Mark H. Rümmeli: Sním o tom, že dokážeme používat atomy jako cihly pro stavbu nových materiálů

Založil jste špičkové laboratoře a spolupracujete s prestižními světovými institucemi, jako jsou Peking University, University of Oxford, výzkumné centrum NASA Ames, CNRS, Cornell University a Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT). Co vás vedlo k rozhodnutí strávit delší čas na Vysoké škole báňské – Technické univerzitě Ostrava (VŠB-TUO)?

Rozhodl jsem se vést projekt Electron Beam Emergent Additive Manufacturing (EBEAM) na VŠB-TUO, protože to pro mě byla příležitost pracovat na zajímavé technologii, jejíž koncepci jsem připravoval řadu let, a odpovídalo to mým kariérním cílům. S VŠB-TUO spolupracuji v té či oné podobě již více než 15 let a vždy jsem ji hodnotil pozitivně. Když jsem viděl, jak se univerzita i Ostrava mění, bylo pro mě atraktivní se plně zapojit. Vnímám, že Ostrava je ve stavu změny. Stává se živým místem pro techniku a kulturu, navíc se VŠB-TUO zaměřuje na špičkový technologický výzkum a spolupráci s partnery po celém světě. Přišlo mi to jako správný krok pro mě i mou rodinu.

Co konkrétně je cílem a obsahem projektu?

EBEAM se zaměřuje na vývoj nových způsobů výroby  pomocí elektronových svazků, což jsou proudy elektronů, tedy nabitých částic, které se pohybují vysokou rychlostí.  Představte si vysoce přesnou tiskárnu, která však místo inkoustu používá  elektronové svazky k  vytváření nebo přetváření  materiálu na úrovni nanometrů (a potenciálně i menší). Tato metoda nám umožní vyrábět věci s neuvěřitelnou přesností a účinností. Stručně řečeno, naším cílem je vytvářet věci v nanoskopickém měřítku nebo dokonce ještě menší.

Hlavním cílem projektu EBEAM je posunout možnosti  výroby produktů, od drobných elektronických součástek, nositelné elektroniky, jako jsou například chytré hodinky či fitness náramky, přes biomedicínské technologie, až po pokročilé miniaturní systémy pro ukládání energie (například pro napájecí systémy malých zařízení čirobotů). 

Přístupy 3D tisku jsou velmi atraktivní, protože umožňují rychlé a cenově dostupné vytváření vlastních složitých předmětů z předem naprogramovaných návrhů s minimálním odpadem, což umožňuje inovativní, efektivní a udržitelnou výrobu pro každého. 

V konečném důsledku by výsledky projektu mohly pomoci změnit způsob, jakým vyrábíme téměř vše, a učinit výrobu čistší a udržitelnější.

Revoluce v přesné výrobě

Co tato metoda obnáší a v čem je revoluční? Používá se již jinde ve světě nebo jste průkopníkem?

Projekt EBEAM zahrnuje více než jen použití elektronové mikroskopie pro zobrazování a chemickou analýzu; integruje tuto techniku s dalšími procesy, jako je přesná aplikace tepla a dodávka specifických materiálů (prekurzorů) potřebných pro stavbu nebo modifikaci struktur v neuvěřitelně malém měřítku. To nám umožňuje manipulovat s materiály potenciálně až na atomární úrovni, což je nejmenší měřítko pro měření hmoty.

V současné době používáme v našem výzkumu jednotlivé svazky elektronů. Existuje však potenciál pro použití mnoha paralelních svazků, čímž by se proces rozšířil (pozn. red.: systémy využívající až 91 svazků jsou již komerčně dostupné). Taková technologie paralelních paprsků by nám umožnila významně rozšířit naše procesy na úroveň, která není běžně dostupná u jiných technologií 3D výroby v tomto rozměrovém měřítku (nanometrické měřítko). Výsledky projektu EBEAM by mohly způsobit revoluci v přesné výrobě a dalších průmyslových odvětvích tím, že by umožnily hromadnou výrobu kombinovanou s přesným zpracováním materiálů.

V projektu EBEAM se zaměřujeme na studium materiálů na substrátech (tj. na podložce nebo podkladu), nikoli pouze na velmi tenkém zavěšeném materiálu, jak je typické pro tradiční transmisní elektronovou mikroskopii (TEM), takže elektronový paprsek materiál propouští (nebo jím prochází). Přesná výroba materiálů na podložce nebo podkladu je zásadní, protože odráží reálné podmínky. Náš výzkum tak má velký význam pro praktické aplikace v průmyslu. 

S jakými se potýkáte překážkami?

Ozařování materiálů, které jsou tlusté (materiály reálného světa), elektronovým svazkem přináší technologické překážky, protože elektronový svazek interaguje s materiály do značné hloubky a také bočně, což nazýváme interakční objem. To snižuje laterální přesnost, které můžeme obvykle dosáhnout pomocí elektronových svazků. Klíčovým aspektem tohoto výzkumu je překonání této výzvy, abychom mohli zvýšit přesnost a účinnost této techniky, což povede k pokroku v různých průmyslových aplikacích, jako je  přesná 3D výroba (aditivní výroba) na nanometrické úrovni. 

---

Příklady oblastí, které by mohly těžit z pokroku technik vyvinutých v rámci projektu EBEAM:

1. Výroba polovodičů: zlepšení výroby mikročipů umožněním přesnějšího vzorování a nanášení materiálu, což může vést k vývoji rychlejších a účinnějších elektronických zařízení.
2. Zdravotnické přístroje: technologie může pomoci při vytváření vysoce detailních a spolehlivých lékařských implantátů a nástrojů, kde je extrémní přesnost rozhodující pro bezpečnost pacientů a funkčnost zařízení.
3. Nanotechnologie: pokrok v oblasti nanotechnologií umožňující vytváření nových materiálů a nanostruktur, které lze využít v různých průmyslových odvětvích, od farmaceutického průmyslu až po nové typy senzorů.

---

S jakými vstupními materiály v projektu pracujete?

V projektu EBEAM jsou našimi hlavními vstupními komoditami 2D materiály, jako je grafen, a další ultratenké materiály, protože mají velmi zajímavé vlastnosti, které lze upravovat. Tyto materiály jsou pro náš výzkum klíčové, protože se snažíme navrhnout pokročilé materiály pro použití v high-tech odvětvích, jako je elektronika, biomedicína, energetika a objevování materiálů, abychom jmenovali alespoň některé z nich. 

Manipulací s těmito 2D materiály v nanoměřítku se snažíme vyvinout nové, vysoce účinné struktury, které by mohly způsobit revoluci ve způsobu výroby produktů, zvýšit jejich výkon a zároveň snížit dopad na životní prostředí. Doufáme, že v budoucnu se nám podaří rozšířit působnost na celou řadu nanomateriálů i mimo 2D materiály.

Mluvíte o navrhování materiálů „na míru“. Můžete nám přiblížit, v jakém měřítku pracujete? Dá se to nějak porovnat?

Pracujeme s materiály v neuvěřitelně malém měřítku – konkrétně v nanoměřítku, což je miliardtina metru, tedy asi 100 000krát menší než šířka lidského vlasu. Na této úrovni mohou i nepatrné změny v rozměrech materiálu významně změnit jeho vlastnosti. 

Tato přesnost nám umožňuje „šít“ materiály na míru tak, aby měly specifické vlastnosti. To je důležité v moderních technologiích, kde jsou důležitá stále menší a menší zařízení. Vzpomeňte si například na to, jak se vyrábějí počítačové čipy. Tradičně se vytvářejí shora dolů, což může být docela neekonomické, protože se musí odstranit spousta materiálu, aby nakonec vzniklo mnoho velmi malých zařízení, například tranzistorů (základní součástka mikročipů). 

Náš přístup se podobá spíše budování zdola nahoru, což nám umožňuje efektivněji využívat materiály (a potenciálně obejít velikostní limity současných technologií). Díky kontrole rozměrů v tak nepatrném měřítku můžeme přizpůsobit materiály a zlepšit jejich funkčnost způsobem, který dříve nebyl možný. To otevírá vzrušující možnosti při objevování a vývoji materiálů.

Máte již představu o konkrétních aplikacích?

Ano, mám několik nápadů na konkrétní aplikace. Jedním z jednoduchých nápadů je potahování měděných stop na propojení elektrických obvodů, aby se zabránilo korozi, což by mohlo být jednodušší a cenově výhodnější než současná řešení. Další aplikace by mohly zahrnovat nátěry štítů nebo zařízení, aplikace v oblasti flexibilní elektroniky, technologie senzorů a inovace související s energií – například tisk malých energetických systémů pro nanoboty.

S jakými překážkami se v projektu musíte potýkat?

Jednou z klíčových překážek v našem projektu EBEAM je řízení interakce mezi elektronovým paprskem a vzorkem. Tato interakce může snížit přesnost naší práce, protože paprsek může ovlivnit nejen oblast cílovou, ale i ty okolní. Tento problém se snažíme překonat vývojem přístupů, které zajistí, aby reakce paprsku probíhala přesně na zamýšleném povrchu, aniž by ovlivňovala okolní oblasti. Průlom v této oblasti by znamenal, že naše přesnost bude omezena pouze šířkou paprsku, která může být jen několik nanometrů (a v některých případech i méně než jeden nanometr). To by znamenalo velký pokrok v technologii.

Jakou vědeckou infrastrukturu budete využívat? Je již na VŠB k dispozici, nebo budete muset pořídit něco speciálního?

Pro projekt EBEAM využíváme především rastrovací elektronové mikroskopy (SEM), což jsou běžné nástroje pro zobrazování a analýzu materiálů na úrovni  mikrometrů  a nanometrů. VŠB již disponuje několika SEM, nicméně náš projekt zahrnuje výrobu materiálů, nikoliv pouze zobrazování, což může vést ke znečištění přístrojů a riziku kontaminace vzorků ostatních uživatelů.

Abychom to vyřešili, pořizujeme vlastní SEM speciálně pro projekt EBEAM. Ty budou upraveny tak, aby vyhovovaly našim specifickým potřebám, a zajistí, aby naše výrobní procesy nenarušovaly ostatní výzkumné činnosti na VŠB. Kromě toho pořizujeme další charakterizační přístroje pro studium námi vytvářených materiálů. Pochopení mechanismů změny těchto materiálů je klíčové pro dosažení přesné kontroly nad jejich vlastnostmi.

Vzhledem k vašim bohatým zkušenostem ze zahraničí máte možnost srovnání. Které aspekty domácího vědeckého prostředí oceňujete a které vnímáte jako problematické?

Jsem zatím na začátku a chvíli trvá, než se zabydlím. Zatím jsou mé celkové zkušenosti pozitivní. Ostrava a VŠB sice ještě nejsou tak mezinárodní a kosmopolitní jako například Praha, ale zjevně se nacházejí ve stavu přechodu. Je vzrušující být svědkem těchto změn a být jejich malou součástí. Jsem zvědavý, jak budou Ostrava a VŠB vypadat za 5, 10 či 20 let.

Z akademického hlediska mě napadá jedna výzva, a to rozdíl v používání akademických titulů (profesor, docent), což může  být pro nečeské odborníky méně atraktivní a brání rozvoji mezinárodní kariéry. O změnách se diskutuje a doufám, že budou brzy zavedeny. 

Také úroveň používání angličtiny je omezená. Angličtina se stává faktickým jazykem ve vědě a VŠB dělá v této oblasti pokroky tím, že nabízí více kurzů v angličtině a zaměřuje se na internacionalizaci. Doufám, že k tomu přispěji podporou mezinárodního týmu, pořádáním workshopů a zprostředkováním výměn a stáží vědeckých pracovníků. Předpokládám také, že jak se bude Ostrava vyvíjet, bude stále mezinárodnější a angličtina bude běžnější.

Z osobního hlediska si s rodinou velmi ceníme blízkosti  přírody, což nám umožňuje vychutnávat si turistiku a volnočasové aktivity.

Věda je radost z objevování – s novým týmem a v Česku

Co vás na vědě nejvíce baví? Jak jste se stal vědcem?

Věda je pro mě radost z objevování. Baví mě sestavovat experimenty, pracovat s experimentálními daty a snažit se pochopit fungování přírody – to je skvělá zábava, ať už to dělám sám, nebo v dnešní době častěji s týmem mladých dynamických výzkumníků, kteří tak často během brainstormingu nadhazují úžasné bláznivé nápady. I to je zábava – pracovat s mladými výzkumníky a sledovat jejich růst a rozvoj.

A jak jsem se dostal k vědě? Původně jsem se hlásil na univerzitu na obor inženýrství, protože můj otec byl také inženýr. Ale pak mi jedna z univerzit, na kterou jsem se hlásil, nabídla obor fyzika a informatika – okamžitě jsem věděl, že chci nastoupit na tento obor. Vedoucí profesoři byli fantastičtí učitelé a já jsem za tuto příležitost dodnes velmi vděčný. Byla to správná volba a přivedla mě do úžasného světa základního vědeckého výzkumu.

Dosáhl jste řady vynikajících výsledků; jaké výzvy vás čekají?

Výzev je před námi celá řada: v rámci projektu ERA Chair EBEAM se těším na vybudování nového laboratorního výzkumného zázemí a nového týmu, který bude provádět průkopnický výzkum, který spojí mnoho mých zkušeností z oblasti vývoje a inženýrství nanomateriálů s elektronovou mikroskopií a jejich využitím v aplikacích. Být průkopníkem v přesné aditivní výrobě je úžasná příležitost. Těším se, že se to rozroste i mimo VŠB, a to nejen v České republice, ale i v rámci Evropy a celosvětově. 

Jsem si jist, že se budou objevovat výzvy, které budu muset při budování EBEAM jako celosvětově uznávaného centra pro aditivní výrobu řízenou elektronovým svazkem. To je součást již zmíněné zábavy – zjišťovat, jaké výzvy se objevují, a hledat způsoby, jak je proměnit v příležitosti. 

Nakonec sním o tom, že umožníme používat jednotlivé atomy jako cihly pro stavbu materiálů a zařízení způsobem, který bude možné škálovat pro skutečnou výrobu, aby bylo možné postavit cokoli uživatelsky programovatelným způsobem, a to s atomovou přesností. To byla vize Richarda Feynmanna, fyzika oceněného Nobelovou cenou, který před desítkami let pochopil význam nanotechnologie a subnanotechnologie (konstrukce atom po atomu) dříve než ostatní. Tato vize je mým snem.

Jak významný kulturní a společenský posun pro vás a vaši rodinu představuje život v Ostravě? Co se vám zde líbí a na co je pro vás náročnější si zvyknout?

Pro mou ženu, která je Číňanka, je to teprve podruhé, co se stěhuje do zahraničí, takže si dovedu představit, že je to pro ni velký kulturní posun. Studuje český jazyk a ráda poznává české jídlo, ostatně stejně jako já. V současné době aktivně hledá zaměstnání v Ostravě. Mému synovi je šest let a velmi dobře se adaptuje v nové škole a nachází si nové kamarády. 

V mém případě jsem měl vždy velmi mezinárodní život. Mám pocit, že s přibývajícím věkem dokážu více ocenit kulturní rozdíly. Cítím se být privilegovaný, že mám tak mezinárodní zázemí. Celá moje rodina je optimistická pokud jde o naši budoucnost zde. Velmi si užíváme dostupnosti přírody a také návštěvy okolních měst a obcí. 

A co se týká výzev, tak tou největší je asi jazyk a komunikace v něm. Ale v dnešní době to překladatelské aplikace poněkud usnadňují. 

Máte čas na své koníčky? Pokud ano, jaké to jsou?

Mám rád pohyb – zejména v přírodě, což se v Ostravě a okolí snadno realizuje. Chodit do přírody na výlety, procházky a pikniky je tu neuvěřitelně snadné. Kromě toho mám rád dobré jídlo a jednou z mých oblíbených věcí v Ostravě je fantastická pizza. Jedl jsem tu jedny z nejlepších pizz vůbec! V Ostravě se také konají pěkné místní festivaly a já i moje rodina takové festivaly rádi navštěvujeme – např. food festivaly.

 

Autorka: Martina Kurfirstová (VědaVýzkum.cz), Martina Šaradínová (VŠB-TUO)

---

Mark H. Rümmeli je přední odborník v oblasti nanomateriálů. Od ledna 2024 vede prestižní projekt EBEAM (Electron Beam Emergent Additive Manufacturing), financovaný programem ERA Chairs Horizon Europe na Institutu environmentálních technologií (CEET) VŠB-Technické univerzity Ostrava. Je také zapojen do projektu REFRESH, který získal podporu z operačního programu Spravedlivá transformace. 

Ve své vědecké práci se zaměřuje na pochopení mechanismů tvorby nízkorozměrných struktur, jejich funkčnost pro návrh specifických materiálů a na způsoby, jak využít potenciál těchto nanomateriálů v systémech obnovitelné energie a biomedicínských aplikacích. Je autorem více než 300 článků v recenzovaných časopisech, přednesl více než 75 pozvaných přednášek a získal více než 10 000 citací.

Během své kariéry založil inovativní laboratoře a spolupracoval s renomovanými institucemi po celém světě, včetně Pekingské univerzity, Univerzity v Oxfordu, NASA Ames Research Laboratories, CNRS, Cornell University a Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT). Vedl řadu studentů bakalářského, magisterského a doktorského studia.