Ústav anorganické chemie Akademie věd ČR, v. v. i.

Ústav anorganické chemie AV ČR pokrývá svou činností rozsáhlou oblast anorganické chemie a její hraniční oblasti s organickou a fyzikální chemií, biologií, materiálovými a ekologickými vědami, chemickým inženýrstvím a fyzikou pevné fáze. Jeho dnešní zaměření se vyvíjelo z hlavních témat původního Ústavu anorganické chemie v Praze (zal. 1956) a Ústavu anorganických syntéz v Řeži u Prahy (zal. 1961) sloučených r. 1972 do podoby dnešního Ústavu anorganické chemie AV ČR, v. v. i. V roce 2001 došlo i k lokálnímu sloučení pracovišť ve výzkumném areálu v Řeži u Prahy, které podpořilo spolupráci a vývoj témat. Tematická struktura byla ovlivněna také postupným budováním společných pracovišť s vysokými školami, konkrétně Laboratoře nízkých teplot (s UK a s Fyzikálním ústavem AV ČR), Laboratoře anorganických materiálů (s VŠCHT v Praze) a Akademické laboratoře materiálového výzkumu malby (s AVU v Praze). Pracovníci ústavu stojí dnes svou prací nejčastěji u zrodu nových materiálů s předem definovanými vlastnostmi, především mechanickými, biologickými, optickými, elektrickými a magnetickými, nebo u zrodu nových sloučenin pro chemický průmysl, farmaceutickou výrobu či medicínské a ekologické aplikace. Výzkum a přípravu nových látek kombinují pracovníci ústavu s chemicko-inženýrským studiem vybraných procesů a technologií. Spolupráci s průmyslovým sektorem a tendenci k aplikacím dosvědčuje Pilotní centrum vybudované při ústavu jako čtvrtprovozní zařízení pro vývoj technologií.

Ústav má v současnosti 65 vědeckých a odborných pracovníků ve výzkumných odděleních a kolem 30 studentů doktorského studia, které školí na základě společných akreditací s Vysokou školou chemicko-technologickou v Praze, Přírodovědeckou fakultou UK v Praze a Univerzitou Pardubice. Část původních a většina nových témat podporovaných českými a mezinárodními grantovými projekty určují v současnosti charakter ústavu spíše než formální dělení na oddělení a laboratoře. Řešené úkoly se dnes opírají o tuzemskou vědeckou spolupráci zejména s vysokými školami, s nimiž má ústav společné akreditace. Jednotlivé výzkumné týmy však mívají často jak tradiční, tak časově vymezené zahraniční spolupráce spojené se stážemi mladých vědeckých pracovníků. V poslední době se pak rychle rozvíjí i spolupráce s firmami vývojového zaměření, zejména v materiálovém výzkumu.

Mezi klíčové oblasti našeho výzkumu patří studium sloučenin boru. Bor, podobně jako uhlík, je schopen tvořit binární hydridy s více atomy, ale s odlišným typem vazeb (tzv. dvouelektronové třístředové vazby) a prostorovou geometrií molekuly odvozenou převážně od ikosaedru. Klastrové hydridy boru (borany, karborany a metallaborany) by díky své velké chemické stabilitě, velikosti srovnatelné s organickými aromatickými molekulami, hydrofobnímu chování, substituci v definovaných polohách klece a dalším vlastnostem mohly nalézt široké využití jako účinné substance v medicíně. Doposud však byly využívány většinou jen jako inertní nosiče izotopu ¹⁰B do maligních tkání v borové neutronové záchytové terapii mozkových nádorů a melanomů.

Ve skupině hydridů boru byly v ústavu nedávno nalezeny syntetické cesty vedoucí k sloučeninám, které mohou působit jako účinné nepeptidomimetické inhibitory HIV-1 proteázy (PR). Tyto látky jsou založeny na kobaltbis-dikarbolidovém anionu (viz obrázek 1). Vývoj látek umožnil předchozí systematický základní výzkum, který zde probíhá již řadu let a je zaměřen na studium principů výstavby molekul boranů, karboranů, heteroboranů a metallaboranů, substituci v jednotlivých polohách skeletů a cílený vývoj stavebních klastrových bloků s reaktivními skupinami. Díky tomu, že takové stavební jednotky jsou dostupné, je možná rychlá cílená příprava účinných inhibitorů HIV, které nesou v molekule dva či více klastrů propojených organickou skupinou, a základní optimalizace geometrie molekuly. Oblast inhibitorů HIV je studována ve spolupráci s ÚOCHB AV ČR, v. v. i. (skupina doc. J. Konvalinky), Ústavem analytické chemie VŠCHT (skupina prof. V. Krále) a Univerzitou v Heidelbergu (skupina prof. H.-G. Kraeusslicha). Testy prokázaly, že nově identifikované inhibitory účinně blokují replikaci viru v tkáňových kulturách, neinhibují jiné savčí proteázy a nejsou toxické pro savčí buňky. Tyto sloučeniny se vážou do aktivního místa enzymu novým, dosud nepopsaným způsobem a jsou účinné i proti rezistentním mutantům virových proteáz. Práce na zdokonalení struktury inhibitorů nadále pokračují. První řada inhibitorů byla publikována v prestižním časopise. Výstupem spolupráce jsou také dva české a jeden mezinárodní patent.

Další oblastí našeho výzkumu je příprava a studium nových nanomateriálů. Pro detoxikaci korozně citlivých materiálů, které jsou kontaminovány velmi toxickými látkami, byly připraveny jemně disperzní anorganické oxidy o velikosti krystalitů v řádu desítek nanometrů (viz snímek z HR-TEM). Tyto perspektivní materiály lze připravit metodou homogenní hydrolýzy směsi roztoků síranů Ti, Fe, Zn, Al a Zr močovinou při teplotě 70–100 °C. Vyznačují se velmi vysokým měrným povrchem (až 600 m².g^–1) a rozmanitou morfologií (na obrázek 2 je struktura TiO₂ pořízená rastrovacím elektronovým mikroskopem – SEM). Rozklad bojových otravných látek (sarinu, somanu, yperitu a látky VX) na netoxické rozkladné produkty probíhá již od několika minut po aplikaci nanodisperzních oxidů na kontaminované povrchy. Stupeň konverze bojových otravných látek na takto připravených materiálech přesahuje 98 % v průběhu jedné hodiny. Ve spolupráci s Vojenským technickým ústavem ochrany Brno v rámci projektu Ministerstva průmyslu a obchodu 1H-PK2/56 Nanodisperzní oxidy a hydroxidy Ti, Fe, Al, Zn a Zr pro destrukci chemických bojových látek je připravována technologie výroby těchto materiálů (viz 2).

Modifikací reakčních podmínek lze stejným postupem připravit vysoce aktivní fotokatalyzátory pro ultrafialovou a viditelnou oblast světla. V náročné světové konkurenci výzkumu v oblasti fotokatalytických dějů byla vybudována specializovaná laboratoř, která slouží k objektivnímu vyhodnocování účinků fotokatalyticky aktivních materiálů. K tomuto účelu byla zkonstruována původní, velmi složitá laboratorní a čtvrtprovozní zařízení – fotoreaktory o objemech 1 až 5 litrů. V těchto reaktorech charakterizuje fotokatalytické pigmenty (většinou na bázi oxidů Ti nebo Zn ve formě jejich suspenzí nebo vrstev) při expozici ultrafialovým nebo viditelným světlem jejich fotokatalytický účinek na organické indikátory v kapalné nebo plynné fázi.

Ke studiu nanomateriálů používáme v našem ústavu v České republice unikátní přístroj – transmisní elektronový mikroskop s vysokým rozlišením HR-TEM (maximální rozlišení je 1,7 Å = 1,7 × 10^–10 m). V transmisním elektronovém mikroskopu lze velmi dobře nejen pozorovat morfologii nanočástic, ale také studovat jejich strukturu a chemické složení. Můžeme přímo pozorovat jednotlivé nanočástice, což žádná jiná metoda neumožňuje. Na obrázek 3 vidíte nanočástici TiO₂ o velikosti 20 nm zobrazenou pomocí TEM s atomovým rozlišením. V pravém horním rohu je zobrazen zvětšený model struktury této částice (Ti – modře, O – červeně).