Ing. Ctirad Červinka, Ph.D. z Ústavu fyzikální chemie VŠCHT Praha získal jeden z grantů GAČR JUNIOR STAR se svým projektem Vývoj ab initio modelování pro neuspořádané molekulární polovodiče. V rozhovoru vysvětluje cíl a širší souvislosti svého výzkumu.
Kde začala vaše cesta k chemii?
Začátek lze jednoznačně vystopovat na letních odborných soustředěních na Běstvině, kterých jsem se jako středoškolák opakovaně účastnil. Entuziasmus mých tehdejších mentorů (dnes již profesora Slavíčka a doktora Holzhausera) a nezaměnitelná atmosféra chemického tábora ve mně vzbudily nadšení pro další vzdělávání se v chemii na vysoké škole. Nastoupil jsem proto na VŠCHT na obor Chemie, díky kterému jsem získal široký přehled o různých chemických disciplínách. Protože mě zajímaly interakce mezi molekulami a jejich souvislost s makroskopickým chováním hmoty, k dalšímu studiu jsem si vybral fyzikální a výpočetní chemii. Záhy jsem začal pracovat ve skupině profesora Fulema, který mě zasvětil do říše termodynamiky, fázového chování materiálů a světa základního výzkumu vůbec. Zapojil mě do svých grantových projektů, ale zároveň mi poskytl velkou studijní volnost a podmínky učit se modelovat termodynamické vlastnosti různých forem hmoty. Postupem času jsem si oblíbil zejména oblast modelování koheze molekulárních krystalů, což se stalo i tématem mého doktorského studia na VŠCHT.
Studoval jste i za hranicemi, ovlivnilo to nějak vaše profesní směřování?
Během doktorátu jsem vyrazil na studijní stáže do Cách a do Clermont-Ferrand, kde jsem měl možnost nahlédnout, jak funguje akademická komunita na tradičních západních univerzitách. Pozitivní přístup a ochota sdílet veliké know-how mých tehdejších zahraničních vedoucích v oblastech teoretické chemie a molekulárních simulací povzbudily mé myšlenky na akademickou dráhu. Ihned po obhájení doktorátu jsem se rozhodl vrátit do Clermont-Ferrand na postdoktorský výzkumný pobyt, kde do mě profesorka Costa Gomes a profesor Pádua vložili velkou důvěru a nabídli mi práci na jejich průlomovém projektu modelování porézních iontových kapalin. Jejich důvěru jsem, myslím, nezklamal, což mi dodalo odvahu vyrazit na ještě větší životní dobrodružství. Fulbrightova komise mi umožnila strávit téměř celý jeden báječný rok v kalifornském Riverside, kde jsem spolupracoval s profesorem Beranem, jedním z největších světových odborníků v oblasti kvantově-chemického modelování elektronové struktury a spektroskopických vlastností molekulárních krystalů. Dobré vzpomínky na dobu studia a silné vazby k domovu mě potom přivedly zpět na VŠCHT, kde jsem před lety získal pozici odborného asistenta na Ústavu fyzikální chemie.
Co se dělo po návratu na domovskou půdu?
Začal jsem se intenzivně zabývat vývojem výpočetní metodologie pro ab initio predikce polymorfismu, tedy existence různých krystalových forem aktivních farmaceutických materiálů a sublimace krystalů iontových kapalin. K těmto tématům výzkumu se mi podařilo získat první grantové projekty a také postupně přitáhnout několik studentek a studentů se zájmem o výpočetní chemii. Díky tomu mohu mít pocit, že má práce má smysl a že je zajímavá také pro někoho jiného než jen pro mě.
Co pro váš projekt znamená GAČR JUNIOR STAR grant, který jste teď získal?
V českém prostředí nelze spoléhat pouze na institucionální financování, pokud člověk chce vybudovat výzkumnou skupinu s významem přesahujícím naši zemi. To platí jak z hlediska financování provozu a investic nutných pro výzkum, tak z hlediska osobních nákladů. Současné tarifní mzdy na naší škole jsou astronomicky vzdálené jakékoli kompetitivnosti i jen na českém pracovním trhu. Je-li člověk tak trochu srdcař, může se s tím ještě sám vyrovnat. Nicméně chceme-li vůbec mít šanci oslovit mladé kvalifikované a motivované pracovníky, než zmizí v zahraničí nebo v soukromém sektoru, nezbývá nám zajistit si pro ně financování pomocí grantových projektů s delší perspektivou.
Úspěch v takové soutěži přináší skupině finanční stabilitu a na určitou dobu oproštění od neustálého sepisování grantových návrhů. Moje první volba logicky padla na velmi kompetitivní a prestižní evropské granty ERC. Téměř roční práce bohužel nepřinesla okamžitou odměnu. Nicméně tento proces, zahrnující fáze prvotního nadšení, následného zklamání, poučení se a přepracování původního návrhu, nyní hodnotím jako klíčový pro nynější úspěch v soutěži o český grant Junior Star.
Prostředí, v němž se mladý začínající vědec či vědkyně, kteří by měli plnit roli živitele rodiny, musí každý rok či dva stresovat tím, zda uspěje v grantové soutěži, kde je čistě statisticky šance na úspěch často menší než 15 %, není příliš inspirativní a nepodporuje tvůrčí myšlenky vedoucí k průlomovým objevům. V tomto kontextu si úspěchu v soutěži Junior Star nesmírně vážím a beru ho jako velikou zodpovědnost směrem k poskytovateli dotace, celému mému týmu i řadovému daňovému poplatníkovi.
Co nám přinese vývoj ab initio simulačních metod?
V názvu projektu jsem vypíchl vývoj ab initio simulačních metod pro popis amorfních fází molekulárních materiálů, tedy kapalin nebo skel. Existující výpočetní simulační metody jsou v principu aplikovatelné pro simulace krystalů, kapalin i plynů. Chceme-li se ale vydat cestou ryzí predikce makroskopických vlastností materiálů, v mých očích bychom se měli spoléhat pouze na kvantově-chemické postuláty a minimalizovat množství empirické informace vstupující do našeho modelu. Soudobá výpočetní technika nám umožňuje velmi účinně studovat z pohledu kvantové chemie plynné a krystalické skupenství díky praktické absenci molekulárních interakcí, respektive díky dobře definované pravidelné struktuře. Na amorfních fázích si kvantová chemie stále více či méně láme zuby, protože není úplně jednoduché ani levné z prvních principů vytvořit dostatečně veliký molekulární chaos, rozhýbat ho, a ještě navíc ho udržet tak dlouho, abychom se o takovém systému stihli něco dozvědět.
Proč je to důležité?
Chceme-li simulovat vlastnosti amorfních systémů, nebo i jen krystalů velikých molekul, často se musíme zříci kvantově-chemických nástrojů a spokojit se se semiempirickými přístupy nebo modely založenými na klasické fyzice. Tím sice dramaticky snížíme výpočetní náročnost našich simulací, ale zároveň se tím ochudíme o velmi cenné atributy kvantového přístupu. Tím myslím prakticky neomezenou přenositelnost výpočetních metod na různé materiály a nesmírnou prediktivní sílu výpočtů, které jsou prakticky nezávislé na empirických vstupech. V říši klasických molekulárních simulací vždy začínáme od empirického modelu silového pole, který pro nás musí někdo (nebo my sami) vytvořit. Protože se snažíme použít omezený počet parametrů popisujících náš systém, běžně se v klasických simulacích vystavujeme riziku ztráty detailního vhledu na jednotlivá interakční místa na povrchu molekul. Tyto všechny skutečnosti stály na počátku mého přemýšlení o sestavení projektu, který by cílil na vývoj výpočetně proveditelných kvantově-chemických molekulárních simulací pro amorfní molekulární materiály, jako jsou kapaliny, skla, ale i jejich krystalické protějšky a jejich vzájemné transformace.
Kde například by se mohla nová metodika využít?
Projekt by měl přinést efektivní výpočetní metodiku, v níž se snoubí pokročilé metody kvantové chemie pro popis molekulárních interakcí, náhodné procesy ve formě Monte Carlo simulací a fragmentace velkého souboru chaoticky rozmístěných molekul na menší molekulární klastry. Zatímco ab initio metody přinesou dostatečnou přesnost a zajistí širokou aplikovatelnost takových simulací, rozklad složitého problému na sadu jednodušších umožní naplno těžit z moderní vysoce paralelní výpočetní architektury.
Ve vývoji nových formulací farmakochemikálií je vyvíjeno velké úsilí, jak zvýšit rozpustnost ve vodě pro velmi nepolární molekuly, typické pro mnohá léčiva. Amorfní pevné fáze se díky termodynamickým pravidlům vždy lépe rozpouští než jejich krystalické alternativy. Druhou ilustrací, která byla v grantovém návrhu ještě více zdůrazněna, je nutnost studovat amorfní fáze mnohých organických molekul vystupujících jako polovodiče z důvodu omezené schopnosti takových velkých molekul krystalizovat. Elektronické součástky často využívají tenké filmy těchto aktivních substancí, které se dokážou uspořádat maximálně do nějaké přechodné semikrystalické nebo jen čistě amorfní struktury. Tyto aplikace, myslím, dobře ilustrují potřebu spolehlivě modelovat i vlastnosti amorfních forem molekulárních materiálů.
Molekulární materiály se vyznačují svou extrémní ochotou existovat v mnoha modifikacích krystalické i amorfní povahy. Tyto jednotlivé formy se zároveň často dosti liší ve svých vlastnostech. Tím mám na mysli třeba různou elektrickou vodivost jednotlivých forem určité organické látky s potenciálem chovat se jako polovodič nebo různou rozpustnost polymorfů nějaké aktivní farmaceutické substance. Pro danou vysněnou aplikaci pak chceme vybrat tu formu materiálu, která vykazuje optimální vlastnosti a je stabilní po dostatečně dlouhou dobu. Protože experimentální vývoj metodou pokus – omyl je poněkud drahý a zdlouhavý, materiáloví inženýři by velmi rádi slyšeli od výpočetních chemiků, jaké mají být podmínky pro přípravu jejich kýžené formy daného materiálu a jak s ní mají nakládat. Případně alespoň nějaké srovnání stability a vlastností podobných modifikací jedné chemické látky. A teď si představte, že většina kvantově-chemických simulací stále přináší výstupy typu, že vodní led se potápí v kapalné vodě, což je v rozporu s poznatky nabývanými většinou laické populace již v mateřské škole. I takto banální problém je tedy stále obtížně řešitelný soudobými nástroji. Porovnání dvou podobných forem téže látky totiž trpí prokletím výpočetní chemie, totiž prováděním velmi přesných rozdílů poněkud nepřesně spočítaných hodnot nějaké veličiny, jako je hustota, entropie či elektrická vodivost. Pokud se tedy mojí skupině podaří přesně popsat interakce v chaotickém klubku molekul, imitujícím třeba zrnko amorfního léčiva nebo vrstvu polovodiče v optoelektronickém zařízení, měli bychom získat robustní výpočetní nástroj pro predikce vlastností molekulárních materiálů, který by byl velmi užitečný v mnoha oblastech materiálového výzkumu. Klíčové bude vyvarovat se takových selhání, která se po dlouhé roky v komunitě výpočetních chemiků dostavovala v případě vodního ledu.
Co tenhle výzkum potřebuje za tým?
Projekt je dimenzován na zapojení jednoho post-doktorského spolupracovníka, zhruba čtyř doktorandů a několika pregraduálních studentů. Jednotliví členové by měli umět pracovat v týmu tak, aby na sebe jednotlivé výzkumné úkoly hladce navazovaly. Pozitivní týmový duch a sounáležitost řešitelského kolektivu by v každém členovi týmu měl zároveň vyvolat motivaci a zodpovědnost za svou vlastní práci, podobně jako v kolektivních sportech. Klíčovým atributem fungujícího týmu je pro zajištění dlouhodobé kontinuity i sdílení dovedností staršími členy týmu směrem k těm mladším.
Podařilo se vám takové lidi najít?
Kostra týmu vznikla poměrně rychle díky mé předchozí výzkumné a pedagogické činnosti na VŠCHT. Mohl jsem tak okamžitě nabídnout pracovní zapojení stávajícím doktorandům a blízkým spolupracovníkům. V současné chvíli hledám zejména dva doktorské studenty či studentky se zájmem o výpočetní chemii a modelování molekulárních interakcí a makroskopických vlastností molekulárních materiálů. Tito by se od letošního září chopili dosud neobsazených dílčích oblastí projektu, které se týkají například využití strojového učení pro popis interakcí velkých molekul nebo zabudování prvních principů do Monte Carlo simulací fázových rovnovah. Vítáni budou průběžně i magisterští a bakalářští studenti, neboť účast na takovém dlouhodobém projektu podle mě představuje skvělou příležitost, jak si rozšířit obzory v oblasti výpočetní chemie a udělat si obrázek, kterým směrem se třeba později v kariéře vydat. Od každého studenta očekávám zájem o to se něco naučit, od těch starších i motivaci a vůli usilovně pracovat na zadaném úkolu a společnými silami vytyčené cíle zvládnout.
Máte představu, kam bude vaše vědecká cesta směřovat dál?
Dnes si myslím, že ještě nějakou dobu zůstanu věrný pronásledování mezimolekulárních interakcí v materiálech. Minimálně asi do doby, než se stanou komerčně dostupné kvantové počítače a jaderná fúze. Pak bychom měli k dispozici tolik výpočetního výkonu i energie k provádění výpočtů, že si ani neumím představit, co by se vlastně stalo náplní výpočetních chemiků. Trochu vážněji, delší dobu jsem se zabýval molekulárními krystaly ve farmaceutickém kontextu. Nový projekt by mě měl zavést více do světa organických polovodičů, ale třeba vymyslíme ještě jiné zajímavé aplikace. Nechť je toto další hozená rukavice pro náš tým.
