Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Půlstoletí od objevu měkkých kontaktních čoček

Příklad serendipity?
 |  13. 1. 2011
 |  Vesmír 90, 46, 2011/1

Anglické slovo serendipity (česky serendipita) vyjadřuje podíl šťastné náhody při klíčových událostech v životě, ale zejména při významných objevech ve vědě a technice. Neviditelný a nečekaný zásah serendipity zažili na vlastní kůži i mnozí čeští badatelé a vynálezci. Lze jej doložit i na vynálezu měkkých kontaktních čoček. Od udělení československého patentu Otto Wichterlemu na „způsob výroby kontaktních čoček“ uplyne letos právě padesát let.

Někdy v roce 1952 jel Otto Wichterle rychlíkem z Olomouce do Prahy. Cestoval nejspíš první třídou, protože to byl už tehdy světově proslulý chemik, vysokoškolský profesor, vedoucí významné katedry a jeden ze tří děkanů tehdy právě ustavené pražské Vysoké školy chemicko-technologické. Náhodou se stalo, že si přisedl do kupé k muži, který četl oftalmologický časopis. To ho zaujalo. Dali se do řeči a ukázalo se, že spolucestující je pracovník ministerstva zdravotnictví, odborník na oční pomůcky. Během hovoru si postěžoval, že oční kontaktní čočky, které se tehdy dělaly ze skla nebo z tuhých plastů, jsou tvrdé, ale hlavně nepropouštějí vodu ani kyslík. Zadání ministerského experta bylo docela konkrétní: Chemici by měli připravit materiál, který bude opticky čirý, propustný pro vodu a zároveň biologicky snášenlivý, zkrátka materiál vhodný pro kontaktní čočky nové generace. Wichterle ovšem znal průhledné plasty s dobrými optickými vlastnostmi (třeba polymethylmetakrylát), které by se mohly chemicky modifikovat hydrofilními skupinami. Po návratu do Prahy o tom hovořil s mladšími kolegy ve své laboratoři. Ale jen Drahoslav Lím, jeden z jeho asistentů, se této myšlenky náhodou chopil. Radikálovou polymerací methakrylových esterů ethylenglykolu připravil první vzorek čirého rosolovitého hydrogelu. Na základě tohoto materiálu také obhájil svoji dizertační práci. Z roku 1955 pochází patent autorů Wichterle – Lím pod názvem Hydrofilní polymethakrylátové gely a jejich využití [1]. Stejní autoři krátce nato publikovali článek v časopise Nature [2]. Hydrogel, poly(2-hydroxyethylmethakrylát), zkráceně PHEMA, je pozoruhodný materiál. Zachová si uspokojivou mechanickou pevnost, i když pohltí až 40 % vody. Přitom je opticky průhledný a čirý, velmi dobře se snáší s živou tkání a lze jej dále chemicky modifikovat. (Příkladem jeho nejnovější úspěšné modifikace je hojivý přípravek HemaGel.) Ale jak vyrobit kontaktní čočku s přesnými optickými parametry z materiálu, který připomíná aspik? Polymerace hydrogelu v uzavřených formách se neosvědčila, protože vzniklé čočky měly přetoky a dráždily rohovku.

V roce 1958 musel Wichterle z politických důvodů odejít z vysoké školy, ale o rok později se stal ředitelem nově založeného Ústavu makromolekulární chemie ČSAV v Praze. Právě tehdy Wichterleho napadlo, že by se čočky mohly připravovat polymerací monomerní směsi během rotace v otevřených formičkách. Ministerstvem pověření odborníci z podniku Oční optika jeho myšlenku předem zavrhli, možná i proto, že byli sami angažováni ve vývoji pracně broušených tenkých skleněných čoček. Wichterle jednou poznamenal: „Když experti prohlásí nějakou myšlenku za nesmyslnou, hned vím, že je opravdu dobrá a nová.“ Na Štědrý den roku 1961 si doma sestavil aparaturu, která vešla do dějin pod názvem čočkostroj, a připravil s ní první sérii opravdových čoček. Kostra čočkostroje byla zhotovena ze stavebnice Merkur, kterou si Wichterle vypůjčil od syna, pohon obstaralo dynamo z jízdního kola, tlaková nádoba s argonem původně sloužila německému pilotovi Luftwaffe, a pouze použité monomery, katalyzátory a vybroušené skleněné formičky měl Wichterle ze školy. Na počátku roku 1962 domácí čočkostroj dále zdokonalil a spolu s manželkou Lindou vyrobil prvních asi 1500 použitelných čoček. Tehdy vyzkoušel i fotopolymeraci s použitím domácího „horského sluníčka“ (tím si mimochodem zajistil i osobní vlastnictví patentu, jehož použitelnost ověřil výhradně na soukromé domácí půdě). Hydrogely a kontaktní čočky  spolu s alkalickou polymerací kaprolaktamupak vložil do vínku svého ústavu. Měkké kontaktní čočky podle Wichterleho patentu se staly vůbec nejúspěšnější československou licencí [3]. Je vhodné to připomenout právě nyní, krátce po padesátém výročí založení Ústavu makromolekulární chemie AV ČR. Na počátku těchto významných objevů byl sice řetězec šťastných náhod, ale také geniální intuice a spousta trpělivé práce.

Hydrogely a kontaktní čočky jsou pouze jedním z mnoha příkladů serendipity při objevu nových látek a materiálů v technice, lékařství a farmakologii. Určitě nejznámější je objev penicilínu, když Fleming ve své (asi trochu neuspořádané) laboratoři nevědomky infikoval bakteriální kulturu plísní, která bakterie zahubila. O hodně mladší je příklad Viagry, která byla původně zamýšlena jako lék proti angině pectoris. Brzo se však projevily její nečekané „vedlejší účinky“. Skoro se zdá, že záměrně vyvinout zcela nový lék na určitou chorobu je prakticky nemožné.

Působení serendipity lze sledovat až do velmi hluboké minulosti [4]. Ty nejznámější příklady naleznete v rámečku na předchozí straně. Učitelé s oblibou vyprávějí žákům příběh Archimeda ze Syrakus. Ten přišel při koupání ve vaně na to, že hustotu královské koruny může stanovit flotační metodou. Tak navíc objevil Archimedův zákon a jeho výkřik heuréka se stal symbolem objevů ve vědě a technice. Isaaka Newtona prý přivedl k formulaci gravitačního zákona náraz jablka do hlavy, když usnul pod jabloní, i když se jedná spíš o vědeckou báchorku.

Zážitek serendipity při významných objevech často souvisí se spánkem a snem. Traduje se, že Friedrich August Kekulé ze Stradonic vyřešil cyklickou strukturu benzenu na základě snu o hadovi, který požírá svůj vlastní ocas, možná se mu zjevil Ouroboros, mytický had starých alchymistů. I tato historka má několik variant, ale důležité je, že ukazuje souvislost mezi snem a praktickým nápadem. Řešení složitého problému nebo úkolu se často vynoří těsně po probuzení, na hranici mezi snem a realitou. Právě tehdy se může podařit protnout uzavřený kruh stereotypních úvah.

Louis Pasteur vynalezl očkování proti vzteklině a proslul i svým výrokem, že „náhoda pomáhá připraveným“ – „Dans les champs de l’observation, le hasard ne favorise que les esprits préparés“.

Ve 20. století pomohla serendipita na svět řadě důležitých polymerních materiálů, z nichž některé jsou dnes součástí každodenního života, například polyethylen. V třicátýchletech 20. století pracovali Eric Fawcett a Reginald Gibson v laboratořích britské firmy ICI v Northwichi na laboratorní syntéze tohoto polymeru. Plynný ethylen uzavřeli do tlakového reaktoru a postupně zvyšovali reakční tlak a teplotu tak dlouho, až došlo k explozi. Víko nádoby se utrhlo a proletělo laboratorní halou. Naštěstí nikoho nezasáhlo, ale trochu se zdeformovalo. Výzkumníci se nevzdali a pokračovali v tlakování se silnějšími šrouby. Reakce nakonec proběhla, na dně nádoby se náhle objevilo prvních osm gramů polyethylenu, dnes se mu říká nízkohustotní (LDPE). Ukázalo se, že netěsností pod prohnutýmvíkem proniklo do nádoby trochu kyslíku, právě tolik, že působil jako katalyzátor reakce. V předvečer druhé světové války pak nalezl polyethylen strategické uplatnění: Osvědčil se pro izolace podmořských kabelů a spolu s teflonem umožnil konstrukci radaru. (Polyethylen má totiž výhodnou hodnotu permitivity v širokém frekvenčním intervalu.) I tyto výsledky lze jistě označit za serendipitu, ale nemohly by nastat bez předchozích dlouhodobých experimentů. Heslo Louise Pasteura snad můžeme v tomto případě přeložit jako „Bez práce nejsou koláče“. Po druhé světové válce dostal nízkohustotní polyethylen svého mladšího bratra, který se nyní nazývá vysokohustotní (HD-PE). Lze říci, že i jeho objev je příkladem serendipity, prozíravé aplikace organokovových látek jako katalyzátorů polymerační reakce (tzv. katalyzátorů Ziegler-Natta). Další šťastný nápad pak pomohl zvýšit výrobu nového polyethylenu, čímž se zároveň snížilajeho cena. První úspěšnou aplikací totiž byly létající talíře (frisbee) a gymnastické obruče (hula hoop). Teprve potom přišly další sportovní aplikace, obalové fólie, trubky na rozvody vody a mnoho dalších výrobků. Zákazníci na celém světě použijí každou minutu jeden milion nákupních tašek vyrobených z různých typů polyethylenu.

Příběhy serendipity však přinášejí ještě další poučení. Ukazují, že opravdu významné objevy ve vědě a technice je velmi nesnadné předvídat, nebo dokonce plánovat. Musí jim však předcházet soustavné myšlenkové úsilí a často i řada mnohokrát trpělivě opakovaných pracných a únavných pokusů. A ještě jedna věc je zajímavá: K mnoha důležitým objevům a vynálezům dochází téměř současně na vzdálených místech zeměkoule. Možná opravdu existuje celosvětové vědomí. Ale nepochybně taky průmyslová špionáž…

/Poděkování: Autor je zavázán Mileně Doležalové z Ústavu makromolekulární chemie AV ČR, v. v. i., za vyhledání patentových podkladů a Daně Horké z téhož ústavu za trpělivé přepisování a odeslání tohoto článku./

Literatura

[1] O. Wichterle, D. Lím: Hydrofilní polymethakrylátové gely a jejich využití. PV 12284-55, čs. A. O. 91.918

[2] O. Wichterle, D. Lím: Hydrophilic gels for biological use. Nature 185, 117–118 (1960)

[3] O. Wichterle: Způsob výroby kontaktních čoček. PV 7654-61, čs. A. O. 108.895

[4] F. Houdek, P. Kosatík: Čekání na východ slunce. Národní 3, 1/2008, 18–27

Náhoda pomáhá připraveným

  • Archimedes ze Syrakús (287–212 př. Kr.) při koupání ve vaně přišel na to, jak zjistí hustotu královské koruny a objevil Archimedův zákon. Jeho výkřik heuréka ! (nalezl jsem!) se stal symbolem objevů ve vědě a technice a vědy o objevování, heuristiky.
  • Isaak Newton (1643–1727) prý zformuloval gravitační zákon poté, co mu spadlo na hlavu jablko ze stromu, pod kterým dřímal. Možná to ale bylo docela jinak.
  • Kekulé ze Stradonic, Friedrich August Kekulé (1829–1887) měl sen o hadu, který žere svůj vlastní ocas. To jej přivedlo k objevu struktury benzenu.
  • Louis Pasteur (1822–1887) se proslavil očkováním proti vzteklině, ale už ve svých 26 letech objevil racemizaci, zrcadlové izotopy kyseliny vinné.
  • William Henry Perkin (1838–1907) roku 1856 (v 18 letech) připravil jako první anilinové barvivo, i když chtěl původně syntetizovat chinin.
  • Hanz von Pechman (1850–1902) v roce 1899 náhodně připravil první polyethylen zahříváním diazomethanu. Připravený produkt nemá průmyslový význam, ale dodnes se občas používá (pod názvem polymethylen) pro laboratorní analytické účely.
  • Eugen Sapper (1858–1912) náhodně připravil syntetické indigo, když při zahřívání dehtu omylem rozbil do reakční nádobky teploměr. Rtuť působila jako katalyzátor reakce.
  • – Alexander Fleming (1881–1955) objevil v roce 1928 náhodně penicilin, když nevědomky nakazil bakteriální kulturu stafylokoků plísní.
  • Eric Fawcett a Reginal Gibson připravili v roce 1935 v britských laboratořích ICI nízkohustotní polyethylen (LDPE), když do reakční tlakové nádoby s náhodně poškozeným víkem pronikl kyslík, katalyzátor reakce.
  • James Wright připravil v roce 1943 smíšením silikonového oleje a kyseliny borité elastický tmel (trikolínu, silly putty). Wright byl zklamaný, protože chtěl původně připravit syntetický kaučuk. Když však od něj patent na jeho materiál odkoupil v roce 1949 Peter Hogson, uplatnil jej jako hračku pro děti, která měla nečekaný úspěch.
  • Karl Ziegler (1898–1973) dostal (společně s Giuliem Nattou) v roce 1963 Nobelovu cenu za výzkum organokovových látek. Jejich katalytické účinky umožnily syntézu vysokohustotního polyethylenu (HDPE) a následně také izotaktického polypropylenu (PP).
  • Otto Wichterle (1913–1998) dostal nápad na syntetické hydrogely na měkké kontaktní čočky, když se v roce 1952 ve vlaku náhodou posadil vedle muže, který četl oftalmologický časopis. V roce 1961 mu byl udělen československý patent na přípravu kontaktních čoček rotačním odléváním.

Serendipita

Britský spisovatel Horace Walpole (1717–1797) obohatil v roce 1754 slovní zásobu angličtiny o nové slovo, serendipity. Inspiroval se perskou pohádkou „Tři princové ze Serendipu“. Serendip je starší název ostrova Ceylon, tedy Srí Lanky. Podle současných slovníků serendipity znamená schopnost nalézat hodnotné a příjemné věci bez předchozího záměru, nebo dokonce bez vlastního přičinění. Podle několika anket britských deníků jde o jedno z nejoblíbenějších anglických slov, často se tak jmenují i soukromé výletní lodě. Nicméně poté, co je Walpole ponejprv použil v dopise příteli, dlouho dřímalo v zapomnění. Když se však na počátku 20. století někteří badatelé začali soustavně zabývat historií vědeckých objevů, povšimli si, že mnoho z nich bylo nečekaných, jako by opravdu spadly z nebe. Právě slovo serendipity se zdálo být pro vyjádření role šťastných náhod příhodné. Existuje i ve tvaru přídavného jména – serendipitious. Výraz však bohužel velmi vzdoruje pokusům o překlad do jiných jazyků a ani v češtině pro něj nemáme vhodný ekvivalent. Musíme se tedy spokojit s trochu kostrbatým termínem „serendipita“. (Viz též Jaroslav Veis, Serendipita aneb Komu přeje náhoda, Vesmír 64, 468, 1985/8.)

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Technické vědy

O autorovi

Miroslav Raab

Prof. RNDr. Miroslav Raab, CSc., (*1938) vystudoval fyziku pevných látek na Přírodovědecké fakultě MU v Brně a dizertaci o mechanické pevnosti hydrogelů obhájil v roce 1968 na Matematicko-fyzikální fakultě UK v Praze. Mnoho let byl vědeckým pracovníkem Ústavu makromolekulární chemie AV ČR, nyní je v důchodu. Nadále však spolupracuje se svým mateřským ústavem a také s Univerzitou Tomáše Bati ve Zlíně, Technickou univerzitou v Liberci a Vysokou školou hotelovou v Praze. Kromě patentů a vědeckých publikací v mezinárodních časopisech uveřejnil řadu populárních článků v češtině a několikrát vystoupil v rozhlase a v televizi. Jeho úspěšná kniha Materiály a člověk, netradiční úvod do soudobé materiálové vědy, je stále aktuální.

Doporučujeme

Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...
Hranice svobody

Hranice svobody uzamčeno

Stefan Segi  |  4. 12. 2017
Podle listiny základních práv a svobod, která je integrovaná i v Ústavě ČR, jsou „svoboda projevu a právo na informace zaručeny“ a „cenzura je...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné