Laureát Ceny Neuron pro mladé vědce za rok 2015 - Jan Macák

Chemik, který je spoluautorem světově unikátní metody jak vyrábět nanotrubičky trubičky z oxidu titaničitého.

Český chemik udělal díru do světa

Slovo nano pochází z řečtiny a znamená trpaslík. Používá se jako předpona pro označení jedné miliardtiny metru. Například trubička o průměru 150 nanometrů měří přibližně tisícinu tloušťky lidského vlasu. Jan Macák z pardubické univerzity je spoluautorem světově unikátní metody jak vyrábět takové trubičky z oxidu titaničitého. Jejich možné využití v praxi je obdivuhodné. Dokáží zvýšit účinnost slunečních panelů, dopravit lék přímo k postiženému místu v těle, filtrovat viry a jiné mikroorganismy nebo ochránit povrch aut i domů před špínou. O důležitosti metody Jana Macáka svědčí fakt, že loni získal startovní grant od Evropské vědecké rady. Nyní, jako pobídku k dalšímu výzkumu, převzal Cenu Neuron pro mladé vědce a spolu s ní prémii 250 tisíc korun.

Příběh nanotrubiček začal v Japonsku

Když ještě chodil Jan Macák v Pardubicích do střední školy, vytvořili vědci v Japonsku extrémně uspořádané nanokanálky z oxidu hlinitého na hliníku. Měly velmi pravidelný šestiúhelníkový tvar a připomínaly včelí plástev. Struktura kanálků vyleptaná elektrochemickou metodou chránila hliník spolehlivěji než zcela hladký povrch. Nanokanálky brzy získaly mezi vědci velikou popularitu, protože posloužily jako forma pro vytváření nanodrátků z různých materiálů. A když vědci uřízli dna kanálků, vzniklo husté sítko třeba na filtrování bílkovin a virů. Japonci vyladili elektrochemickou metodu natolik, že dokázali vytvářet kanálky o průměru od deseti do dvou set nanometrů. Článek o tomto postupu vyšel v roce 1995 v časopisu Science, jednom z neprestižnějších periodik o vědeckém výzkumu a měl brzy tisíce citací.

Pár let po uveřejnění převratného textu chodí Jan Macák do čtvrtého ročníku Vysoké školy chemicko-technologické v Praze. Od svého vedoucího diplomové práce dostal za úkol zabývat se korozními vlastnosti titanu. Začal plátky tohoto velmi ušlechtilého kovu leštit a vytvářel na jejich povrchu pomocí elektrochemického procesu vrstvu oxidu titaničitého, který chránil materiál před korozí. „Po absolvování vysoké školy jsem se přihlásil na postdoktorandské studium na univerzitu v bavorském Erlangenu, kde se profesor Patrik Schmuki rovněž zabýval titanem,“ vzpomíná na dobu před dvanácti lety Jan Macák. Když německý profesor viděl zaujetí českého absolventa, domluvili se, že se pokusí vytvořit na titanové folii stejně pravidelnou šestiúhelníkovou strukturu, jaká se podařila Japoncům na hliníku.

Rok a půl od rána do večera v laboratoři

Ovšem oxid titaničitý, sloučenina kyslíku a titanu, je velmi odolný. Jeho povrch dokáže narušit jenom kyselina fluorovodíková, jedna z nejagresivnějších látek na světě. Silně leptá oči, zažívací ústrojí a kůži. Může proniknout až ke kostem a rozpouštět je. „Když jsme začali používat tuto kyselinu ve vysoké koncentraci, bylo to velmi náročné na bezpečnost. A výsledky nás příliš neuspokojily. Na titanové folii vznikaly pouze velice tenké vrstvy nanotrubiček různého průměru. Jejich tvar se nedal vůbec regulovat,“ říká Jan Macák.

Rok a půl strávil v laboratoři a každý den, včetně víkendů, zkoušel jak a čím nahradit agresivní kyselinu. Jednoho dne dostal nápad. Použil fluorid sodný. Ten se běžně přidává do zubní pasty a pomáhá stavět sklovinu. Jenže, jak tato téměř neškodná látka může leptat titan? „Zjistil jsem, že když se použije pro oxidaci titanu, proběhne chemická reakce, při které pouze v jednom konkrétním místě vznikne kyselina fluorovodíková a ta už leptat dovede. Proces lze řídit tak, aby vznikaly stále delší a pravidelnější nanotrubičky,“ vysvětluje Jan Macák.

V roce 2005 se mu podařilo zesílit vrstvu pětkrát. Z 500 nanometrů na 2,5 mikronu. To už je vrstva výhodná při využití polovodičových vlastností oxidu titaničitého. Výsledky publikovali společně s profesorem Schmukim v prestižním chemickém časopisu Angewandte Chemie. Český doktorand v pokusech pokračoval a vyvinul postup jak zesílit vrstvu oxidu titaničitého na 7,5 mikrometru. Za půl roku jim uveřejnili další článek. „V současné době mají oba texty více než 1200 citací,“ říká 35letý Jan Macák.

Dr.-Ing. Jan Macák

• Narodil se v roce 1979 v Pardubicích.
• V roce 2003 absolvoval Vysokou školu chemicko-technologickou v Praze.
• V roce 2008 obhájil doktorát na univerzitě v bavorském Erlangenu, kde s kolegy vyvinul metodu pro vznik nanotrubiček z oxidu titaničitého elektrochemickou oxidací titanu.
• Všechny články o jeho výzkumu mají v současné době více než 9900 citací.
• V roce 2012 nastoupil na Fakultu chemicko-technologickou na Univerzitě Pardubice, kde pokračuje v dalším výzkumu.

Výzkum pokračuje

Oba články vyvolaly malou revoluci a mnoho laboratoří okamžitě začalo zkoušet novou metodu.„Laboratoř profesora Schmukiho získala velkou reputaci, pozvánky na kongresy jen pršely, grantové agentury s ochotou poskytovaly peníze na rozvoj tohoto velmi slibného materiálu,“ dodává Macák. V roce 2007 postup s kolegy vyladil, takže vznikaly téměř pravidelné nanotrubičky ve tvaru šestiúhelníků. Dnes dovede vytvořit vrstvu silnou stovky mikronů a průměr kanálků lze nastavit od 20 do 300 nanometrů. Je to velký pokrok ve srovnání s výsledky prvních pokusů, kdy měla vrstva tloušťku pouze pět set nanometrů a průměr trubiček se pohyboval okolo 100 nanometrů.

Ovšem chemik Jan Macák ještě není zcela spokojený. Na snímcích pořízených elektronovým mikroskopem ukazuje, kde nejsou šestiúhelníky zcela pravidelné a kde zůstala nějaká „nečistota“, která snižuje kvalitu struktury. Když popisuje průběh pokusů, připomíná to sázení Sportky, kdy „stačí“ uhádnout šest čísel a vyhrát první cenu. Při experimentech v laboratoři je nutné najít optimální průsečík několika okolností. Je nezbytné zkombinovat správnou teplotu, elektrické napětí, koncentraci a stáří elektrolytu. Roli hraje i kvalita povrchu a čistota titanových folií.

Přínosy pro běžný život

Od roku 2012 působí Jan Macák na Fakultě chemicko-technologické Univerzity Pardubice. Jeho výzkumný tým našel vhodné zázemí v nově postaveném Centru materiálů a nanotechnologií. Doposud napsal 80 odborných článků. Polovinu o základním výzkumu, druhou část o využití nanotrubiček z oxidu titaničitého. Najdou uplatnění v solárních panelech, které budou účinnější a levnější než současné křemíkové. V medicíně mohou posloužit k filtrování virů nebo bílkovin. Na zvířatech už probíhají pokusy s dopravou léku přímo k nemocnému orgánu. Do jednotlivé trubičky se vloží medikament, jako víčko se použije plast rozpustný v těle a trubička se vpraví do krevního řečiště. Možná potrvá ještě pár měsíců nebo spíše let, než laureát Ceny Neuron pro mladé vědce za chemii dosáhne stejného výsledku jako Japonci při pokusech s hliníkem. Dalším cílem je zvětšovat plochu folií s nanotrubičkami. „Celkově bych to přirovnal k objevu nového typu motoru s mnohem menší spotřebou a větším výkonem. Než se začne montovat do aut, musí se vyrobit prototypy, proběhnout testy a pak na nové motory postavit továrnu,“ přibližuje současný stav svého výzkumu Jan Macák.