Novinky v materiálové chemii

Materiálová chemie je termín, kterému odborníci i poučená veřejnost rozumí, ačkoli to není oficiální označení oboru třeba podle IUPAC. Existují mezinárodní konference a vědecké časopisy s tímto termínem v názvu, na českých a moravských univerzitách už existuje materiálová chemie jako studijní obor. Materiálová chemie spojuje poznatky věd o materiálech, které jsou spíše inženýrsko-fyzikální, s chemií organickou, anorganickou, fyzikální a biochemií. Cílem materiálové chemie je připravit prakticky využitelné pevné látky „ve zkumavce“, tedy výhledově v chemickém reaktoru, pochopit, jak fungují, a umět je ladit. Materiálová chemie je místem setkání chemiků-syntetiků, odborníků na strukturu i analýzu pevných látek, teoretických chemiků; mezi nimi se pohybují hledači inovací. V místech, kde se skutečně potkávají obory, se dá hodně naučit, tam se rodí budoucnost.

Materiálová chemie má na ÚACH dobrou tradici. V osmdesátých a devadesátých letech se tady vyvíjely přípravy pigmentů na bázi oxidů železa. Z roztoků zelené skalice (FeSO₄· 7H₂O), kyseliny sírové a amoniaku se připravovaly žluté, oranžové, červené, hnědé a černé pigmenty. Jejich barva se řídí fázovým složením, kryvost a odstín velikostí a tvarem částic, to vše kontrolovaly jednoduše reakční podmínky. V ÚACH tato práce vyvolala potřebu mít vedle syntetické laboratoře elektronový mikroskop ke kontrole produktů a k následné optimalizaci syntéz. Současné úspěchy týmu V. Štengla při přípravách fotokatalyzátorů na bázi TiO₂ jdou podobnou cestou. Fotokatalyzátory se připravují z roztoků Ti-OSO₄ původními (patentově chráněnými) postupy. Syntetici si hned po syntéze měří specifický povrch BET, IČ a UV-Vis spektra, velikost a tvar částic kontrolují mikroskopií atomových sil (AFM-STM, snímek v režimu AFM je na obr. 1), kinetiku katalyzovaných reakcí zjišťují ve vlastních aparaturách pro fotooxidaci butanu a fotodegradaci roztoků barviv. Optimalizace syntetických postupů je pak pro chemika-syntetika radost. Výsledkem jsou fotokatalyzátory na bázi TiO₂ aktivované UV nebo viditelným světlem (např. V. Štengl et al., Chemistry Central Journal, 2012, 6, DOI: 10.1186/1752-153X-6-113).

Tým Václava Štengla provádí delaminaci grafitu na grafen (V. Štengl, Chemistry, A European Journal 18, 14047–14054, 2012) nebo MoS₂ (V. Štengl a J. Henych, Nanoscale 2013, DOI: 10.1039/C3NR00192J, viz obr. 1) pomocí dvoukilowatového ultrazvukového generátoru v tlakovém reaktoru podle postupu patentovaného V. Štenglem et al. v roce 2000. Připravují se tak „kvantové tečky“, tj. rozpustné nanočástice s luminiscencí, jejíž emisní maximum závisí na vlnové délce. Za úspěch lze považovat už samotnou delaminaci s vysokým výtěžkem prakticky bez potřeby chemikálií nebo nutnosti vysokého vakua jako většina dosud známých postupů přípravy grafenu. Centrum kompetence, které mělo vyvíjet prakticky použitelné kompozitní materiály s grafenem (Vesmír 91, 414, 2012/7) se sice bohužel nepodařilo odstartovat, ale laboratorní vývoj technik pro přípravu a charakterizaci grafenu a jeho analogů probíhá úspěšně (V. Štengl et al., Chemistry Central Journal, 2013, 7, DOI: 10.1186/1752-153X-7-41).

Skupina homogenní katalýzy na ÚACH studovala asi od osmdesátých let vznik a vlastnosti singletového kyslíku. Týmu K. Langa z Laboratoře bioanorganické chemie se tyto znalosti a dovednosti podařilo spojit s chemickou syntézou a dosáhnout úspěchu v oblasti materiálové chemie. Podařilo se například nalézt novou metodu přípravy nanodestiček ZnO pro fotokatalýzu ( J. Demel et al., J. Phys. Chem. C 115, 24702–24706, 2011). Nejde o obyčejný zincit s malými částicemi, ale o nanočástice, připravené dehydratací vrstevnatého hydroxidu zinečnatého v alifatických alkoholech, ze kterých lze metodou dip-coating připravit průhledné fotoaktivní vrstvy na skle. Dalším cenným výsledkem je příprava a popis porfyrinových organometalických sítí (metal-organic framework, MOF, viz obr. 2) s možným využitím pro fotoindukované reakce (J. Demel et al., Inorg. Chem. 52, 2779–2786, 2013). MOF jsou hybridní porézní materiály z anorganických kationtů, které jsou propojeny organickými ligandy (v tomto případě fotoaktivní porfyriny). Jestliže je výsledná struktura dostatečně stabilní, lze získat materiály s vysokým objemem kanálků či pórů, navrhované např. pro uskladňování plynů jako H₂ nebo CO₂, jejich separace nebo čištění, jako nové katalyzátory nebo senzory. MOF s porfyrinovými ligandy z laboratoře K. Langa produkují po ozáření světlem vysoce reaktivní singletový kyslík. Je to další možná odpověď na otázku, jak využít výjimečné vlastnosti molekulárních látek, porfyrinů, ve stabilních materiálech. Jejich nový MOF má podél osy b krystalové buňky kanálky o průřezu 4×5 Å, jejichž objem tvoří cca 25 % struktury. Stěny kanálků jsou tvořeny fotoaktivními porfyrinovými ligandy.

Skupina K. Langa úzce spolupracuje i s týmem J. Mosingera (z Přírodovědecké fakultuy UK). Podařilo se popsat originální baktericidní a nedávno i virucidní nanotkaniny (Y. Lhotáková et al., PLoS ONE 2012, 7, e49226) připravené metodou electrospinning, navrhované jako krycí materiály v medicíně. Modifikované nanotkaniny dopované porfyrinovými fotosensitizátory produkují singletový kyslík po ozáření viditelným světlem, který ničí bakterie a viry na svém povrchu. K praktickému využití materiálové chemie ale vede obtížná a dlouhá cesta (Vesmír 89, 299, 2010/5). Chemičtí vědci po ní kráčí rádi, pokud staví na výsledcích výzkumné práce svého týmu, protože jen pak mají sílu překonávat všechna úskalí realizace nápadu. Inovačnímu potenciálu materiálové chemie stojí v cestě mnoho drobných těžkostí, a dokud nejsou překonány, je výsledek nejistý.

Informace o pracovišti: www.iic.cas.cz