Ing. Martin Veselý, Ph.D. uspěl v soutěži GA ČR JUNIOR STAR 2023 s grantem „Na míru šité nízko-dimenzionální vrstevnaté materiály za hranicí grafenu a jejich využití v základním výzkumu heterogenních katalyzátorů“. Projekt je propojením jeho osobních zkušeností a pobytů na různých pracovištích VŠCHT Praha, Ústavu chemických procesů AV ČR a dvouletého zahraničního pobytu v Nizozemí.
Gratuluji k velkému úspěchu!
Děkuji. Ale není to jen můj úspěch, ale i úspěch všech mých spolupracovníků, kteří se mnou prováděli různá předběžná měření. Také bych projekt nemohl získat bez podporujícího, přátelského a stimulujícího prostředí ve škole i doma.
Slyšela jsem, že jste projekt podával napodruhé, je to pravda?
Ano. Vlastně jsem ho dokonce podával napotřetí. Toto úspěšné podání grantového návrhu vycházelo z grantové přihlášky Junior Star z roku 2021. Návrh byl sice výborně hodnocen, ale financován nebyl. Proto jsem ho zkusil podat ještě do třetice. Tentokrát ovšem s tím, že jsem do něj zakomponoval prvky FAIR principů a řízení vědeckého týmu tak, jak jsem si je připravil v taktéž neúspěšném podání projektu ERC StG.
Jak Junior Star ovlivní Váš život?
Doufám, že minimálně (smích). Ale teď vážně. Tento projekt mi umožnil významně rozšířit můj doposud malý tým. S tím je spojeno, že budu muset více věcí a povinností delegovat na své spolupracovníky a spolehnout se na jejich schopnosti a dovednosti. Doufám, že projekt mi umožní porozumět tomu, jak by mohly být nové 2D materiály použitelné v oblasti heterogenní katalýzy.
Jak jste se dostal k takto interdisciplinárnímu tématu?
Téma vyrůstá z mých rozličných zkušeností a dovedností, které jsem získal během svého vědeckého života, který byl relativně pestrý. Na začátku své kariéry jsem získal skvělou laboratorní průpravu v laboratoři prof. Svobody na Ústavu organické chemie. Nicméně v navazujícím magisterském studiu jsem přešel na Ústav chemických procesů AV ČR, kde jsem pod vedení Ing. Jiřičného a prof. Haniky získal náhled do technologických aspektů chemických reakcí, získal jsem zde první osobní zkušenosti s heterogenní katalýzou a s důležitostí rozličných výpočetních metod. Následně na doktorském studiu jsem se vrátil zpět na VŠCHT, i když tentokráte na Ústav organické technologie. Pod vedením doc. Čapka, který se mi velmi věnoval, jsem se především naučil kriticky nahlížet na svoje experimenty a výpočty simulací. Během doktorátu jsem se také naučil mnohým mikroskopickým a spektroskopickým technikám, jejichž aplikace jsem využil při studiu pracujících katalyzátorů během mé dvouleté postdoktorandské stáže na Univerzitě Utrecht ve skupině prof. Weckhuysena. Po svém návratu jsem začal přednášet předměty Katalýza a Technická katalýza a zároveň jsem začal spolupracovat s profesorem Soferem na tématech 2D materiálů, které mají dobře dostupný povrch – tedy místa, kde probíhají katalyzované reakce. Navíc je tento povrch přímo analyzovatelný i povrchovými a mikroskopickými technikami. To je ohromná výhoda oproti konvenčním porézním katalyzátorům, kde značná část povrchu je ukryta ve vnitřním porézním systému.
Proč za hranicí grafenu, jak máte vzletně napsáno v názvu grantu?
Grafen je etalon 2D materiálů, který spustil revoluci v materiálových vědách. Nicméně grafenem výzkum v 2D oblasti nekončí. Jednou z možností nových 2D materiálů jsou právě ty založené na křemíku a germaniu, které jsou na rozdíl od grafenu výrazně snadněji modifikovatelné. To znamená, že jejich vlastnosti jako přenos náboje či vodivost lze „šít“ na míru potřebným aplikacím. Pro náš projekt z toho vyplývá, že můžeme jemně ladit vlastnosti samotného 2D nosiče a sledovat vliv takových modifikací na pozorovanou katalytickou aktivitu.
Co je cílem Vašeho projektu!
Hlavním cílem projektu je pozorovat, pochopit a popsat vliv výše zmíněných modifikací 2D nosiče na katalytickou aktivitu. K tomu budeme zkoušet nové přístupy přípravy kovových nanočástic na povrchu 2D nosiče pomocí litografických metod. Na těchto speciálně připravených materiálech otestujeme sérii modelových heterogenně katalyzovaných reakcí. Naším cílem je sledovat, co se děje s takto vytvořeným katalyzátorem, když pracuje – tedy jak se mění jeho morfologie, struktura a i samotná katalytická aktivita v čase. K tomuto sledování využijeme přístupy korelativní spektro-mikroskopie, což znamená, že se snažíme získat maximum možné informace z jednoho stejného místa materiálu.
Jaké metody sledování zvolíte?
Pro charakterizaci struktury, morfologie či složení využijeme standardních technik jako jsou například SEM, TEM, AFM, Ramanova spektroskopie a další. Nestandardní bude naopak využití super-rezoluční fluorescenční mikroskopie, díky které můžeme sledovat jednotlivé reakční obraty na konkrétním místě materiálu. Nestanovujeme, jak nám mizí reaktanty z reakční směsi, ale sledujeme každý samostatný reakční obrat na povrchu katalyzátoru. A zde je opět velká výhoda 2D materiálu, že povrch není „schován“ někde v pórech, ale je touto metodou relativně snadno viditelný. Díky tomu lze získat prostorově a časově rozlišenou katalytickou aktivitu a tím i zjistit, jak se podílí nosič na této aktivitě a zda nosič nezprostředkovává nějakou informaci mezi jednotlivými aktivními centry. Pokud se nám tuto hypotézu podaří potvrdit, jednalo by se o velký výstup projektu, které by vedl k novým přístupům při návrhu heterogenního katalyzátoru. Prokázání této komunikace bude velmi náročné, a proto máme v projektu i záložní, více realistický výstup. Materiály na bázi křemíku a germania jdou syntetizovat i do formy kvantových teček, které se dají využít k zobrazení difuzivity v porézním systému konvenčních katalyzátorů. Metoda kvantových teček není nová, ale v současnosti se využívají tečky například na bázi kadmia, což jsou těžké kovy, které už nikdy nedokážeme dostat z materiálu zpět. Náhrada takových kvantových teček, za ty z k životnímu prostředí přívětivých, by tento typ analýz zatraktivnila.
Budete mít jednotlivé týmy na různé části projektu?
Týmy budou provázané, ale nebudou homogenní v rámci jednoho ústavu. Základ skupiny tvoří spolupracovníci z Ústavu organické technologie, ale do týmu patří i výzkumníci z Ústavu anorganické chemie a Ústavu biochemie a mikrobiologie. Podařilo se mi také navázat spolupráci s ETH Zurich, kde zkoušíme nejenom pozorovat aktivitu připravených katalyzátorů, tedy to, kolik reakčních obratů jsme schopni za jednotku času zjistit, ale díky jejich systému hrotem zesílené Ramanovy spektroskopie (TERS) jsme schopni zjistit i selektivitu těchto reakčních obratů.
Máte pro všechny dost místa?
Dost prostoru nemám. Zatím využíváme stávající prostory u kolegů, kteří jsou ke mně vstřícní a ochotní se se mnou o prostor podělit. Doufám, že v blízkém čase dostaneme k dispozici jak kancelářský, tak laboratorní prostor.
Co byste doporučil dalším žadatelům o granty?
Všem bych poradil dvě věci. Za prvé vytrvat a nezabalit svoji snahu o získání vlastního financování při prvním neúspěchu. Za druhé bych doporučil mít otevřenou mysl a sbírat podněty ze svého širšího okolí s cílem vytvořit alespoň částečně multidisciplinární projekt. Mladí výzkumníci by se neměli zavírat jen do své bubliny ve svém oboru a na svém pracovišti. Kdybych projekt napsal pouze jako přípravu nových materiálů, tak bych projekt pravděpodobně nezískal. Protože jsem však v projektu propojil nejen svoje různorodé zkušenosti, ale i touhu rozumět tomu, jaká je souvislost mezi tím, jak věci vypadají a jak fungují, se mi podařilo v grantové soutěži zaujmout.