Po stopách neviditelného aneb Elektronová mikroskopie v Brně

3. dubna 2024

V rozsáhlém vesmíru vědeckého bádání existuje oblast s tak malým měřítkem, že uniká pozorování pouhým lidským okem. Právě tyto miniaturní částice a struktury můžeme poznávat pomocí elektronové mikroskopie, oboru, který způsobil revoluci v našem chápání světa. Díky své bezkonkurenční schopnosti vizualizovat struktury v nanometrových měřítcích prolomila elektronová mikroskopie nové hranice v různých vědních oborech, od biologie až po materiálové vědy. Celé spektrum aplikace využíváme u nás na CEITEC, kde se náš výzkum bez elektronových mikroskopů zkrátka neobejde. Díky tomu, že je Brno pomyslnou královnou elektronové mikroskopie, máme možnost se na vývoji této technologie přímo podílet a být součástí inovačního ekosystému, jehož plody můžeme pozorovat právě během akcí typu Dny elektronové mikroskopie.

Dny elektronové mikroskopie

V březnu se CEITEC tradičně zapojil ke Dnům elektronové mikroskopie. Oba naše kampusy v týdnu 18.–23. 3. 2024 ožily v duchu popularizační akce, kterou organizuje Hvězdárna a planetárium Bnro a do níž se dnes již zapojuje celá řada partnerů rozsetých po celém Brně. Univerzity, vědecká a popularizační střediska i výrobní firmy každoročně otevírají dveře široké veřejnosti, především pak dětem, a připravují pro ně bohatý program: od přednášek přes exkurze do laboratoří a výrobních prostor až po vědecké hry a experimenty. Letošní ročník nesl téma „Padouchové mikrosvěta“. Tématu se každá instituce zhostila jinak, a tak byl hlavním padouchem roztoč, symbol letošního ročníku Dnů elektronové mikroskopie, ale také viry na CEITEC MUNI nebo třeba elektrony na CEITEC VUT. Jednotlivé přednášky, výstavy a experimenty navštívily u nás na CEITEC letos stovky lidí – od školáků formou exkurzí až po rodiny s dětmi v rámci víkendového programu.

Zrod elektronové mikroskopie

Dny elektronové mikroskopie, jak už sám název napovídá, dávají nahlédnout pod pokličku oboru, který dnes patří k základním kamenům vědeckého výzkumu. Počátky tohoto oboru spadají do první poloviny 20. století. Pro jeho vývoj byla nejzásadnější jedna z nejstarších věd, která hraje velkou roli v podstatě dodnes – optika. V té době však již nešlo jen o prostou optiku, tedy nauku o šíření světla, ale nově o teorii elektromagnetismu, do níž zkoumání světla rovněž spadá.

Určit přesné datum zrodu elektronové mikroskopie nebo tvůrce prvního elektronového mikroskopu může být problematické, ale co víme, je, že už v roce 1931 Max Knoll a Ernst Ruska v Berlíně vygenerovali první snímky z transmisního elektronového mikroskopu. V té době se vývojem elektronových mikroskopů už také zabývali sovětští fyzikové. V následujících dekádách se elektronové mikroskopy rozšířily do celého světa a staly se pilířem vědeckého bádání v mnoha různých disciplínách.

Principy elektronové mikroskopie

Na rozdíl od běžných světelných mikroskopů, které k osvětlení vzorků používají viditelné světlo, elektronové mikroskopy využívají svazek usměrněných elektronů. Tyto elektrony vykazují vlnové vlastnosti a mají mnohem kratší vlnové délky než fotony, což umožňuje podstatně vyšší rozlišení obrazu. Nejlepší elektronové mikroskopy, jako jsou např. naše Titany, dovedou zobrazovat i jednotlivé atomy.

Petr Lepcio z CEITEC VUT vysvětluje fyzikální principy zobrazení na elektronovém mikroskopu následovně: „Elektrony jsou nejdříve extrahovány z katody, urychleny silným elektrickým polem a nakonec usměrněny soustavou elektromagnetických čoček na vzorek. Tyto tzv. primární elektrony mohou vyvolat celou řadu jevů, např. se mohou odrazit zpět, vyrazit jiný elektron ze struktury vzorku nebo vyvolat rentgenové záření. Jednotlivé signály jsou poté zachyceny detektory a zpracovány počítačem na černobílý obraz vzorku. Díky interakci elektronů s hmotou je také možné získat informace o složení materiálu nebo orientaci krystalických domén.“ Tento proces však vyžaduje velmi specifické podmínky, jak Lepcio dodává: „Vnitřek mikroskopu je vyčerpán do hlubokého vakua, aby molekuly plynů nemohly interagovat s letícími elektrony a ovlivňovat tak jejich trajektorii. Zároveň je potřeba pečlivě zabránit veškerým vibracím, které by mohly rozostřit obraz, a odstínit vnější elektromagnetická pole, např. od trafostanice v nedalekém depu šalin.“ Odstínění od sebemenších vibrací je u velmi přesných mikroskopů zcela klíčové: „U mikroskopů jako je Titan to dokonce vyžaduje speciální stavební úpravy, umístění mikroskopu na samostatný betonový blok, který není spojen se základy budovy, aby se nemohly přenášet vibrace od podlahy, a instalaci speciálního zařízení kompenzujícího vnější elektromagnetický smog.“

Aplikace napříč obory

Všestranné uplatnění elektronové mikroskopie zasahuje do různých vědních oblastí a nabízí neocenitelné poznatky v biologických, materiálových a environmentálních vědách. V biologii umožňují vizualizaci buněčných organel, proteinových komplexů a virů, což nám pomáhá poznat základní biologické procesy a mechanismy nemocí. Výzkumníci mohou zkoumat složitou architekturu tkání a odhalovat tajemství života na molekulární úrovni.

V materiálových vědách hraje elektronová mikroskopie klíčovou roli při charakterizaci vztahů mezi strukturou a vlastnostmi materiálů, jako jsou kovy, polovodiče a polymery. Díky zobrazování uspořádání atomů a defektů mohou vědci navrhovat nové materiály s přizpůsobenými vlastnostmi pro aplikace od elektroniky po obnovitelné zdroje energie.

Elektronová mikroskopie navíc přispívá k výzkumu a ochraně životního prostředí analýzou znečišťujících látek, nanočástic a mikroorganismů ve vzorcích životního prostředí. Pochopení interakcí mezi znečišťujícími látkami a ekosystémy pomáhá při navrhování strategií pro nápravu a udržitelnost životního prostředí.

Mikroskopy na CEITEC

Široké využití elektronových mikroskopů v podstatě znamená, že jsou tyto přístroje zcela zásadní víceméně při jakémkoliv výzkumu a bádání, které na CEITEC provádíme. Proto jich také na CEITEC máme celou řadu, s různými specifikacemi a různou rozlišovací schopností – podle toho, k čemu se používají.

„Sdílená laboratoř kryo-elektronové mikroskopie na CEITEC MUNI využívá čtyři transmisní elektronové mikroskopy, z nichž tři mají urychlovací napětí 200 keV,“ říká Karel Škubník, zástupce vedoucího laboratoře. „Vlajkovou lodí laboratoře je však mikroskop Titan Krios, který má urychlovací napětí 300keV.“ Mikroskopy se na CEITEC MUNI využívají ke studiu struktur biologických vzorků, například proteinů či ribozomů, tj. buněčných útvarů, které proteiny vyrábějí. Škubník dále uvádí, že výzkumníci také sledují „viry infikující člověka či ohrožující celou populaci. Kromě toho máme také tři skenovací elektronové mikroskopy, na kterých se zkoumají povrchy zejména biologických vzorků, například u rostlin, ale také se u nás třeba měřil i povrch meteoritu.“

Na CEITEC VUT máme elektronových mikroskopů sedm, jeden z nich je také Titan. „Jelikož jsou to jedny z nejoblíbenějších přístrojů v našich sdílených laboratořích CEITEC Nano, které pravidelně využívá přes 100 uživatelů, tak je spektrum využití opravdu široké,“ vysvětluje Lepcio. „Nejčastěji se jedná o výzkum pokročilých materiálů, nanočástic, nanovláken a dalších nanomateriálů, ale také polymerů, kovů, keramiky, polovodičů i přírodních materiálů. Mikroskopy slouží různým účelům – od studia jejich struktury, velikosti, topografie a morfologie, přes analýzu defektů a lomových ploch, až po kontrolu kvality vyrobených mikro- a nanostruktur.“ I na CEITEC VUT se nám čas od času dostanou pod ruku exotičtější vzorky, například historické artefakty.

Elektronová mikroskopie v Brně

Elektronová mikroskopie je pro nás na CEITEC klíčovým oborem ještě z jednoho důvodu. CEITEC je hrdou součástí brněnského inovačního ekosystému #brnoregion, ve kterém hraje elektronová mikroskopie zcela zásadní roli. S giganty typu ThermoFisher Scientific, Tescan a Delong Instruments je Brno zkrátka střediskem elektronové mikroskopie. Vždyť se také každý třetí elektronový mikroskop na světě vyrábí právě u nás!

Výrobní firmy spolu s výzkumnými a vědeckými středisky, jako je CEITEC (a dalšími fakultami jak na Masarykově univerzitě, tak na Vysokém učení technickém), a edukativními institucemi typu VIDA! tvoří dokonale se doplňující společenství, v jehož rámci se výzkumníci a bývalí studenti podílejí na vývoji mikroskopů, brněnské firmy je vyrábějí a dodávají a ve výzkumných centrech s nimi zase pracujeme a nacházíme nové aplikace. Dokladem této plodné synergie v brněnském mikroskopickém ekosystému jsou právě například Dny elektronové mikroskopie nebo také nově vznikající magisterský program Mikroskopie, který Přírodovědecká fakulta MUNI letos nově otevírá.

„Brno je městem vědy, výzkumu a inovací. A je také městem spolupráce. Právě díky kooperaci firem z oboru elektronové mikroskopie, akademického sektoru, vědecko-popularizačních institucí a veřejné sféry u nás již několik let probíhá naprosto unikátní akce. Její přínos je obrovský – popularizuje vědu, podporuje zájem o studium technických a přírodovědných oborů, představuje velmi perspektivní obor i technologický potenciál našeho města,“ uzavírá primátorka města Brna Markéta Vaňková.

A jak si návštěvníci užili program Dnů elektronové mikroskopie na CEITEC? To se můžete sami podívat na fotkách.