Materiálový výzkum mě vždycky fascinoval

V čem spočívají environmentální benefity vašich materiálů?

Hlavním rozdílem mezi MOC a běžně užívaným portlandským cementem je energetická náročnost a s ní spojená zátěž v podobě emisí skleníkových plynů. Základem portlandského cementu je oxid vápenatý, který se připravuje kalcinací vápence za teplot v rozmezí 900 – 1200 °C. Pro slinutí portlandského cementu je navíc třeba dosáhnout teplot až 1450 °C. Oba tyto děje jsou energeticky velmi náročné. Pro produkci MOC se využívá kaustický oxid hořečnatý, který se připravuje kalcinací magnezitu za výrazně nižších teplot, na kalcinaci dostačuje teplota 700 °C. MOC fáze následně vznikají za pokojové teploty reakcí s roztokem chloridu hořečnatého. Připravené kompozitní MOC materiály mají navíc schopnost zachytávat oxid uhličitý ze vzduchu. Dále je možné do těchto materiálů aplikovat plniva z původně odpadních materiálů, což je také předmětem výzkumu navrženého projektu. Materiály na bázi MOC lze tedy považovat za CO2 neutrální, nicméně stále existují překážky pro jejich široké využití v praxi.

Můžete být trošku konkrétnější?

Existují dva hlavní faktory, kvůli kterým tyto materiály nejsou široce využívány. Prvním jsou vyšší náklady v porovnání s náklady na výrobu portlandského cementu, což je způsobeno výrazně vyšší cenou magnezitu oproti vápenci. Druhým faktorem je zejména špatná odolnost těchto materiálů vůči vodě, což se projevuje v rychlé degradaci mechanických vlastností. V rámci projektu bude této problematice věnována pozornost. Předběžné výsledky potvrdily, že například materiály na bázi oxidů grafenu nebo uhlíkové nanotrubice již v malém množství výrazně zlepšují odolnost vůči vodě. Námi navržené řešení spočívá ve využití kombinací různých uhlíkových nanomateriálů a vybraných druhotných odpadních plniv v matrici kompozitních materiálů tak, aby byly získány vysoce pevné a voděodolné kompozity.

O jaká plniva se například jedná?

Jedná se například o popílek, popel z biomasy, čistírenské kaly, plastové agregáty, keramický a porcelánový odpad či stavební odpad. Důraz bude kladen na to, aby byly vyzkoušeny a aplikovány reálné odpady vznikající v průmyslové výrobě. Na základě předchozí spolupráce s průmyslovými partnery je zajištěno dostatečné množství různých odpadních surovin, které budou v projektu testovány. Snahou bude aplikovat plniva v co největším množství tak, aby zároveň nedocházelo ke zhoršení materiálových vlastností připravených kompozitů.

Proč je důležité jejich využití v co největším množství?

Čím více plniv bude výsledný materiál obsahovat, tím méně výchozích nerostných surovin bude pro přípravu kompozitů zapotřebí. Zároveň bude možné zužitkovat větší množství odpadního materiálu, který by jinak skončil na skládkách. Ve výsledku tak dojde k významnému snížení nákladů na přípravu těchto kompozitních materiálů při současném snížení ekologické zátěže spojené s jejich výrobou.

Jak jste došel k této myšlence?

Myšlenka využití odpadních surovin ve stavebnictví není nikterak nová či přelomová. V současnosti se přípravou ekologických stavebních materiálů zabývá relativně velké množství výzkumných pracovišť po celém světě. Náš projekt je unikátní zejména v aplikování kombinací různých dvoudimenzionálních uhlíkových nanomateriálů v MOC kompozitech, což povede ke komplexnímu vylepšení jednak mechanických vlastností, ale především odolnosti materiálu vůči vodě. Námi navržené kompozity budou navíc koncipovány tak, aby byly zcela recyklovatelné, a součástí projektu bude i vývoj vhodných recyklačních technologií.

Můžete specifikovat principy recyklovatelnosti i recyklačních technologií?

V projektu jsou nastíněny dva základní postupy recyklace. První, „termická“ metoda zahrnuje opětovnou kalcinaci MOC materiálů. Během tohoto procesu vznikne materiál bohatý na oxid hořečnatý, který bude možné použít pro přípravu další generace MOC kompozitů. Druhá, „mechanická“ metoda bude založena na mletí MOC kompozitů na konci své životnosti a jejich následné aplikaci ve formě plniv. Pokud se obě tyto metody osvědčí, bude možné připravit kompozit, který bude připraven ze 100 % z recyklovaných materiálů či odpadních surovin. Zároveň lze očekávat i snížení ceny těchto materiálů, což umožní jejich větší rozšíření do praxe.

Co pro vás a vaši výzkumnou skupinu zisk grantu JUNIOR STAR znamená?

Úspěch v této výzvě znamená opravdu hodně, zejména po neúspěchu v grantové soutěži ERC Starting Grant, kdy podobně koncipovaný projekt skončil těsně pod čarou. Projekty, které jsem jako hlavní řešitel doposud získal, byly většinou dvouleté nebo tříleté. Takové projekty neumožňují zabývat se studovanou problematikou do hloubky, zejména pokud se vlastnosti připravených materiálů studují v závislosti na čase v delším časovém období. Pětiletý projekt nám umožní věnovat se problematice systematicky od přípravy a charakterizace vybraných nanomateriálů přes výběr nejvhodnějších plniv až po návrh vysoce hodnotných kompozitů, včetně jejich následné recyklace. Pro řešení takového velkého projektu je ale třeba i dostatek vhodných laboratorních prostor, současné prostory rozhodně neumožňují realizaci v plánovaném rozsahu. Problém nyní vedení školy intenzivně řeší a já mohu jen doufat, že se podaří vhodné prostory sehnat co nejdříve.

Jakými dalšími výzkumnými tématy se zabýváte?

V současnosti realizujeme projekt TAČR Theta, který je zaměřen na vysokoteplotní oxidové supravodiče na bázi směsných oxidů mědi. Ve spolupráci s firmou CAN Superconductors se zabýváme vývojem jednodoménových krystalů s řízenou mikrostrukturou pro aplikace v energetice. V minulém roce také skončil projekt GAČR zabývající se kyslíkovou nestechiometrií a studiem fázových rovnovah v systémech Bi-Ca-Co-O a Bi-Sr-Co-O a také projekt TAČR Zéta, ve kterém byly ve spolupráci s OPV s.r.o. vyvinuty kompozitní filtry pro dekontaminace odpadních vod. Nyní také připravujeme velké projekty v rámci výzvy OP JAK, kde se v případě úspěchu bude moje skupina zabývat například recyklací baterií, slitinami s vysokou entropií, či 3D tiskem silikátových materiálů.

Proč jste se ve své výzkumné kariéře rozhodl pro anorganické materiály?

Materiálový výzkum mě vždy fascinoval. Celý můj profesní život je úzce spjatý s ústavem anorganické chemie na VŠCHT. Výzkumem anorganických materiálů se tedy zabývám od počátků svého studia, kdy mi profesor David Sedmidubský nabídl možnost zapojit se do řešení jeho projektů. Tehdy jsem se začal věnovat studiu termoelektrických vlastností směsných oxidů kobaltu a postupem času se přidávala další výzkumná témata. Nejedná se pouze o anorganické materiály, výzkum také zahrnuje analytickou chemii, nanomateriály, teoretickou chemii, fyziku, fyzikální chemii či stavební inženýrství. I podpořený projekt JUNIOR STAR je projektem multidisciplinárním.

Po skončení doktorského studia na VŠCHT jste absolvoval několik stáží na univerzitě v německém Freibergu. V čem se pobyty tam lišily od toho, nač jste zvyklý z ČR?

Stáže na technické univerzitě ve Freibergu byly pro mě rozhodně velkým přínosem. Ústav keramiky, žárovzdorných a kompozitních materiálů, kde jsem se podílel na práci na projektu CRC 920, poskytuje velmi tvůrčí a stimulující prostředí. Během stáží jsem získal nejen nové znalosti a zkušenosti, ale poznal jsem i spoustu skvělých lidí. Hlavní rozdíl v porovnání s ČR je asi ve způsobu financování výzkumných projektů. Dvanáctiletý projekt, na kterém jsem pracoval, s rozpočtem cca 30 mil. EUR dává prostor pro naprosto detailní výzkum dané oblasti, přičemž narůstá reálná šance, že bude objeveno něco zásadního nebo přelomového. U nás je velkých projektů nedostatek, a pokud už jsou takové projekty vypsány, bývají nastaveny na krátkou dobu realizace. Např. u současných projektů OP JAK s rozpočtem cca 20 mil. EUR se dotace rozdělí mezi několik institucí a doba realizace je pouhé čtyři roky. Dalším rozdílem je míra úspěšnosti podpory projektů. Zatímco v Německu je tato míra často více než 30 %, tak u nás je daleko nižší. Např. u projektů JUNIOR STAR 2022 byla úspěšnost pouhých 5 %. Smyslem těchto projektů by měla být motivace mladých vědeckých pracovníků založit si vlastní skupinu, výsledkem je však často deziluze navrhovatelů, kdy i špičkové projekty s velmi dobrým hodnocením nejsou nakonec podpořeny. Dalším rozdílem je, že akademičtí zaměstnanci i výzkumní pracovníci mají v porovnání s VŠCHT daleko vyšší tarifní mzdy, zároveň jsou ve Freibergu výrazně nižší náklady na život v porovnání s Prahou. Lidé tam tak nemusí řešit „naše“ starosti, jestli bude z čeho zaplatit nájem či hypotéku.

Váš postup akademickou kariérou je poměrně rychlý, ve svých 35 letech budete jmenován profesorem, v minulosti jste získal nejedno ocenění, nyní vás čeká řešení prestižního grantu. Jaký je váš recept na úspěch?

Jednak jsem zvyklý a ochotný docela dost pracovat, jednak jsem se naučil efektivně vést a koordinovat skupinu svých spolupracovníků. Víc bych v tom asi nehledal. Měl jsem také štěstí, že jsem se mohl zapojit do výzkumu právě na Ústavu anorganické chemie, což je bezesporu nevýkonnější ústav na VŠCHT a poskytuje inspirativní a motivující prostředí pro základní výzkum. Zároveň si velmi dobře uvědomuji, že veškeré dosažené výsledky jsou vždy zásluhou celého týmu a bez pomoci mých studentů a spolupracovníků by nebylo možné takovýchto výsledků dosáhnout. Rok 2022 byl pro mě velmi náročný. S vědomím toho, že mi dva projekty budou končit, jsem strávil velkou část roku právě podáváním projektů nových, abych zajistil dostatek financí pro svoji skupinu. V rámci výzev GAČR jsem pracoval na přípravě pěti projektů současně, což bylo velmi vysilující. V této souvislosti bych chtěl poděkovat zejména inženýrce Anně-Marii Lauermannové. Prokázala nejen obrovské úsilí při přípravě podpořeného projektu JUNIOR STAR, přispěla také několika velmi zajímavými nápady, kterými se budeme v rámci projektu zabývat. Dále bych chtěl poděkovat profesorovi Davidovi Sedmidubskému i kolegům z ČVUT (profesor Pavlík a profesorka Pavlíková) za jejich cenné rady. V neposlední řadě chci poděkovat Craigovi A. Riddellovi za korekce angličtiny i zahraničním partnerům zapojeným do projektu. Společným silami se nám podařilo uspět v grantové soutěži, ale to hlavní nás nyní teprve čeká. V následujících pěti letech se pokusíme navrhnout zcela nové kompozitní materiály pro speciální aplikace ve stavebnictví. Úspěšné řešení tohoto projektu bude mít nepochybně velmi pozitivní dopad na výzkum v oblasti designu udržitelných stavebních materiálů, což povede ke snížení zátěže na životní prostředí spojené se stavebním průmyslem.