prof. RNDr. Petr Slavíček, Ph.D.

Laureát Ceny Neuron pro mladé vědce za rok 2016

Petr Slavíček získává detailní pohled na ultrarychlé děje v molekulách. Za přínos oboru získal Cenu Neuron pro mladé vědce 2016 a spolu s ní osobní prémii 250 tisíc korun.

Chemická laboratoř se stěhuje do počítačů

Botanik v 19. století pozoroval a poznával přírodu. Přesně totéž dělá profesor Petr Slavíček ve světě molekul. Místo mikroskopu a síťky na motýly používá rovnice kvantové teorie a počítač. Získává detailní pohled na ultrarychlé děje, které v molekulách vyvolává vhodně zvolené světlo nebo rentgenové záření. Je spoluautorem světového objevu, že molekuly v kapalinách si předávají energii zcela novou formou. Nyní získal Cenu Neuron pro mladé vědce v oboru chemie.

Ve zdůvodnění ceny se uvádí, že zkoumáte, jak lze pomocí vhodně zvoleného záření řídit hmotu. To zní dost fantasticky. Jak si to mám představit?
S nástupem laseru a dalších optických technologií se fyzikové naučili ovládat záření do neskutečných detailů. Pomocí vhodně zvoleného záření je pak možné ovládat molekuly. Je například možné vytvářet velmi krátké pulsy, trvající třeba jen dobu, za jakou oběhne elektron jádro atomu. Laserové paprsky lze zaměřit a měnit jejich energii. Můžeme vyslat pouze jeden foton nebo i několik najednou, umíme usměrnit velice slabé či silné záření a rozpoznat jeho účinky. Jsme schopni vybrat molekulu, kterou chceme transformovat, nebo do ní uložit velké množství energie. To dává chemikům ohromné možnosti.

Zkuste váš výzkum přiblížit laikovi....
V poslední době se zaměřuji zejména na děje vyvolané zářením či světlem o velmi vysoké energii. Normální fotony, které na nás dopadají ze Slunce, mají energii pouze několika elektronvoltů. Fotony rentgenova záření s sebou nesou energii stonásobnou či tisícinásobnou. Je to pro molekulu obrovský náraz. Doposud se předpokládalo, že molekuly se zbavují tak velkého množství energie samy hlavně tzv. Augerovým rozpadem, v molekule se přeuspořádá elektronová struktura a vyletí z ní rychlé elektrony odnášející přebytečnou energii. My jsme kvantově-mechanickými simulacemi zjistili, že molekuly vybuzené rentgenovým zářením si mohou vyměňovat energii se sousedními molekulami. Například ve vodě po ozáření dochází k extrémně rychlé výměně protonů. To znamená, že zasažená molekula vody si vyměňuje se sousedkami nejen energii, ale také elektrický náboj i atomy.
Nejde o teoretický koncept. Máme štěstí, že můžeme spolupracovat se skvělou laboratoří Bernda Wintera, který pracuje na berlínském synchrotronu. Bernd vyvinul postup měření vyletujících elektronů z kapalin. Není to totiž vůbec jednoduché, takové měření vyžaduje vysoké vakuum, ale nad kádinkou s vodou je vždy fůra páry. Bernd Werner dokázal tento problém obejít použitím vodních paprsků mikroskopických rozměrů a produkuje řadu krásných výsledků, které naštěstí pro mě nedávají bez teoretické chemie smysl.

Jaký je přínos vašeho objevu?
Nyní víme, co se děje s molekulami vody okamžitě po zásahu rentgenovým zářením. Dalším přínosem výzkumu je fakt, že jsme našli nové typy reaktivních částic, se kterými současná radiační chemie nepočítala. Věřím přitom, že naše výsledky přispějí k vývoji nového typu spektroskopie, což umožní sledovat novým způsobem, jak se chovají kapaliny a rozpuštěné látky.

Daly by se vámi popsané děje použít i mimo chemii? Napadá mne oblast medicíny?
O chytrém využití laditelného rentgenového záření v medicíně se uvažuje dlouhou dobu a porozumění přenosu energie mezi molekulami zde naznačuje nové možnosti. Rentgenovým zářením můžeme dosti přesně uložit energii do konkrétních atomů. Je možné si představit, že takto bude možné například v určitém konkrétním místě těla uvolnit aktivní látku. Objev nového typu přenosu energie mezi molekulami může ale najít použití i v technologiích, energetické záření je zde zatím užíváno spíše méně.

Kromě molekul ve vodě se zabýváte chemií světla v atmosféře. Čím je pro vás tato oblast zajímavá?
Na nejvyšší vrstvu zemské atmosféry dopadají fotony vyzařované Sluncem, kosmické záření a další reaktivní částice, což nastartuje řadu chemických reakcí. Zároveň oceány, lesy či člověk vypouštějí do nejnižších vrstev atmosféry malé množství velmi důležitých molekul. Z hořícího pralesa stoupá celá drogerie látek, bouře na oceánu vyšle do vzduchu miliony kapiček s organickými látkami. Velmi významná část chemie atmosféry se tedy odehrává na aerosolech, mikronových částicích nebo na povrchu sněhových vloček. Nastávají tam velice zajímavé procesy a my jim zatím velice málo rozumíme. V naší laboratoři se snažíme modelovat fotochemické reakce na povrchu některých částic a atmosféra je pro tento výzkum ideální příklad.

Když už mluvíme o atmosféře, umíte předpovědět, jak se za dvacet, padesát let bude vyvíjet ozonová vrstva, která chrání naší planetu před škodlivým ultrafialovým zářením?
Pokud jde o ozonovou vrstvu, jsou existující modely docela kvalitní a zdá se, že správně predikují další vývoj. Když se v 80. letech zjistilo, že ozonová vrstva slábne, přijali politici Montrealský protokol a skončila výroba freonů. Modely ukazovaly, že situace se bude nějakou dobu po přijetí protokolu ještě zhoršovat, ale nyní má docházet k obratu. A opravdu se zdá, že nastává změna k lepšímu.

Věnujete se počítačové chemii a vaše „experimenty“ se odehrávají na obrazovce počítače. Přestane být chemie experimentální vědou?
To určitě ne, oba přístupy – modelování i experiment – se doplňují. Věřím ale, že k jisté virtualizaci bude docházet i v chemii například s nástupem robotických syntéz.

Nedávno se objevila zpráva, že řidiče aut už za několik let nahradí roboti. Nahradí roboti jednou i chemiky?
Chemik pořád bude potřeba. Představuji si ale, že třeba takový organický chemik bude sedět u počítače a navrhovat pokusy. Fyzickou práci za něho provedou roboti. Pokud je nutné něco smíchat, zahřát a poté analyzovat, je to do značné míry automatická práce a už nyní existují robotické systémy schopné během 24 hodin provést tisíce syntéz. Samozřejmě jde o postupy, kdy se jen mění teplota, katalyzátor a podobně, ale myslím, že významná část chemie se přesune do této robotické podoby. A člověk se znalostí počítačové chemie bude mít určitou výhodu, protože teoretický chemik je zvyklý pracovat s širokým záběrem, vždyť vyměnit molekulu v modelu skoro nic nestojí. Počítačová chemie a experimentální chemie tak bude nejspíše konvergovat.

Kdy podle vás nastane průlom a robotické pokusy se stanou běžně?
Jeden omšelý bonmot zní: „Je velmi těžké předvídat. Zejména budoucnost.“ Mohu tedy jen hádat. Průlom přijde v oblasti, kde stroj pracuje rychleji, přesněji a levněji než člověk. Často je třeba vyzkoušet velké množství různých kombinací. Například při hledání nových katalyzátorů či optimálního průběhu reakce vedoucí k určitému výsledku. To mohou dělat roboti a v současnosti se to již děje. Například v roce 2011 vyšel v časopisu Science článek, popisující, jak robot míchá různé substance, mění teploty a přidává katalyzátory. Vznikaly překvapivé produkty a okamžitě se optimalizovaly reakční postupy.
Obtížnější bude nahradit chemika jako molekulárního architekta, který vymýšlí cesty k přípravě nových sloučenin. Návrhy syntéz představují v současnosti vrcholně tvůrčí činnost, založenou na zkušenosti a bystré mysli chemika. I to se možná změní. Například britský projekt „Dial-a-molecule“ si klade za cíl vytvořit zařízení, které by syntetizovalo určitou molekulu na objednávku na základě strojově zpracovávaných zkušeností minulých generací chemiků. Není třeba zdůrazňovat, jak moc by tento koncept změnil celou chemii.

Vědci se snaží lépe porozumět přírodě. Co nám přinese její dokonalejší poznání? Pokusíme se přírodu měnit, efektivněji využívat, nebo s ní žít v souladu?
Snažíme se měnit přírodu v náš prospěch, ale ukazuje se, že to vždy nejde nejkratší cestou... Dobře to ukazuje příběh freonů používaných masově v chladicích zařízeních a hnací médium ve sprejích. V době svého objevu měly punc naprosto báječného média, které poslouží a přitom neuškodí. Dlouho trvalo, než se ukázalo, že freony škodí ozonové vrstvě. Objevili to úplně jiní badatelé, než ti, kteří vyvinuli freony jako skvělé inertní molekuly, se kterými je radost pracovat. Takže se snažíme porozumět přírodě a zároveň s ní žít v souladu, protože nám to přináší prospěch.

Text: Josef Matyáš

Zdůvodnění nominace – prof. Pavel Hobza, garant pro obor chemie:

„Prof. Slavíček vybudoval na VŠCHT Praha laboratoř teoretické fotodynamiky, kde studuje interakce záření s molekulami a materiály. Fyzikové se naučili ovládat světlo a záření v prostoru, v čase i v energii a tým Petra Slavíčka si klade otázku, jak lze pomocí vhodně zvoleného záření řídit hmotu. Cestou k zodpovězení jsou kvantové simulace, poskytující detailní pohled na ultrarychlé děje vybuzené v molekulách světlem. Oblast zájmu týmu profesora Slavíčka se tak nachází na rozhraní chemie, fyziky a počítačové vědy. K nejvýznamnějším vědeckým počinům Petra Slavíčka patří objev nové formy přenosu energie mezi molekulami, který by mohl být základem nového typu spektroskopie v kondenzované fázi. Neméně významným je i objev nových zdrojů reaktivních částic v atmosféře, nanokapiček a nanokrystalků. V rámci unikátní souhry mezi experimentem a teorií byla vyvinuta nová spektroskopická technika umožňující detailní analýzu velikostně rozlišených částic. Takto byl identifikován i nejmenší ledový nanokrystalek. Prof. Slavíček publikuje výsledky svých prací v nejprestižnějších vědeckých časopisech (Science, Nature Chemistry, Journal of the American Chemical Society nebo Accounts of Chemical Research) a také na zvaných přednáškách na významných mezinárodních konferencích a univerzitách. Na vědeckých projektech spolupracuje s předními zahraničními experimentálními i teoretickými laboratořemi.“

Napsali o něm:

Záznam povídání na Science Café Liberec (8. 11. 2016)