Medzinárodný tím, ktorého ste súčasťou, vyvíja katalyzátor využiteľný na premenu CO2. O čo presne ide?
Začnime tým, čo je vlastne katalyzátor. Katalyzátory – a to aj tie, ktoré máme v tele – uľahčujú chemické premeny. Z vonkajšieho pohľadu sa reakcie nezúčastňujú, sú to pomocníci alebo sprievodcovia. Katalyzátory v našom tele sú napríklad enzýmy, bez nich by dané chemické reakcie prebiehali miliónkrát pomalšie.
Ako by mohol katalyzátor na premenu oxidu uhličitého fungovať a kde by sa dal použiť?
Zdrojom oxidu uhličitého sú továrne alebo uhoľné elektrárne, už dnes pritom existujú technológie, ktoré plyn priamo pri týchto zdrojoch môžu zachytiť a prečistiť. My by sme ho potom pustili do takzvaného elektrolyzéra. Môže ním byť obrovská kaďa s elektródami, na ktoré privedieme vonkajšie napätie. Elektrická energia je jedným z reaktantov v chemickej reakcii, ktorá môže zaistiť premenu oxidu uhličitého na iné látky.
Namiesto toho, aby sme CO2 vypúšťali do atmosféry, by sme ho teda mohli využiť a premeniť na niečo užitočné. O aké látky by išlo?
Katalyzátor by mal vedieť premeniť oxid uhličitý na oxid uhoľnatý, metanol alebo kyselinu mravčiu. Všetky tieto látky sú ďalej využiteľné v priemysle. Napríklad kyselina mravčia sa používa v gumárenskom priemysle alebo pri výrobe farieb, metanol zase ako rozpúšťadlo.
Čítajte aj Mravce vedia z moču "zistiť" rakovinu
Nápad zachytiť oxid uhličitý a premeniť ho na ďalšie zdroje surovín znie logicky. Prečo sa to už dávno nerobí?
Zatiaľ sa s premenou CO2 nepočítalo, pretože sa nevyplatila. V priemyselnej výrobe sa využívajú prevažne fosílne palivá, ktoré sú, alebo skôr doteraz boli, relatívne lacné. Práve preto za každou uhoľnou elektrárňou alebo továrňou nie je prečisťovač, ktorý by unikajúci oxid uhličitý zachytil, natlakoval a pripravil na ďalšie použitie. Teraz pri rastúcich cenách a nedostatočných zdrojoch fosílnych palív sa to môže meniť.
V úvode som vás predstavila ako „simulantku“, čo znie akoby ste predstierali zranenie alebo chorobu. V chemickom slovníku to ale znamená niečo iné, však?
Áno. Simulanti – či presnejšie výpočtovej chemici – modelujú molekuly na počítači. Chemický experiment totiž neukáže úplne všetko – experimentátori sa napríklad spýtajú: „Čo sa stane, keď do roztoku pridám takúto prímes?“ No a my, simulanti, namodelujeme príslušnú situáciu v počítači a pozrieme sa na celý proces na molekulovej úrovni.
Takže ide o počítačové simulácie chemických reakcií?
Presne tak. Rozširujeme možnosti experimentov. Podľa požiadaviek z tímu pridáme do programu, čo je potrebné, a pozeráme sa, čo sa stane. Ide jednak o presné vysvetlenie pozorovaného, ale aj o predpovedanie. Interpretácia a skúsenosť pri tom zohrávajú veľkú úlohu.
Skúsme ešte konkrétnejšie vysvetliť, ako simulácia prebieha…
Zásadné je vytvoriť modelový systém a starostlivo rozmyslieť, ako presne ho treba popísať. Do počítačového programu samozrejme nemôžem napchať celú skúmavku, ale musím si vybrať len niekoľko molekúl, niekedy napríklad dve tri, inokedy stovky rôznych molekúl, vždy tak, aby simulácia najlepšie zodpovedala experimentu a aby ju bolo možné s danou presnosťou spočítať.
Čítajte aj Ľuďom sa možno začalo dariť po celom svete vďaka altruizmu k iným druhom
Máte k dispozícii výkonný počítač, aby zvládol zložité výpočty?
Môj stolný počítač nadupaný ani byť nemusí, ale počítačové klastre, ku ktorým sa pripájam, áno. Na niektoré výpočtové otázky stačí pár procesorov, ale náš modelový systém musí byť veľký, využívame preto superpočítačové centrá.
Chemické laboratórium si každý vie predstaviť, vám ale na prácu stačí počítač. Predpokladám, že skúmavka teda nie je vašim denným pracovným nástrojom?
To skutočne nie je. Kolegovia mi niekedy zo srandy hovoria, veď ty len celý deň sedíš, piješ kávu a pozeráš sa na videá molekúl. Aj tak by sa dalo povedať, že vyzerá môj pracovný deň. Ale to je, samozrejme, nadsadené. V skutočnosti veľa diskutujem s kolegami experimentátormi, zisťujem, ktoré zložky považujú za dôležité, a pripravím podľa toho modelový systém. Poviem si, čo v ňom nutne musí byť, ktorú látku budem premieňať, pripravím si všetky prímesi, zadám teplotu a tlak a spustím simuláciu. Nemenej dôležité je vyhľadávanie a čítanie článkov a sledovanie noviniek vo vývoji výpočtových metód a programov.
Používate nejaký špecifický chemický softvér?
Používam rôzne programy na kvantovo-chemické výpočty, simuláciu molekulovej dynamiky a zobrazovanie molekúl. Sú veľké skupiny odborníkov, ktoré sa zaoberajú ich vývojom, tieto programy často bývajú freeware, teda voľné na použitie. Potom existujú chemickou komunitou dlhodobo prijímané rovnice, ktoré ale nevieme presne vyriešiť. Preto je toľko metód s rôznou presnosťou, a tie sa používajú na dané kroky. Dám do programu relevantné molekuly, spustím pohybové rovnice a potom na videu pozorujem, čo sa stane. V tej fáze prichádza hlavná úloha simulanta – klásť si správne otázky a interpretovať, čo presne sa deje.
Je už výpočtová chémia bežnou súčasťou výučby na slovenských vysokých školách?
Napríklad na Vysokej škole chemicko-technologickej alebo na Karlovej Univerzite sa študenti stretnú s úvodným kurzom do výpočtovej chémie už na bakalárskom stupni. Počas magisterského štúdia si potom môžu vyskúšať metódy, ktoré umožnia simulovať väčšie súbory a systémy. Pred zhruba desiatimi rokmi to ale ešte úplne bežné nebolo. Dnes si aj každý potravinársky chemik môže spustiť svoj vlastný kvantovo-chemický výpočet. Programy sú voľne k dispozícii.
Čítajte aj Na hádzanie žabiek sú najlepšie ťažšie kamene v tvare zemiakov, tvrdia vedci
Vás chémia naozaj baví, je vidieť, že robíte svoju vysnívanú prácu. Ako ste sa k chémii dostali, mali ste ju rada už v škole?
Pre chémiu som zahorela vďaka svojmu stredoškolskému profesorovi, Vladimírovi Vítovi z Gymnázia Ostrov. Je to úžasný pedagóg, veľmi ma podporoval v účasti na chemickej olympiáde, a nielen v nej. Práve vďaka nemu som sa rozhodla ísť študovať chémiu.
V škole je chémia skôr o pokusoch než o výpočtoch. Ako ste sa dostali ku kvantovej chémii?
Nie som z Prahy, ale vďaka chemickej olympiáde (Eva zvíťazila v jej svetovom kole, ktoré sa konalo v roku 2005 na Taiwane) som mala v hlavnom meste pár kontaktov a išla som sa pozrieť do laboratória Pavla Jungwirtha v Ústave organickej chémia a biochémia AV ČR. Pavel Jungwirth je považovaný za guru výpočtovej chémie a počítačových simulácií a ja som u neho nastúpila na stáž. Už počas magisterského a potom doktorandského štúdia som sa tak dostala k mnohým zaujímavým témam.
Aktívne sa podieľate na programe Otvorenej vedy, ktorý ponúka študentom stredných škôl možnosť stáží vo vedeckých ústavoch. Hrá v tom úlohu práve vaša dobrá skúsenosť s inspiratívnym školským prostredím?
Úplne určite. Svojmu profesorovi na strednej škole a účasti na chemickej olympiáde vďačím za to, že mám teraz celkom zaujímavý život. Snažím sa to vracať napríklad práve Otvorenou vedou. Študenti sa hlásia do projektov, ktorým sa venujem, majú o nich záujem. Obohacujúce je to aj pre mňa, musím sa vďaka nim viac zamýšľať nad tým, ako svoj výskum vysvetľovať. Na konci roka je vždy konferencia Otvorenej vedy, na ktorej vidíte naozaj výborné vedecké prezentácie zapálených študentov. Mám veľkú radosť a považujem prácu so študentmi za dôležitý výsledok mojej vedeckej činnosti, v čom možno dôležitejšia, než by bola publikácia v odbornom časopise.
Čítajte aj Hračky už nie sú len pre deti, ich výrobcovia cielia aj na dospelých
Spomenuli ste, že už počas štúdia ste sa dostali k mnohým zaujímavým témam. Čo všetko sa vlastne dá modelovať v chemických počítačových programoch?
Napríklad som simulovala, ako mrzne voda v atmosfére alebo ako prebieha radiačné poškodenie DNA. Tiež sa dá pozrieť, ako fungujú enzýmy v rôznom prostredí. Aktuálne sa v spolupráci s Michalom Fárníkom u nás v Ústave fyzikálnej chémie J. Heyrovského AV ČR venujem atmosférickej chémii a astrochémii. Keď človek pochopí základy simulácií, ide skoro všetko. Pochopiteľne, nie vo všetkom môžem ísť do hĺbky. Na druhú stranu veľa vedcov sú odborníci na jednu danú tému a je pre nich zložité nájsť spoločnú reč s ostatnými. Ja svoju úlohu vidím aj v tom, že som schopná rôznych ľudí prepájať.
Fungujete vlastne ako taký katalyzátor…
Áno, aj tak sa to dá povedať. Taký katalyzátor rôznych myšlienok a prúdov.
Text: Leona Matušková, Divízia vonkajších vzťahov SSČ AV ČR