Biliár s molekulami

Michal Fárník hrál v mládí závodně tenis a bavila ho matematika, dnes ale nedělá ani jedno. Běhá horské ultramaratony a vědecké jméno si vybudoval experimenty na pomezí fyziky a chemie. V Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR se snaží pochopit chování molekul při vzájemných interakcích a při srážkách s fotony a elektrony. Jeho výzkum, na který loni získal akademickou prémii, pomáhá pochopit dění v ozonové vrstvě země, vznik organických látek ve vesmíru nebo radiační poškozování DNA.

Chemikové jsou zvyklí pracovat s obrovským počtem molekul najednou. Vy využíváte molekulové paprsky, v nichž se snažíte molekuly izolovat a studovat je jednotlivě. Jaké výhody to přináší? — Chemické procesy sice probíhají na úrovni jednotlivých molekul, ale děje se to ve složitém makroskopickém systému, v němž jeden proces vyvolává či ovlivňuje další. Chemik ví, jaké reaktanty měl na začátku a jaké produkty z nich vznikly, ale co přesně se mezi molekulami odehrávalo a jakými mezifázemi systém prošel, do toho nevidí. Dudley Herschbach, nositel Nobelovy ceny z roku 1986 za molekulové paprsky, to přirovnává k divadelnímu představení, z nějž vidíte jen začátek a vrátíte se až těsně před koncem. Jeviště je poseto mrtvolami a mezi nimi umírá Hamlet, ale nevíte, co se mezitím odehrálo.

Takže se snažíte v průběhu představení na jeviště alespoň nahlédnout, abyste hře lépe porozuměli? — Dá se to tak říct. Herschbach, Lee a Polanyi na tom začali pracovat už v šedesátých letech minulého století. Molekuly letící v paprscích, které obklopuje vakuum, se spolu srážejí, takže opravdu můžeme pozorovat, co se děje mezi dvěma izolovanými molekulami. Nebo můžeme molekulu vystavit srážce s fotonem nebo elektronem, zkrátka pozorujeme izolovaný systém.

Není to ale příliš velké zjednodušení? Nestudujete něco, co v přírodě v takto izolované podobě vlastně neexistuje? — Proto do experimentu prostředí dodáváme, ale kontrolovaně. Nepracujeme s jednotlivými molekulami, ale s jejich klastry. Například s molekulou obklopenou několika molekulami vody. Je to relevantní metoda třeba pro chování biomolekul ve vodním prostředí. Biologové se nám smějí, protože pro nás je dobrým modelem pro studium biomolekul pyrrol (cyklická molekula C₄H₅N, výchozí součást porfyrinových kruhů tvořících např. hemovou skupinu hemoglobinu nebo klíčovou složku chlorofylu, pozn. red.). S fotodisociací pyrrolu dělá experimenty spousta vědců s vědomím, že to má význam pro biologii. Tím, že kolem pyrrolu dáme molekuly vody, jdeme o krok dál, protože fotodisociaci působením UV fotonů sledujeme ve vodním prostředí.

Říkáte „několik molekul“. Co si pod tím představit? — Mohou být dvě, pět nebo třeba tisíce, záleží na tom, co zrovna chceme zkoumat. Můžeme i sledovat, jak se studovaný proces mění, když přidáváme více a více vody. K tomu je důležitá spolupráce experimentátorů s teoretiky. V počítači není problém přidávat molekuly po jedné. V experimentu to nejde, vždy tam máme nějaké velikostní rozdělení. Některé klastry mají třeba jen jednu vodu, jiné deset, ale víme, že střední velikost je například jeden pyrrol plus tři molekuly vody. A můžeme porovnávat výsledky s teoretickým výpočtem dělaným přesně pro tři vody.

Jak spolupráce experimentátorů s teoretiky probíhá? Oni prostřednictvím modelování v počítači získají nějakou představu o chování studovaného systému a vy jejich výsledek ověřujete? Nebo jsou experimentální data naopak na začátku? — Většinou nejprve něco změříme, protože omezujícím faktorem je experiment. V počítači je přece jen jednodušší vyměnit třeba jednu molekulu za jinou, kdežto do experimentu některé molekuly z technických důvodů prostě nedostanete. Takže naměříme nějaká spektra a snažíme se jim porozumět řekněme na kvalitativní úrovni. Teoretikové nám pak pomáhají pochopit, co přesně se mezi molekulami dělo. Teorie to dokáže krásně popsat, dodá i obrázky, takže vidíme, jak se tam v souladu s naměřenými spektry pohybují kuličky reprezentující jednotlivé atomy. Samozřejmě je to zjednodušený model, atomy nejsou žádné kuličky, ale získáme tak lepší představu.

Takže počítačová simulace vám zpětně potvrdí, že jste nenaměřili jen nějaké artefakty, a nabídne interpretaci? — Teoretici mohou také navrhnout další, trochu pozměněný experiment, a předpovědět, jak dopadne. Když ho potom uděláme a předpověď se naplní, je model pravděpodobně správný a jdeme dobrým směrem.

A když se nenaplní? — Pak je to impuls pro teoretika, který musí své výpočty modifikovat, aby výsledek naměřeným datům odpovídal. V tom je podle mne zároveň slabina teoretického přístupu, pokud by nebyl doplněn experimenty. Bez nich nemá ukotvení v realitě. Dá vám takové výsledky, jaké chcete – napočítat lze téměř cokoli, když víte, co vám má vyjít.