Docent Zdeněk Sofer z Ústavu anorganické chemie získal společně s Františkem Štěpánkem podporu Grantové agentury ČR v kategorii EXPRO. Držitel Ceny Neuron Impuls a jeden z klíčových členů excelentního týmu Pokročilých funkčních Nanorobotů se zabývá primárně grafenem a dalšími monoelementárními vrstevnatými materiály.
GA ČR podpořila Váš projekt Chemie ve dvou dimenzích - za hranice grafenu. V čem je inovativní?
Jedná se o podporu základního výzkumu v oblasti monoelementárních vrstevnatých materiálů nejen prvků 14. skupiny, analogů grafenu, tedy silicen (odvozen od křemíku) a germanen (odvozen od germania)), ale také prvků 15. skupiny (fosfor, arsen, antimon a bismut). Tyto materiály mají jiné vlastnosti než grafen a jsou pro mnohé aplikace vhodnější. Grafen má nulovou energii zakázaného pásu, což způsobuje, že se i při pokojové teplotě chová jako vodič. Materiály, kterými se výzkum bude zabývat, mají nenulový přímý zakázaný pás a to je výhodné pro optoelektroniku, senzory a další zajímavé aplikace. Minulý rok jsme ve spolupráci s kolegy z Northwestern University připravili v současnosti nejcitlivější detektor na světě, proti předchozím detektorům je citlivější o více než 2 řády. Tento objev jsme publikovali v odborném periodiku.
Jak byla příprava těchto materiálů náročná?
Velmi náročná, až po mnoha experimentech se podařilo získat materiál, který měl požadované vlastnosti a byl použitelný pro konstrukci fotodetektorů. Podobných spoluprací máme mnoho, my umíme připravit velké množství zcela unikátních materiálů, o které mají obrovský zájem mnohé výzkumné skupiny.
Co Vás přivedlo ke grafenu a obdobným materiálům?
Začínal jsem s polovodičovými materiály v podobě tenkých monokrystalických vrstev a postupně získával zkušenosti s technologií a studiem těchto materiálů na VŠCHT Praha a současně na Fyzikálním ústavu AV ČR. V průběhu doktorátu jsem rozšiřoval své zkušenosti také v zahraničí (Forschungszentrum Jülich, Německo – pozn. red.). Po doktorátu jsem hledal perspektivní témata, jelikož v oblasti tenkých polovodičových vrstev, kterými jsem se zabýval, nebylo možné s výsledky konkurovat zahraničním pracovištím. Hledal jsem další materiály, které bylo možné studovat, a to mě v roce 2006 přivedlo k uhlíkovým nanotrubičkám. Studoval jsem jejich vlastnosti a způsoby jejich syntézy. Postupně jsem se začal zabývat dalšími uhlíkovými nanomateriály, od roku 2009 zejména grafenem (v r. 2008 byla udělena Nobelova cena za přípravu grafenu). Nyní se můj profesní zájem diverzifikoval mezi mnoho ostatních 2D materiálů.
Čím jsou tyto materiály zajímavé?
Mají mnoho unikátních vlastností, které vyplývají z jejich struktury. Velmi slabé vazby mezi jednotlivými rovinami umožňují výrazně snadnější „oddělení – exfoliaci“ jednotlivých vrstev těchto materiálů v jednom směru. Postupným štěpením slabých vazeb můžeme dojít k materiálu, který má v rovině tloušťku pouze jednoho atomu. Takto jsme se postupně od grafenu dostali k více než stovce nejrůznějších 2D materiálů, získali mnoho zkušeností a rozvinuli spolupráci s desítkami pracovišti po celém světě. Spolupracovníky využívající 2D materiály z naší laboratoře máme na většině kontinentů.
Jak se z 2D přechází na 3D, za které jste získal Cenu Neuron Impuls za rok 2016?
2D materiály exfoliované do podoby jednotlivých vrstev mají mnoho zajímavých vlastností, ale pro jejich praktické uplatnění je nezbytné je z podoby prášku nebo suspenze převést do aplikovatelné formy. Například exfoliovaný grafen v práškové formě připomíná “zhmotnělou tmu“, jelikož objem jednoho litru váží kolem jednoho gramu a chová se jako ideální černé těleso, které pohlcuje veškeré dopadající záření včetně viditelné části spektra. Pokud však máme jedinou samostatnou vrstvičku grafenu tak je téměř průhledná – pohlcuje jen 2,3 % procházejícího světla. V aplikacích jako je elektrokatalýza je důležitý velký povrch materiálu i vodivost, ale prášek není použitelný pro reálné aplikace, kde potřebujeme např. pevné elektrody. Pokud z 2D materiálu vyrobíme 3D strukturu např. v podobě aerogelu, tak si zachováme obrovský povrch, vodivost a v případě, kdy připravíme kompozitní materiál (např. s vrstevnatými chalkogenidy), můžeme optimalizovat katalytické vlastnosti materiálu pro danou aplikaci. Kompozity můžeme vytvářet i s 1D materiály jako jsou uhlíkové nanotrubičky, čímž získáme pevný a flexibilní materiál s velkým povrchem, který můžeme použít pro aplikaci ve flexibilní elektronice, například ohebné baterie a nositelné palivové články využívající pro generování energie látky obsažené v potu.
Vaše výzkumná skupina je hodně aktivní, daří se vám získávat grantovou podporu a také na tuzemské poměry hodně publikujete...
Nepřijde mi, že bychom měli vysoké číslo publikací. Mnoho zahraničních pracovišť má výrazně vyšší produktivitu. Přes den řeším administrativu a chod laboratoře a v noci, pokud nepíšu projekty, tak píšu články. Samozřejmě nepíšu vše sám, mnoho článků vzešlo ze spolupráce a vychoval jsem si studenty, kteří jsou schopni daný projekt dotáhnout do podoby kvalitní publikace, která je velmi inovativní a je možné ji publikovat v dobrých časopisech. O víkendech se snažím najít si čas na rodinu - manželku a naši pětiletou dceru. Přes noc opět řeším vědu, administrativu a nově také editorskou činnost, jelikož jsem se stal editorem relativně mladého časopisu (FlatChem) zaměřeného na 2D materiály a je nutné zajistit takovému projektu hladký start. V poslední době je velmi náročné zajistit, aby byly v časopise od počátku publikovány práce z předních světových pracovišť. Na druhou stranu to také pomáhá výrazně rozšířit síť kontaktů a najít další zajímavé spolupráce a společné projekty.
Je Vám bližší základní výzkum nebo aplikace?
Řešíme nejen základní výzkum, ale i ten aplikovaný. Mému srdci je však bližší ten základní. Připravujeme zcela unikátní materiály, jejichž vlastnosti ještě nikdy nikdo neměl šanci prozkoumat. Nevíme, co to může přinést, a proto děláme screening všech možných aplikací: elektrokatalýzu, baterie, superkapacitory, senzory, detektory a další aplikace. Výzkum je tak velmi multidisciplinární a zajímavý. Jelikož na detailní studium těchto vlastností často nemáme dostatečné vybavení a adekvátní prostory, řešíme pak aplikační využití se zahraničními pracovišti formou spolupráce. Člověk má také výrazně lepší pocit poté co přijde z práce, že vytvořil něco reálného a nezabýval se pouze administrativou, která v posledních letech extrémně narostla.
Kromě výzkumu se věnujete také pedagogice. Jaké vyučujete předměty?
První ročníky učím Obecnou a anorganickou chemii a Laboratoře z anorganické chemie, magisterské studenty učím Technologii speciálních anorganických materiálů a již specializované laboratoře oboru. Jsem pyšný na své doktorandy, kteří mají vynikající vědecké výsledky. Jsem velice rád, že tři mí doktorandi po obhájení mohli nastoupit na VŠCHT a zůstat v mojí skupině. Stále hledáme nové studenty, kteří by měli zájem podílet se na výzkumu a řešit nové výzvy.
Když se vrátíte k době, kdy jste sám studoval – měla chemie konkurenci v jiných předmětech, nebo šlo o jasnou volbu bez překážek?
Od malička jsem se zajímal o mineralogii a geologii a zajímalo mě, jak by se tyto materiály daly vyrobit uměle. Jelikož minerály jsou anorganického původu, tak jsem tíhnul k anorganické chemii. K domácím pokusům jsem se dostal brzo, již v 10letech jsem dostal první kahan, zkumavky a krabici chemikálií. Od 15 let jsem mohl pracovat v laboratoři, kde jsem dělal rozbory vod a odpadů, ve svém volném čase jsem pak prováděl vlastní experimenty. Tyto zkušenosti mě přivedly na VŠCHT, kde jsem původně začal studovat analytickou chemii, ale velmi záhy jsem přešel na Ústav anorganické chemie a Fyzikální ústav AV ČR, kam jsem rád chodil po splnění studijních povinností.
