Hraju šachy s krystaly

Projekt, který letos v lednu vyvrcholil článkem v časopisu Science,¹⁾ začal kolem roku 2006. Palatinus se tehdy během postdoktorandského studia ve Švýcarsku věnoval rentgenové krystalografii, ale přičichl i ke krystalografii elektronové. Věděl, že má pověst limitované metody, nepoužitelné k přesnému určení vnitřních struktur krystalů. Jemu se to ale nezdálo. „Dostal jsem takový neodbytný pocit, že to tak nemůže být, že musí existovat metoda, jak se s pomocí elektronů podívat detailně do nitra krystalů,“ vzpomíná po letech. Tehdy ještě neměl čas se své myšlence věnovat naplno. Když se však roku 2009 vracel zpátky do Česka, už to bylo s představou, do čeho se chce pustit – měření rozptylu (difrakce) elektronů na krystalech.

Jak elektronová difrakce funguje? — Každý krystal je pravidelné uspořádání nějakých základních atomových nebo molekulárních motivů. V trojrozměrném prostoru se opakují podobně jako třeba řádky brambor na poli. Pokud tedy elektronovou difrakci přirovnám k takovému poli, při určitém pohledu vidím všechny linie řádků brambor ubíhající rovnoběžně kamsi na druhý konec pole, při jiném pravidelnost zmizí a výsledkem je pohled na neporušenou plochu zeleně. Nejsem-li však schopen vidět tuto strukturu vlastními smysly, potřebuji nějakou metodu, kterou stanovím, jak je pole osázeno. Mohu to udělat tak, že přes pole vyšlu partu lidí a počkám si na ně na druhé straně. Podle toho, jestli na druhou stranu pole přijdou v hloučcích, nebo se při průchodu polem rozptýlí, mohu usuzovat, jestli šli po směru řádků, nebo napříč. V krystalografii je pole měřený krystal a lidé záření rentgenových paprsků nebo elektronů. Pokud skutečný krystal prosvítím, spatřím na detektoru za prosvěcovaným materiálem difrakční obrazec, jehož vzhled ovlivnilo to, jak je hmota uvnitř krystalu uspořádaná. Obrazec vypadá jinak, když záření prochází krystalem orientovaným tak, že jsou jednotlivé stavební kameny krystalové mřížky „v zákrytu“˝, a jinak, pokud záření prochází pod jiným úhlem.

To v zásadě popisujete tradiční krystalografické metody. Co jste udělali jinak, že jste svým aktuálním výzkumem pronikli až na titulní stránku časopisu Science? — U běžných metod elektronové difrakce se pracuje s nepohyblivým elektronovým svazkem. Krystal je nějak nastaven, a když jím svazek elektronů prolétá, rozptyluje se na atomech tak, že výsledný difrakční obrazec je velmi citlivý právě pro jedno přesné nastavení krystalu. Abychom tuto citlivost omezili a abychom z obrazců „vytáhli“ informaci o prostorovém uspořádání atomů, použili jsme metodu precesní elektronové difrakce. Při ní krystalem prochází záření, které vykonává precesní pohyb. Je to asi jako bychom na nějakou osvětlovanou scénu při fotografování svítili baterkou, která je připoutána na lanku, jímž točíme jako vrtulí letadla, ale světlo baterky stále míří do jednoho bodu. V detektoru za krystalem je opět difrakční obrazec, avšak v určitých detailech odlišný. Tím, že paprsek ozařuje krystal z mírně se měnícího směru, zprůměrujeme rušivé vlivy tak, že jsou podstatně méně významné, a do popředí vystoupí kýžená strukturní informace. Je to, jako kdybych se snažil určit denní teplotu tím, že zprůměruji mnoho jednotlivých měření z celého dne. Stojí za zmínku, že precesní metoda byla vyvinuta R. Vincentem a P. A. Midgleym už v roce 1994. Trvalo ale dvě desetiletí, než se postupně podařilo její potenciál úplně pochopit a využít.