Mgr. Tomáš Mančal, Ph.D.

Držitel Neuron Impulsu 2014

Když se fyzik inspiruje přírodou.

Suchý zip je vynález inspirovaný zahnutými bodlinami na semenech lopuchu. Železobeton má zase předobraz v nosné konstrukci jednoho druhu kaktusu. Příroda se stala sudičkou také v projektu, na který fyzik Tomáš Mančal získal Neuron Impuls od Nadačního fondu Neuron.

Chcete napodobit pozoruhodnou schopnost rostlin a bakterií, které dokáží téměř stoprocentně využít sluneční energii. Jak jste na takový nápad přišel?
Dlouhodobě teoreticky zkoumám rostlinné a bakteriální anténní systémy pro sběr a přenos světelné energie. Běžně je součástí našeho oboru také zkoumání možností, jak tyto systémy napodobit.

Jak toho chcete dosáhnout?
Znalosti, které máme o bakteriích, přeneseme do vhodného umělého systému.

Proč se nesnažíte rovnou napodobit postup používaný bakteriemi? Ten je přece přírodou ověřený.
Přírodní systémy podléhají na slunci rychlé degeneraci. Rostliny vystavené plnému slunečnímu svitu záměrně omezují fotosyntézu, protože kdyby to neudělaly, tak se příliš vybudí a chlorofyl by například začal interagovat s agresivním kyslíkem. Fotosyntéza dosahuje nejvyšší účinnosti, když je pod mrakem. Ale pokud má systém vyrábět například elektřinu, musí fungovat co nejúčinněji právě za plného slunečního světla, kdy jsou podmínky k produkci energie nejvhodnější.

Na jakém principu bude umělý systém pracovat?
Vyjdeme z materiálu, kterému se říká fluorografen. V něm je na každý atom uhlíku navěšen atom fluoru a tento materiál je průhledný pro téměř celé sluneční spektrum. Když v tomto materiálu odebereme některým uhlíkům fluory, vzniknou miniaturní ostrůvky grafenu, které se díky kvantové mechanice chovají jako molekuly o podobné velikosti. To znamená, že ostrůvky například absorbují světlo ve spektru, které fluorografen nedokáže zachytit. Změnou velikostí ostrůvků lze určit, jaké světlo se bude absorbovat. To už je první krok k anténě. Organizací ostrůvků do skupin lze modelovat strukturu přírodních antén. Funguje to zhruba tak, že dopadající světlo rozkmitá elektrony v grafenových ostrůvcích, jejich kmity poznají i sousední ostrůvky, a jelikož jsou spolu svázané, vzniknou nové frekvence. V takto upraveném fluorografenu lze ladit interakce mezi ostrůvky i vlnové délky, na kterých se absorbuje světlo. Navíc ostrůvky můžete uspořádat tak, aby vznikl tzv. energetický trychtýř. Ten posbírá všechno světlo v okolí a odvede fotony do jediného místa. Tam pak přidáte molekulu, která ochotně odevzdává svůj elektron, např. fuleren, který ochotně odevzdává svůj elektron a jejich tokem vzniká elektrický proud.

To, co jste popsal, probíhá na úrovni výpočtů a numerických modelů. Jak víte, že jsou správné?
S kolegy ze Svobodné univerzity v Amsterdamu připravujeme experimenty, které ověří, zda všechno proběhne podle našich propočtů.

Najdou výsledky vašeho základního výzkumu uplatnění v praxi?
Obecně řečeno, doufáme, že naše poznatky budou využitelné k vývoji nových, levných a hlavně čistých zdrojů energie. Pokud se naše předpoklady potvrdí, mohly by informace ze základního výzkumu přispět k vývoji fotovoltaických článků, které využijí sluneční záření mnohem účinněji, než dosavadní typy na bázi křemíku. Ale nemusíme směřovat nutně k fotovoltaice. Procesy, které zkoumáme, mohou najít uplatnění také při vývoji výhodnější výroby paliv. Například syntéze alkoholu, který lze na rozdíl od elektrické energie velmi dobře skladovat.
Musím však zdůraznit, že zatím je směr našeho výzkumu daný jen v hrubém nástinu, protože sami nevíme, kam nás bádání zavede. Základní myšlenka projektu je jasná. Teoreticky, a poté i prakticky, vyzkoušet převedení principů přírodní fotosyntézy do umělého systému s využitím fluorografenu.

Text a foto: Josef Matyáš



Napsali o něm:

Mgr. Tomáš Mančal, Ph.D.

(* 1974) Magisterský titul obhájil v oboru fyzika na Univerzitě Karlově v roce 1997, titul Ph.D. získal na Humboldt-Universität v Berlíně v roce 2002. Zde také v letech 1998 až 2002 pracoval, poté působil do roku 2006 na University of California v Berkeley. Od roku 2007 je vědeckým pracovníkem Teoretického oddělení Fyzikálního ústavu MFF UK. V roce 2014 pracoval šest měsíců jako hostující profesor na Fakultě přírodních věd a astronomie na Vrije Universiteit Amsterdam.