Jednou z cest, jak se dostat z ekologické pasti zvyšujícího se nedostatku čisté vody, může být využití nanotechnologií. Ondřej Havelka z Technické univerzity v Liberci pracuje se svým týmem na výzkumu, který zbavuje vodu nečistot pomocí laserové syntézy. Ta umožňuje tvorbu nanoslitin, jež dokážou vodu zbavit ropných produktů, těžkých kovů i antibiotik.
V současnosti nemají přístup k bezpečné pitné vodě přes 2 miliardy lidí na světě (více informací například zde – pozn. red.). V důsledku toho trpí nemocemi, až milion z nich jim ročně podlehne. „Stále se zvyšující nedostatek čisté vody vede k jedné z největších krizí, jaké kdy lidstvo čelilo. Ačkoli se jedná o složitý problém ovlivněný mnoha faktory, základním problémem, který stojí za celosvětovým nedostatkem vody, zůstává její nevhodné využívání a znečišťování pravidelnou či náhodnou lidskou činností,“ vysvětluje Ondřej Havelka.
Zvláště znepokojivá je podle pětadvacetiletého vědce z Fakulty mechatroniky TUL kontaminace spojená s ropou: „Protože kromě toho, že se jí obtížně zbavujeme, může být ropa také nositelem rozpustných toxických látek, jako jsou mimo jiné perzistentní organické polutanty či těžké kovy.“
Na velké potíže do budoucna si ale zaděláváme i zbytky antibiotik ve vodě. Svět kvůli tomu už nyní čelí vzniku významné bakteriální rezistence vůči těmto lékům. Ta může podle studií způsobit do roku 2050 umírání deseti milionů lidí ročně na nemoci dnes běžně antibiotiky léčitelné.
Hromadění těchto znečišťujících látek v životním prostředí se tak stává dramatičtějším a trvalejším problémem, jehož budoucí důsledky by mohly být nezvratitelné. Tomu může pomoci zabránit nanotechnologický výzkum, na kterém dvojnásobný laureát Ceny ministra školství za objevy v oblastech základního i aplikovaného výzkumu a nově též reprezentant ČR v evropské radě Eurodoc se svým týmem pracuje.
V čem konkrétně spočívá váš výzkum?
Mojí hlavní výzkumnou náplní je vývoj nanočástic pomocí netradiční metody známé jako laserová syntéza. Unikátnost této metody umožňuje připravit pokročilejší nanočástice, které jsou dnes často označovány jako nanoslitiny. Každá připravená nanoslitina poskytuje zcela jedinečné vlastnosti, které lze potom využít pro čištění vody od nejrůznějších kontaminantů, jakými jsou například ropa, těžké kovy, aromatické organické polutanty či antibiotika. Jejich využití však může být rozšířeno i do jiných oblastí lidské činnosti. Regenerace čisté vody je však jednou z nejzásadnějších výzev, kterou je třeba řešit.
Jak laserová syntéza nanoslitin laicky funguje?
Laserová syntéza je nanotechnologie využívající laser pro ultrarychlou přípravu nanočástic, jež díky svým vlastnostem mají potenciál překonávat vlastnosti současně používaných materiálů. Když vynecháme popis některých složitějších jevů, je tento pozoruhodný proces tvorby nanočástic poměrně jednoduchý. Z kousku stříbra, jakým je i běžný stříbrný prstýnek, můžeme ve vodě díky lokální explozi materiálu způsobené laserem vytvořit stříbrné nanočástice. Ty se dají například použít na deaktivování polutantu nitrofenol na jeho značně méně toxickou alternativu aminofenol.
Vlastnosti těchto částic lze ale ještě mnohonásobně vylepšit, a to díky utvoření nanoslitin, u nichž stříbro bude jen jednou složkou. Chceme-li však připravit nanoslitiny, musíme do vody krom stříbra přidat navíc kovovou sůl na bázi odlišného kovu, třeba titanu. Po reakci způsobené laserem se atomy obou kovů seskupí do jedné struktury, takzvané nanoslitiny, jejíž vnitřní podoba může být velice různorodá. Jako příklad můžu uvést námi utvořený typ nanoslitin, jež má podobu velké částice s vnořenými menšími částicemi připomínající na průřezu sušenku s kousky čokolády. Aplikace těchto „nanoslitinových sušenek“ se však teprve hledá. Extrémně důležitou se však jeví možnost si samotnou podobu nanoslitiny předběžně navolit, což se nám již částečně daří.
Pokud bychom byli schopni předurčovat vnitřní strukturu dle svých přání, pak by se nám otevřely možnosti k utvoření systému, který by dokázal čistit vodu od všech typů znečištění, počínaje těmi způsobenými ropnými haváriemi až po ty, které souvisí s každodenní lidskou činností.
Cílíte i na boj proti superbakterii. V této souvislosti jste obdržel i výzkumný grant Landau-Waters v hodnotě milionu korun, který řeší, jak odstranit antibiotika z vody. Proč je jejich přítomnost ve vodě problém?
Antibiotika sice primárně vodu neznečišťují, ale jejich přítomnost ovlivňuje vodní ekosystém jako takový. Bakterie přítomné ve vodě jsou likvidovány antibiotiky, ale zároveň se některé z nich vyvinou v druh, na který jsou již antibiotika krátká. Svět kvůli tomu čelí vzniku významné bakteriální rezistence vůči antibiotikům. Ta může podle studií způsobit do roku 2050 umírání 10 milionů lidí ročně na nemoci dnes běžně léčené antibiotiky.
Degradace antibiotik pomocí recyklovatelných nanoslitin by celý problém mohla řešit a zarazit tak vstup lidstva do éry postantibiotické. Z tohoto důvodu povedu výzkumný směr, ve kterém se budeme snažit nalézt cestu, jak účinně degradovat antibiotika pomocí speciálních nanoslitin. Ty aplikujeme do vody, kde budou absorbovat sluneční záření. Získaná energie se následně ve vodě přemění do tvorby oxidujících radikálů, které začnou antibiotika ve vodě ničit a postupně vodu od nich vyčistí. Použité nanoslitiny z vody magnetem vytáhneme a znovu použijeme na jiné lokalitě. Takto se dá ničit například sulfamethoxazol, který se používá při léčbě infekcí močových cest či bronchitidy.
Myslíte, že by se tato metoda dala jednou použít ve velkém měřítku – například úpravny vody?
Ano, věřím, že to bude možné. Nyní jsme však s naším projektem na začátku a v tuto chvíli můžu jenom hádat. Bude potřeba velkého úsilí k nalezení vhodného řešení. Ve velkém měřítku se nám však na ústavu již podařilo utvořit mokřadní technologii Wetland+, která umožňuje za pomoci nanočástic čistit vody vytékající ze skládek toxického odpadu. Systém je nyní instalován na dvou pilotních místech v ČR a Polsku. V lokalitě Hájek u Karlových Varů je tak voda čištěna od látek vyprodukovaných při tvorbě pesticidů, jež představují něco okolo pěti tisíc tun odpadu. Po pilotních instalacích bude zřejmě následovat rozšíření technologie i do dalších evropských a mimoevropských lokalit.
Zmiňujete nevhodnou výrobu pesticidů v minulosti. Výroba nanočástic chemickou cestou je však často považována taktéž za neekologickou. Jak je na tom laserová metoda?
Při laserové syntéze se naštěstí přeměňuje takřka sto procent materiálu na produkt, a to i v čisté vodě bez přidaných redukčních činidel. Jedná se tedy o cestu, jak se vyhnout paradoxnímu scénáři, kdy se utopíme v chemickém odpadu pocházejícím z přípravy nanočástic, které nám měly původně pomáhat dělat svět lepší. Také proto připravujeme založení nanotechnologické firmy, která by dodávala nanočástice vytvořené laserem.
Jak daleko je vaše snaha takový spin-off založit?
Vize je taková, že se podaří utvořit spin-off, který by mohl dodávat nejčistší typ nanočástic, který je vůbec možný utvořit, a to po celé Evropě. Start-up projekt nedávno obdržel 1. místo v soutěži Evropského inovačního a technologického institutu EIT Jumpstarter, což je skvělý startovní můstek.
Ministerstvo školství vaše dosavadní výsledky ocenilo Cenou MŠMT 2021. Za co konkrétně jste byl oceněn?
Odborná komise ministerstva ocenila právě vědecké výsledky v oblasti syntézy pokročilých nanočástic za pomoci pulzních laserů. Cenu ministerstvo uděluje vždy za mimořádné výsledky, kdy ocenění je uděleno napříč všemi obory univerzit v Česku – přírodovědných, technických, uměleckých i humanitních. Tím je cena v Česku zcela jedinečná. Doufám, že oceňování ministerstvem bude nadále navazovat na svou již třicetiletou tradici a podpoří tak v mimořádné tvůrčí činnosti další studenty a vědce.
Byl jste laureátem ceny již podruhé, což je velký úspěch. Čím si to vysvětlujete?
O tom takhle nepřemýšlím. Snažím se, aby byl výzkum, kterým se zabývám, co nejvíce přínosný. Musím v něm vidět smysl a musí mě bavit. Co více si můžete přát? Pořád vidím velký prostor, v čem se zlepšovat. Užívám si ty okamžiky, kdy můžu skutečně jenom bádat. Velice si však ocenění vážím a stejně tak, když vidím, že si výzkumu všímají ve světě. Před pár dny moji práci na ovládání struktury železných nanočástic citoval prof. Leonid Zhigilei ve své průlomové publikaci, ve které jako první na světě popisuje kaskádu mechanismů zodpovědných za tvorbu nanočástic pomocí takzvané laserové fragmentace. K podpoření pravdivosti jím provedených molekulárně dynamických simulací použil právě dva typy experimentálních poznatků. Ty zahrnovaly tvorbu nanočástic zlata a již zmíněný výzkum, který jsem prováděl s nanočásticemi železa. Prof. Zhigilei došel k extra zajímavým pozorováním a opět tak potvrdil svoji vědeckou genialitu, která mu minulý rok přinesla Humboldtovu cenu a Fojtík-Hengleinovu cenu, nejprestižnější mezinárodní ocenění v oblasti laserové syntézy.
Jaké máte pro bádání podmínky na Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace CXI TUL?
Když jsem na ústavu začínal, tak výzkum laserové syntézy zde neměl své místo. Bylo třeba všechno utvořit úplně od nuly. Neměli jsme na výzkum pulzní laser ani přístroje na charakterizaci nanočástic. Postupně se všechno vybudovalo. Teď už se dá říct, že máme dobře rozjeté dvě laboratoře. Další posun může nastat, pokud se nám podaří získat velký projekt z výzvy Horizon Europe – Teaming for Excellence (deadline druhého kola je 8. září – pozn. red.), který by CXI napojil na prestižní Fraunhoferovu společnost, jež je světovým lídrem v aplikačně orientovaném výzkumu.
Letos jste se stal též členem Evropské rady pro mladé vědce a vědkyně Eurodoc. Čím se budete zabývat?
Evropská rada Eurodoc zastupuje přes milion mladých vědeckých pracovníků a doktorandů napříč evropskými státy. Jejím úkolem je reprezentovat začínající vědce na evropské úrovni v otázkách vzdělávání, výzkumu a profesního rozvoje jejich kariéry. V její gesci je organizace mezinárodních akcí a pomoc při vypracovávání postupů týkajících se vysokoškolského vzdělávání a výzkumu v Evropě. Tyto úkoly Eurodoc vykonává od svého založení, které proběhlo ve španělské Gironě v roce 2002.
Oficiálním českým zástupcem jsem se stal v květnu po nominaci zástupci Rady vysokých škol (RVŠ). Každý stát disponuje dvěma delegáty, kteří mívají na starost nějakou problematiku. Právě co se týče činnosti, tak se v rámci Eurodocu budu primárně zabývat problematikou vědeckého publikování a takzvanou open science, která je jednou ze základních otázek Evropského výzkumného prostoru. I z tohoto důvodu jsme na řešení problematiky nyní obdrželi nový evropský grant OPUS z výzvy Horizon Europe.
V rámci zastupování doktorandů a doktorandek, jedné z důležitých skupin Eurodocu, jste se účastnil 22. konference Hodnocení kvality vysokých škol. Vystoupil jste v panelu, v kterém byly poprvé představeny výsledky šetření Doktorandi 2021. Co z šetření vyplynulo?
Primárním cílem bylo zjistit důvody a i zkusit vymyslet řešení nízké úspěšnosti doktorandů v Česku. Výsledky pojmenovaly některé problémy, kterými se bude třeba zabývat. Z tohoto důvodu jsme v panelu společně s náměstkem MŠMT profesorem Jaroslavem Millerem, profesorem Janem Čermákem z Univerzity Karlovy a zástupci Centra pro studium vysokého školství diskutovali konkrétní výzvy pro kvalitní doktorské studium. Jako součást změny nejen financování byla v popředí debata o plánované reformě doktorského studia, na jejíž podobě se částečně podílíme ve studentské komoře Rady vysokých škol.
V Radě vysokých škol ČR se mimo jiné zasazujete za vyšší stipendia doktorandů a doktorandek. Je to jeden z důvodů, proč mladí lidé do doktorandského studia moc nechtějí nastupovat?
Zajisté je to jeden z důvodů. Průměrná výše stipendia je 11 400 korun, což je mnohem méně než průměrné životní náklady doktoranda, které jsou okolo 24 500 korun. Nízká stipendia vedou zejména k vysoké míře nedokončování doktorandského studia, jelikož začínající vědci potřebují mít nějaké zázemí – stabilní bydlení a tak dále. Zároveň v tomto období zakládají rodiny, což ještě zvyšuje jejich životní náklady. Doktorandské stipendium jim to neumožňuje pokrýt, což často vede k tomu, že si najdou vedlejší výdělek. Je to případ 39,5 procenta doktorandů. Druhé zaměstnání je nicméně odvádí od jejich hlavní výzkumné činnosti. Řečeno slovy čísel, úspěšnost doktorandů je velmi malá, okolo 40 procent. V plánovaném čase jich však dokončuje ještě znatelně menší množství, něco okolo 7 procent. Je dobré přitom zmínit, že doktorát je můstek mezi tradičním absolventem vysoké školy a respektovaným vědcem.
Co je podle vás největší problém doktorského studia, který by měla odstranit plánovaná reforma?
Myslím, že hlavní body byly lehce naznačeny právě v naší panelové diskuzi. Během diskuze bylo zdůrazněno obrovské množství oborových rad na univerzitách, vysoký poměr doktorandů vůči bakalářským studentům, nižší kvalita přijímacích řízení či potřeba změny financování doktorandů. Jako součást změny nejen financování byla v popředí debata o plánované reformě doktorského studia, na jejíž podobě se nyní částečně podílíme ve studentské komoře Rady vysokých škol.
Je stále otázkou, jaká bude finální podoba reformy. Než dojde k jejímu přijetí, uběhne ještě nějaký čas. Dá se očekávat, že při dobré prognóze to bude začátek roku 2024. Dojde-li k navázání stipendia na 1,2násobek minimální mzdy, tak chystaná reforma změní podobu vědecké komunity v ČR. Sníží se celkový počet nových doktorandů, jelikož univerzity budou muset sáhnout do vlastních prostředků. Tím dojde zcela k přehodnocení způsobu výběru doktorandů. I když to nebude zřejmě jednoduché, vypadá to jako krok správným směrem, jak udržet českou vědu zdravě funkční.
Umím si představit, jak je náročné skloubit vědeckou práci s vaší angažovaností v otázkách směřování českého vysokého školství. Umíte si od všeho i odpočinout?
Někdy je to náročnější. Pokud to jde, tak se snažím řešit víc věcí zároveň. Mám třeba otestováno, že se dají zároveň poslouchat dvě až tři schůze najednou, když každá probíhá v jiném jazyce. Velkou pomocí je mi podpora mé partnerky, se kterou trávím skoro veškerý svůj volný čas. Rád vymýšlím netradiční aktivity, jako jsou dlouhé noční túry do hor či propojování vědy a umění. Nejvíc se však uvolním při ochutnávce nějakého dobrého sýra či kávy z různých koutů světa. V Liberci je navíc spousta krásných míst, kam i na tu kávu zajít.