme velmi čisté vyleštěné monokrystaly kovu. Vidíme atomární schody a jednotlivé atomy na povrchu. Když pak na takový povrch nadeponujeme organické molekuly a atomy kovu, vidíme, jak se uspořádají a můžeme to měřit pomocí skenovacího rastrovacího mikroskopu, elektronové difrakce a fotoelektronové spektroskopie.
Experimentální studii pak kombinujeme s teorií, což je velmi důležité. Velkou část práce dělá náš kolega Jakub Planer, výpočetní fyzik. Zkouší různé počítačové modely a porovnává je s experimentálními výsledky. To je další velkou hodnotou naší práce – naše systémy jsou výborně popsatelné experimentálně i teoreticky, což je nezbytné nejen pro detailní porozumění vlastností materiálů, ale i pro vývoj nových výpočetních metod.
Čím dalším se kromě metalorganických sítí vaše výzkumná skupina zabývá?
JČ: Kromě katalýzy se zaměřujeme i na magnetické vlastnosti směrem ke kvantovým aplikacím. Jeden z našich projektů se zaměřuje na povrch topologického izolantu s robustními povrchovými proudy. Pokud tyto proudy narušíme, materiál může získat zajímavější vlastnosti, například vytvoří jednorozměrné spinové vodiče. Tyto vodiče jsou klíčové pro kvantové počítače, protože umožňují bezeztrátový přesun spinové informace mezi kvantovými bity.
V jakých aplikacích byste si přáli, aby se vaše materiály používaly?
JČ: Chtěl bych, aby naše systémy byly klíčovou součástí nové generace kvantových počítačů. Naše materiály by sloužily jako qubity i jako kvantové vodiče. Pak bych si taky přál vyvinout mnohem efektivnější katalyzátory a elektroniku.
ZJ: Myslím, že by bylo skvělé, kdybychom dokázali vytvořit katalyzátory podle přesných specifikací. Například, pokud bychom chtěli, aby určitá reakce selektivně proběhla, mohli bychom nejdříve zjistit, jaké atomy, v jaké geometrické a elektronické konfiguraci jsou k tomu potřeba, a pak výsledný materiál přesně takto sestavit.
JČ: Snažíme se materiálům především porozumět. Když jim porozumíme, můžeme říct: ano, potřebujeme udělat to, to a to, aby materiál měl požadované vlastnosti. Proto se je snažíme pochopit teoreticky i experimentálně. Je důležité vědět, co se děje. Nejen říci, že je to lepší, ale také proč je to lepší.
Fotogalerie
Autor/ka
Odborný kontakt
