V Centru HiLASE chceme posouvat hranice laserových technologií za jejich dosavadní hranice, hledat nové aplikace a přispívat k prosperitě české i evropské ekonomiky, každodennímu životu lidí a udržitelné budoucnosti. Snažíme se inspirovat novou generaci laserových vědců, inženýrů a podnikatelů.
V souladu s naší vizí jsme si jako jednu z nově definovaných strategických oblastí vybrali obor laserových nanotechnologií (LNT).
Laserové nanotechnologie jsou rychle se rozvíjejícím oborem na pomezí laserové vědy a nanoinženýrství a jsou obrovským příslibem revoluce v různých průmyslových odvětvích a proměny našeho technologického prostředí.
Hlavním garantem této oblasti je Prof. Nadezhda Bulgakova, Dr.Sc.; vedoucí oddělení Vědecké aplikace laserů. Nadyu jsme poprosili o rozhovor, ve kterém LNT představí.
Co je to laserová nanotechnologie a jak funguje?
Nanotechnologie je oblast vědy a techniky, která se zabývá navrhováním, přizpůsobováním a používáním struktur v reálných aplikacích za pomoci manipulace s atomy a molekulami v nanorozměrech, od několika po stovky nanometrů. Nanotechnologické výzkumy jsou v současné době velmi rychle se rozvíjející oblastí přírodních věd. Vlastnosti nanomateriálů se často zásadně liší od těch samých materiálů ve větších rozměrech, a to nabízí nové, dosud nevídané možnosti v současných aplikacích. Vývoj nanotechnologií má velký potenciál významně ovlivnit společnost, což je již patrné v některých průmyslových a biomedicínských odvětvích, jako je zpracování dat, komunikace a zvýšení funkčnosti počítačů. Již nyní se využívají v potravinářských a energetických technologiích a v některých lékařských výrobcích a kosmetice. Důležité je také to, že nanomateriály mohou díky svým mimořádným katalytickým a antibakteriálním vlastnostem nabídnout nové možnosti pro snížení znečištění životního prostředí.
Laserová nanotechnologie je součástí nanotechnologie, nabízí širší možnosti navrhování materiálů v nanorozměrech. Mohu zmínit alespoň několik z nich: vysokou selektivitu, jak jsme prokázali při laserovém žíhání nanovrstev germania v kombinaci germanium/křemíkem, vysokou lokalizaci nanostrukturních objektů nebo jejich strukturních přeměny, vysokou čistotu syntetizovaných nanomateriálů a použitelnost pro jakýkoli materiál. Všechny tyto možnosti nejsou v jiných nanotechnologických aplikacích, jako je chemická nebo mechanická výroba nanomateriálů, dosažitelné nebo jsou dosažitelné pouze nákladnými vícekrokovými metodami.
Při manipulaci s nanoobjekty tak můžete pracovat s laserovým paprskem jako s pinzetou nebo skalpelem v nanorozměrech, zatímco při syntéze nanomateriálů můžete rozbít jakýkoli materiál na atomy nebo molekuly a sestavit materiál s novými vlastnostmi (tomu se obvykle říká přístup “zdola nahoru”).
Jaké jsou aplikace laserové nanotechnologie?
Aplikace laserových nanotechnologií jsou široké a rychle se rozvíjejí. Důležité je, že lasery nabízejí ekologické způsoby syntézy nanomateriálů a manipulace s nimi, které se vyhýbají toxické chemii. Laserem syntetizované nanočástice jsou vhodné pro medicínu, zejména pro diagnostiku a léčbu rakoviny a také pro léčbu dalších, např. kardiovaskulárních, onemocnění. Nanomateriály připravené laserovou syntézou lze použít pro zvýšení rozlišení mikroskopie, identifikaci toxických komponent, léčiv, či virů v krvi, pro účely ochrany životního prostředí, jako je detekce a likvidace látek znečišťujících vodu.
Mohla bys nám prosím stručně vysvětlit témata, jako je pulzní laserová depozice 2D materiálů, syntéza 2D materiálů z kapalných prekurzorů laserovým žíháním, přímý laserový tisk 2D materiálů, funkcionalizace 2D materiálů, neinvazivní laserová teranostika, laserová chirurgie s laserovými paprsky na míru, či pulzní laserová výroba biokompatibilních rozhraní?
Dvourozměrné materiály dnes představují velmi širokou třídu materiálů. Jsou to vrstvy o tloušťce pouhého atomu, lze je kombinovat a jakákoli kombinace poskytuje nové vlastnosti, jako je extrémní elektrická vodivost, kombinace plazmonických a magnetických vlastností nebo zvýšená reakce na specifickou vlnovou délku laseru. Mohou sloužit jako stavební kameny pro mikroelektroniku a nanoelektroniku, pro použití v mobilních telefonech, detektorech a vysoce výkonných počítačích. Laserové světlo se používá k syntéze takových materiálů pomocí pulzní laserové depozice, kdy se velký kus materiálu rozbije na atomy a tyto atomy se nanesou na substrát, čímž se vytvoří pláty 2D materiálů. Máme několik vakuových komor, kde zkoumáme tento druh syntézy s cílem najít optimální podmínky pro co nejfunkčnější 2D materiály pro různé aplikace. Dalším způsobem může být laserová depozice 2D materiálů z kapalných prekurzorů, obvykle solí kovů; tato metoda je v naší laboratoři zatím na začátku vývoje, ale jak ukazuje dosavadní praxe, je velmi perspektivní. Jedním z problémů, který se v naší laboratoři řeší, je přesné umístění 2D materiálových listů pro tisk mikro-nanoelektronických zařízení. Dr. Goodfriend a Prof. Bulgakov vynalezli pro tyto účely přístroj, který je nyní chráněn patentem. Taková manipulace s pláty o tloušťce jednoho atomu je velmi žádaná v průmyslových odvětvích, která pracují na nových počítačových, komunikačních a snímacích aplikacích.
Dalším podstatným směrem našeho výzkumu pod vedením Dr. Ryabchikova je syntéza nových hybridních nanomateriálů složených z kovů a polovodičů, které by kombinovaly plazmonické a magnetické vlastnosti a zároveň byly pro lidský organismus nízce toxické. Takové nanočástice jsou nyní syntetizovány v naší laboratoři laserovou ablací ve vodě a mohou představovat nové způsoby neinvazivní diagnostiky a terapie, tzv. teranostiky, nádorových a kardiovaskulárních onemocnění s potlačenými vedlejšími účinky, i když pro zavedení takových metod do nemocnic je třeba vynaložit ještě mnoho úsilí. Věřím však, že jednoho dne se taková šetrná, neinvazivní a velmi účinná léčba stane skutečností.
Existuje několik neméně důležitých aplikací nanotechnologií, kde jsme díky laserům Centra HiLASE s jedinečnými parametry generování světla již dosáhli významného pokroku. Mohu zmínit selektivní a vysoce lokalizované laserové žíhání polovodičových nanovrstev a nanostrukturních materiálů a nanostrukturování povrchů různých materiálů, kde jsme rovněž získali evropský patent.
Na jaké téma se my, Centrum HiLASE, budeme soustředit nejvíce?
Na základě toho, co již bylo zmíněno, se tedy zaměříme především na 2D materiály a laserovou syntézu nanočástic s vývojem reálných aplikací, jako je výroba obvodů, senzorů a detektorů na bázi syntetizovaných materiálů. Dalším směrem, který nás nesmírně zajímá, je laserová teranostika a aplikace vyvinutých laserových technik pro problematiku životního prostředí s cílem vyčistit naši planetu.
Pokus se nastínit přínos pro společnost, životní prostředí a dopad na vědu a z druhé strany také dopad na samotné Centrum HiLASE.
Každý náš pokrok nebo objev v uvedených směrech výzkumu může být milníkem nejen pro vědu, ale i pro společnost. Jak již bylo zmíněno, naše úsilí může vést k novým pokročilým technologiím v oblasti výpočetní techniky, komunikace, snímání a léčby, které se postarají o to, aby byl lidský život lepší, bezpečnější a zdravější. Naším snem je přispět k lepší budoucnosti lidstva. Centrum HiLASE spojuje širokou škálu možností, počínaje vývojem laserů s rekordním výkonem a širokými parametry záření, silným inženýrským týmem a velkým vědeckým potenciálem. Laserové nanotechnologie se mohou stát jedním z pilířů udržitelnosti a viditelnosti Centra HiLASE ve světovém měřítku.
Jaká jsou současná omezení laserové nanotechnologie a jak je lze překonat?
Laserové nanotechnologie jsou relativně mladým oborem, stejně jako nanotechnologie samotné. Obrovské množství různých materiálů a široká škála laserových zdrojů nabízejí široký okruh možností, jak přizpůsobit nové materiály s novými vlastnostmi a nakonec je posunout k novým aplikacím, z nichž některé by dnes mohly být považovány za science fiction. Výzkumní pracovníci v oblasti nanotechnologií jsou jako krejčí. Je nesmírně důležité identifikovat nejslibnější materiály a nástroje pro jejich manipulaci a přizpůsobení, aby bylo možné předvídat možné konečné aplikace. K tomu je důležité mít široké a hluboké vzdělání, kombinující znalosti z různých oborů. Výchova mladé generace vědců, kteří by mohli úspěšně pracovat v oblasti nanotechnologií, a zejména v oblasti laserových nanotechnologií, je tedy cestou k pokroku v tomto oboru.
Jak lze laserové nanotechnologie využít v medicíně ke zlepšení diagnostiky a léčby?
Dobře, jednoduché vysvětlení může být následující. Nanočástice určitých materiálů, většinou kovů, jsou objekty, které vysoce absorbují laserové světlo určitých vlnových délek. Jsou-li vpraveny do těla a ozářeny jemným laserovým světlem, které nepálí lidské tkáně, zahřívají se velmi lokálně, každá v nanoměřítku, a ničí tak tkáně o nanorozměrech. Tímto způsobem lze zničit rakovinné buňky nebo trombózy bez krvácení, což je neinvazivní způsob. Hlavním směrem je zde syntéza nanomateriálů, které nejsou toxické a kombinovaly by silné plazmonické, magnetické a optické vlastnosti. Jedna z variant takového hybridního kovového/polovodičového nanomateriálu byla nedávno syntetizována na našem oddělení. Tento nanomateriál lze využít i pro diagnostiku, například zlepšením rozlišení obrazu tkáně, nebo pro snímání složení krve a detekci škodlivých inkluzí v krvi nebo lymfě.
Jaké jsou potenciální environmentální a bezpečnostní důsledky používání laserových nanotechnologií v průmyslových aplikacích a jak je lze zmírnit?
Práce s nanotechnologiemi musí být opatrná. Nanostrukturní materiály, zejména nanočástice, mohou být nebezpečné. Mnohé z nich mají extrémně vysokou chemickou aktivitu. proto se používají jako účinná katalytická činidla. Tato chemická aktivita však může být pro živé organismy toxická. Proto zkoumáme materiály s nízkým obsahem toxických látek. Laserová nanotechnologie, kterou používáme, má však oproti jiným metodám, např. chemické nebo mechanické výrobě nanomateriálů, své výhody. Používáme laserovou depozici ve vakuu a syntézu nanočástic v kapalinách, která umožňuje zabránit jejich šíření v atmosféře. Dbáme však na to, abychom zabránili příležitostnému šíření nanočástic do životního prostředí.
Jak lze využít laserovou spektroskopii a zobrazovací techniky k charakterizaci a analýze nanostruktur a jaké jsou hlavní problémy při dosahování přesných měření v nanorozměrech?
V HiLASE máme široké spektrum možností diagnostiky nanoobjektů. Patří sem AFM, SEM, hmotnostní spektrometrie s velmi vysokým rozlišením až na jeden atom a přístroj pro dynamický rozptyl světla (DLS) pro analýzu nanočástic. V současné době existují široké možnosti přesných měření v nanorozměrech. Ano, rádi bychom měli další přístroje, jako je XPS (rentgenová fotoelektronová spektroskopie), což je velmi drahý přístroj a v současné době je pro nás cenově nedostupný. Ale máme rozsáhlou spolupráci jak tady v České republice, tak v zahraničí, kde nám nabízejí další diagnostické metody.
Jaké jsou nejnovější pokroky v laserových nanotechnologiích a jak mění různá průmyslová odvětví?
Mezi nejzajímavější pokroky laserové nanotechnologie patří výroba koloidních nanočástic ve velkém měřítku, které dosáhli ve skupině profesora Barcikowského na univerzitě Duisburg-Essen v Německu. Dříve se mělo za to, že laserové generování nanočástic je pomalý proces, který nelze posunout na průmyslovou úroveň. Jsme rádi, že s touto skupinou můžeme spolupracovat. Laserem vyrobené nanočástice lze tedy nyní zakoupit za rozumnou cenu a, jak jsem již zmínila, s velmi vysokou chemickou čistotou.
Další průlom lze pozorovat u mikrofluidních snímacích zařízení obvykle nazývaných laboratoře na čipu s plazmonickými nanostrukturami uvnitř mikrokanálu, které jsou připraveny pomocí laseru a snímání probíhá rovněž pomocí laserového světla. Tato zařízení pracují rychle a vykazují mimořádně vysokou citlivost na cizorodé vměstky v kapalinách, včetně krve, lymfy a dalších tělních tekutin člověka. Jedná se o velký krok v biomedicíně. Vedoucí osobností v této oblasti je profesor Sugioka z výzkumného institutu RIKEN, se kterým nám je rovněž potěšením spolupracovat. Pro nás je tento druh spolupráce uznáním našeho úspěšného úsilí v této oblasti.
Mohu také zmínit laserovou fluorescenční mikroskopii, která v poslední době způsobila revoluci v zobrazování bakterií, virů a dokonce i DNA.
Jaké jsou vyhlídky do budoucna a možné pokroky?
Z možných pokroků mohu zopakovat aplikace laserové nanotechnologie v biomedicíně, jak již bylo zmíněno dříve, a v senzorických zařízeních, včetně oblasti životního prostředí. To jsou nejdůležitější odvětví, která mohou mít na jedné straně velký dopad na společnost, ale na druhé straně jsou úspěchy v těchto směrech realizovatelné. Budoucnost nám však může přinést nové objevy, které jsou nyní nepředvídány a neočekávány. Doufejme, že i ty poslouží k lepší budoucnosti lidstva.
Jak zapadá LNT do naší vize a mise?
Laserové nanotechnologie v Centru HiLASE již procházejí rozsáhlým vývojem. Mezinárodního uznání se nám dostalo díky našim úspěchům, jako je selektivní laserové žíhání nanoobjektů, zejména díky specifickým vlastnostem laserů vyvinutých v Centru HiLASE, a také díky unikátním netoxickým multifunkčním nanočásticím pro bioaplikace. Průkopnickým je vývoj zařízení pro přesný tisk nanoobjektů technikou přenosu na bázi blistrů, o které již projevilo zájem několik skupin ze zahraničí. LNT je tak nedílnou součástí činnosti HiLASE nyní i do budoucna.
Jaké jsou možnosti spolupráce s Centrem HiLASE a co můžeme nabídnout potenciálním partnerům, kteří mají zájem o spolupráci v oblasti laserových nanotechnologií?
Máme rozsáhlou spolupráci se skupinami po celém světě. Naše úspěchy v laserové nanotechnologii přitahují nové návrhy na spolupráci v oblasti nanostrukturování povrchů, syntézy nanočástic a 2D materiálů, přesného laserového tisku, a dokonce i diagnostiky materiálů díky našemu jedinečnému hmotnostnímu spektrometru doby letu. Kromě zařízení pro tisk nanomateriálů a hmotnostní spektrometrie s vysokým rozlišením jsme rádi, že můžeme našim potenciálním partnerům nabídnout širokou škálu laserů s různými vlnovými délkami, délkami pulzů a vysokým výkonem. Další silnou stránkou jsou teoretické schopnosti provádět numerické simulace na různých škálách laserové excitace od mikroškál směrem k atomárním se zohledněním kvantových efektů. Na budoucnost laserových nanotechnologií v Centru HiLASE se dívám s optimismem.
Laserové nanotechnologie představují bránu k novým dimenzím vědeckých poznatků, technologického pokroku a průlomových objevů v medicíně. Posouváním hranic manipulace se světlem v nanoměřítku nám umožňuje odemknout dosud nevyužitý potenciál, který způsobí revoluci v průmyslových odvětvích a zlepší životy způsobem, který jsme si dosud mohli jen představovat.
Tento rozhovor s Prof. Nadezhdou Bulgakovou, garantem oblasti LNT, vedla Vedoucí marketingu a PR Marie Thunová.
