Špičkový modulární systém pro výzkum povrchů je životní dílo Thomase Goudera ve Společném výzkumném středisku Evropské komise v Karlsruhe – JRC. Přístroj pro excelentní výzkum bezpečnosti jaderných paliv, koroze, katalýzy a chemie aktinoidů využívali vědci z celé Evropy, včetně týmů z Prahy. Nyní se právě do Prahy stěhuje.
Přístroj používají například vědci z Fyzikálního ústavu AV ČR (FZU), kteří se zabývají nejen vývojem speciálních materiálů na bázi aktinoidů, ale také jejich širším využitím např. při studiu komplexních magnetických jevů, jako je tzv. exchange-bias efekt, který hraje klíčovou roli ve vývoji moderních paměťových technologií a senzorů. Proč se přístroj stěhuje do Prahy, k čemu slouží a jaká bude jeho budoucnost?
Pracoval jste v oblasti jaderného výzkumu, což je v Německu kontroverzní téma…
I země jako Německo, které se rozhodly opustit jadernou energii, stále potřebují v této oblasti rozvíjet znalosti, kompetence a výzkum, protože jaderná energie není jen otázkou výroby energie v jaderných elektrárnách, ale týká se i nakládání s odpady, odstavování provozu, zdravotnictví, např. léčby rakoviny a dalších nemocí radionuklidy...
Rozklad jaderného paliva je možné dlouho zkoumat i po odstavení elektráren. Co se s ním při skladování děje?
Výzkum jaderného paliva je zcela zásadní pro bezpečnost. Nejde však pouze o jaderný odpad, jeho korozi a skladovatelnost, ale o celý cyklus jaderného paliva. Důležitou roli hrají povrchové reakce na materiálech. Stabilita povrchů, výměna materiálu s okolím a mnoho dalších faktorů závisí přímo na jejich reaktivitě a chemických vlastnostech.
Jadernou reakcí vzniká mnoho nových prvků a sloučenin a při výzkumu chemického chování takového systému se často používají zjednodušené modelové systémy. Sestavují se v laboratoři a lze u nich cíleně měnit jednotlivé parametry – jsou to tzv. single effect studies. V jedné studii jsme simulovali podmínky havárie tak, že jsme napařili sodík na oxid uranu, abychom tak pomohli lépe odhadnout možná rizika. V jiném případě jsme nanesli kovové paladium na různé oxidy uranu, a tím jsme zkoumali vliv na korozní chování jaderného odpadu. Paladium proto, že vzniká v reaktoru štěpením uranu a na povrchu jaderného odpadu může modifikovat jeho stabilitu.
Toto jsou pouze dva příklady povrchových systémů, které můžeme v naší aparatuře připravovat. Díky své modulární konstrukci je zařízení velmi flexibilní a lze jej v krátké době přizpůsobit novým aplikacím.
Měl by se výzkum věnovat více aplikovatelným účelům?
Často slýcháme, že orientace na aplikace omezuje vědeckou svobodu, ale já to tak nevnímám. Věda se dělá buď proto, že člověka zajímá daná problematika, tedy poznání, nebo proto, že má uplatnění či chce vyřešit nějaký problém. Dnešní základní výzkum může být aplikovaným výzkumem zítřka, to se vzájemně nevylučuje, a i proto jsme naši aparaturu sestavili tak, aby sloužila pro oba účely. V oblasti základního výzkumu umí určit parametry elektronové struktury materiálů a jejich povrchů. V oblasti aplikací umožňuje simulovat katalýzu, výrobu vodíku, korozi nebo odhadovat dlouhodobou stabilitu jaderného odpadu. Náš výzkum v JRC nemohl být čistě základním výzkumem, ale musel mít také přímý užitek pro společnost.
Začínal jste jako chemik, ale pak jste se více zaměřil na fyziku. Co vás k tomu vedlo?
Chemie se zabývá látkami, jejich vlastnostmi a výrobou, ale techniky, které používá, jsou založeny na fyzikálních metodách, např. povrchové spektroskopii nebo procesu odpařování. Chemie a fyzika se tedy vzájemně doplňují. Chemie definuje cíl a fyzika vyvíjí koncepty k jeho dosažení. Takové koncepty mě vždy fascinovaly, např. co se přesně děje na povrchu pevných látek, kde jsou atomy vázány pouze na jedné straně, ale na druhé straně jsou volné. Jak tyto atomy reagují s vnějším prostředím?
Testování konceptů v praxi, abstraktní obraz, který najednou nabývá tvaru – to mě fascinuje i mimo vědu. Stroj, který stěhujeme do Prahy, slouží přesně tomuto účelu: k přípravě povrchů, ke kontrole jejich složení a vlastností a k provádění chemických reakcí, jako jsou katalýza, koroze atd.
Metro pro vzorky
Stroj je vybaven speciálním transportním systémem – metrem. Jak vypadá?
Náš stroj se skládá z osm metrů dlouhé centrální vakuové roury, ke které jsou připojeny různé moduly. V těch se provádějí syntézy vzorků, jejich analýzy a reakce. Přenos vzorků mezi moduly probíhá v centrální rouře, vzorky se přepravují na malém vozíku, který jezdí po kolejnicovém systému. Vozík má šest kol, je poháněn magnetem a zvláštností je, že pohonný systém je umístěn mimo vakuum. Uvnitř nejsou žádné složité mechanické součásti, které by vyžadovaly údržbu. Jedná se o velmi jednoduchý, ale účinný princip. Takže to je naše „metro“ a moduly jsou stanice, mají dokonce názvy podobné stanicím metra – vlak například jezdí ze stanice Depozice 1 do stanice Atomová komora.
Kolik toho může vozík přepravit?
Vozík má místo pro šest destiček se vzorky (2 × 2 cm). Z hlediska hmotnosti to není moc, pracujeme s tenkými vrstvami o tloušťce několika atomů, takže to odpovídá několika nano- až mikrogramům.
A kolik atomových vrstev tedy většinou nakládáte?
Nanášeno je pouze několik atomových vrstev – většinou méně než 100. To odpovídá tloušťce vrstvy několika nanometrů, tedy miliontin milimetru. S tímto zařízením provádíme výzkum povrchů, zkoumáme nejvrchnější atomové vrstvy pevných látek a to, jak reagují s okolím – převážně korozní chování nebo katalýzu. Výzkumné metody jsou odpovídajícím způsobem povrchově citlivé a nahlížet můžeme pouze do několika atomových vrstev hluboko do materiálu. Například použijeme zlatou fólii jako podkladový materiál a pokryjeme ji tenkou vrstvou 10 atomových vrstev. Stále můžeme detekovat zlato pomocí naší spektroskopie, ale signál je slabší než u čistého zlata, a právě z útlumu můžeme určit tloušťku povrchové vrstvy.
Vzhledem k extrémní citlivosti povrchu musí být zařízení provozováno v ultravysokém vakuu (UHV). Již při tlaku jedné miliardtiny atmosférického tlaku (10-9 atm) by reaktivní povrchy byly během jedné sekundy zcela kontaminovány. To je důvod, proč všechny moduly a transportní systém pracují v režimu UHV.
Zůstávají vám některé atomy vzorků v komorách?
Ano, tomu se říká „křížová kontaminace“, jelikož v komorách provádíme mnoho různých experimentů, může dojít k přenosu materiálu. Takový problém rozpoznáváme pomocí našich spektrometrů a reagujeme na ně odpovídajícím způsobem. Je velmi důležité pracovat pečlivě a důkladně čistit.
Společné výzkumné středisko nyní i v Praze
Proč aparatura nyní přichází na Fyzikální ústav AV ČR do Prahy?
V souvislosti s ukončením provozu LabStation v JRC Karlsruhe a mým odchodem do důchodu bylo hledáno nové uplatnění pro tento unikátní přístroj tak, aby mohl dále sloužit evropské vědecké komunitě. Byl spuštěn pilotní projekt SSLS-Lab, který poprvé umožňuje přesun špičkové výzkumné aparatury mimo JRC.
V rámci otevřeného výběrového řízení Evropské komise byla aparatura nabídnuta institucím, které dokázaly nabídnout kvalitní odborné zázemí a perspektivní program dalšího využití. Konsorcium vedené FZU, s účastí Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy, FJFI ČVUT a Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského, předložilo návrh, který úspěšně obstál v konkurenci dalších evropských uchazečů, zejména díky kvalitnímu vědeckému programu, připravenosti laboratoře a mezinárodnímu přesahu aktivit.
Záleží mi na tom, aby projekt pokračoval, a jsem přesvědčen, že v Praze je v dobrých rukou. Modulární systém jsme vyvíjeli v Karlsruhe a v rámci našeho projektu „Userlab“ jsme od samého začátku úzce spolupracovali s Ladislavem Havelou z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy a Evgenií Chitrovou z FZU. Oba se v systému dobře vyznají a pevně doufám, že budou pokračovat v činnosti v duchu našeho institutu. Jsem rád, že aparatura zůstává součástí přístupu pro vědce z jiných laboratoří, nazvaného JRC-Userlabs.
Jaký výzkum by pro vás byl v budoucnu obzvláště důležitý?
Modulární přístroj je tak trochu mé životní dílo a velmi doufám, že bude i nadále využíván ve FZU, zejména v mezioborovém výzkumu. Aparatura jedinečným způsobem integruje syntézu povrchů, reakce a analýzu a kombinuje chemické a fyzikální aspekty. Dnes by se řeklo, že je interdisciplinární. Přeji si, aby vedle fyziky, kterou se zabývají Evgenia a Ladislav, nebyly opomíjeny ani chemické aplikace, pro které byl systém původně konstruován. Navíc je díky své modulární konstrukci tento systém velmi snadno ovladatelný, modifikovatelný pro nové aplikace. Jeho velkou technickou předností je, že vzorky, které zkoumáme, můžeme připravovat a studovat „in situ“, tedy bez nutnosti přemisťovat je mezi aparaturami. Vyvinuli jsme k tomu jedinečný miniaturní naprašovací zdroj, který je součástí zařízení a pomocí kterého připravujeme naše filmy již 20 let.
Říkáte, že jste již už v důchodu. Jak nyní trávíte čas?
Část svého času věnuji jako aktivní senior JRC a pomáhám s přemístěním aparatury do Prahy. Jinak mám mnoho dalších zájmů, například jsem hobby vinař a ročně vyprodukuji 300 až 400 litrů Pinot noir a Pinot blanc. Práce ve vinici a vinařství je skutečně věda sama o sobě, a stejně jako u našeho stroje je třeba zohlednit neuvěřitelné množství parametrů – člověk je závislý na okolí a počasí. Bohužel je ale možné provádět pouze jeden pokus ročně.
Zdroj: Fyzikální ústav AV ČR
Thomas Gouder získal doktorát z chemie na Univerzitě v Namuru v Belgii v roce 1987 s dizertací zaměřenou na vztah mezi elektronovou strukturou a povrchovou reaktivitou. Po prestižním postdoktorském pobytu v Lawrence Livermore National Laboratory (USA) nastoupil v roce 1992 do Institutu transuranových prvků v Karlsruhe (dnes JRC Karlsruhe), kde působil až do svého odchodu do důchodu v roce 2024. V JRC zavedl tenkovrstvé metody pro studium reaktivity a elektronové struktury aktinoidů. Postupně rozšířil své výzkumné zaměření od povrchové chemie k fyzikálním studiím komplexních systémů s 5f-elektrony, včetně Kondo efektu a lokalizačních jevů, a to i u vysoce radioaktivních prvků, jako je americium a curium. Věnoval se rovněž tématům důležitým pro jaderná paliva a odpad, například korozi ovlivněné štěpnými produkty. Je autorem či spoluautorem více než 130 vědeckých prací. Kromě špičkových znalostí v oblasti fyziky a chemie vynikal i hlubokou praxí v technologiích ultravysokého vakua, plazmových procesech a elektronice, což mu umožňovalo neustále zdokonalovat experimentální aparatury a posouvat hranice výzkumu aktinoidů.
- Autor článku: ne
- Zdroj: Akademie věd ČR
