Věda v souvislostech II – Od boru ke zlatu
11. 3. 2011
Nejprve se v rekapitulaci vrátíme k první částí tohoto příběhu o souvislostech ve vědě. Navážeme na Michaelovo hledání způsobů, jak připravit velké klastry boru pro mikroelektroniku a pak přes středověká červená skla, barvená pomocí nepatrných částeček zlata se dostaneme k dnešním, moderním sportovním textiliím, obsahující stříbrné nitky, které právě nepatrná vrstvička zlata ochrání před oxidací. Prostě věda v souvislostech.
A v závěru Michael předvede všem zájemcům z řad mladých vědců, jakou podobu by mohlo mít jejich vystoupení v nově zahajované soutěži FameLab.
Filip: Michaelův příběh o souvislostech ve vědě začal v už minulém PORTu v pařížských parfumériích sprejem. Jenže základ rozstřikovače objevil už o sto let dřív Giovanni Venturi v Itálii.
Tereza: A o sto let později německý konstruktér Wilhelm Maybach využil tentýž princip a zkonstruoval karburátor.
Filip: Podmanivým zeleným plamene hoří sloučeniny boru. A právě na Michaelově výzkumu boru jsme sledovali další řetěz souvislostí ve vědě.
Tereza: Michael ještě za svých studií v Anglii a pak už i u nás v Česku hledal způsob, jak vytvořit velké shluky atomů boru – klastry.
Filip: Za Michaelem do Prahy tenkrát přiletěl z amerického Bostonu specialista na polovodiče.
Michael: Polovodiče se vyrábějí z plátků monokrystalického křemíku.
Filip: Křemík sám o sobě však vodivý není.
Michael: Aby se stal tak trochu vodivým – tedy polovodičem, musíte jej dopovat, …
Filip: … prostě obohatit …
Michael: …velice malým množstvím jiného prvku.
Tereza: Tam, kde náš příběh minule skončil, dnes navážeme.
Filip: Jedním z prvků, které můžeme použít k dopování křemíku, je bor. Naštěstí Michael je borový chemik.
Tereza: Dopovat křemík borem, to je jako kdybychom stříleli míčem – třeba do vinice.
Filip: Míč je atom boru a keříky révy jsou atomy křemíku, uspořádané do pravidelných řad v plátku křemíkového krystalu.
Tereza: V ideálním případě se vystřelený atom boru vychýlí o několik atomů křemíku, ztratí tak svoji pohybovou energii a pěkně se usadí mezi atomy křemíku, aniž by přitom pronikl příliš hluboko.
Filip: Existuje však pravděpodobnost, že někdy atom boru vletí hluboko mezi atomy křemíku v tomto plátku.
Tereza: V polovodičové součástce to ovšem způsobí, že z nich uniká proud a že jsou příliš velké.
Michael: Do dětských elektronických hraček to nevadí, ale například pro výkonné počítače to není vhodné.
Filip: Tak vznikl nápad dopovat atomy křemíku většími borovými klastry.
Michael: Tedy místo dopování jediným atomem teď používáme klastry s osmnácti nebo více atomy. Je ovšem mnohem méně pravděpodobné, že tyto klastry proniknou hluboko do křemíkového plátku.
Filip: A proto z něj vyrobíme menší polovodičové součástky.
Michael: A v elektronice co je malé – je dobré. Tehdy jsem toho samozřejmě moc nevěděl o dopování boru do křemíku a o mikročipech. Ale věděl jsem toho dost o tom, jak vytvářet velké klastry boru.
Filip: A tak Michael udělal přece jen určitý dojem v Bostonu a na polovodičový průmysl.
Michael: But our story does not stop there. Allow me to introduce to you my friend and colleagues, Dr. Tomáš Baše.
Ale náš příběh tady nekončí. Dovolte, abych vám představil svého přítele a kolegu, Dr. Tomáše Baše.
Ten se zajímá o tenké vrstvy borových klastrů na povrchu zlata.
Filip: Zlato. Tomáš uměl uspořádat pokusy se zlatým povrchem, a to právě díky tomuto krásně červeně zbarvenému sklu. To sklo je krásně červené proto, že obsahuje nepatrné částečky zlata. Lidé takovéto skleněné výplně vyráběli už od starověku, ale byl to až slavný Michael Faraday, který zjistil, že sklo je krásně červené právě díky tomu, že obsahuje jemné krystalky zlata.
Tereza: Tomáš Baše vyšel z původní Faradayovy metody a jednotlivé atomy zlata nechal za řízených podmínek vykrystalizovat v požadovaných krystalických soustavách do miniaturních krystalků.
Michael: And all crystals have perfectly formed flat surfaces. Really flat. Flat to the atom. So, because of Faraday and his work on gold crystals, Tomáš Baše had flat surfaces, on which he could immobilize his boron clusters. And he found, that gold surfaces with boron clusters on them have very interesting properties.
Všechny krystalky vytvořily dokonale rovný povrch. Opravdu rovný. Až na úroveň atomu. Díky Faradayově práci na krystalech zlata tak Tomáš Baše získal rovné povrchy, na nichž mohl uchytit své klastry boru. A zjistil, že tento povrch zlata s borovými klastry má velice zajímavé vlastnosti.
Michael: Začali jsme informovat svět o své práci. V Evropě, v Číně, v Japonsku. Ale bylo to během své přednášky v Jižní Africe, na konferenci o vědě o zlatu, …
Filip: … Jihoafrická republika má mnoho zlata …
Michael: … že Tomáš Baše se setkal s tímto mužem.
Filip: Jmenuje se Manfred Heuberger a pracuje ve výzkumném ústavu ve Švýcarsku.
Michael: Heuberger makes high-tech textiles using special fibres, coated with silver or gold.
Heuberger připravuje high-tech látky, které používají zvláštní vlákna, pokrytá stříbrem nebo zlatem.
Filip: Potom, co si vyslechl Tomášův referát na konferenci, navrhl, že by mohli společně pracovat na využití klastrů našich dvou chemiků. A to na pokrytí stříbrných a zlatých vláken v Heubergerových textiliích. (na Michaela)… A běhat!
Tereza: Pot vrcholových atletů, kteří používají Heubergerovy high-tech textilie, totiž koroduje stříbro v textilních vláknech. Heuberger tedy na svá stříbrná vlákna hledal neviditelnou ochrannou vrstvičku.
Michael: No a naše klastry jednak poskytují povrchovou ochranu, a jednak jsou velké asi jen jeden nanometr.
Filip: Co to je tohle to, co je? Makám, makám. Dělej! Jeď! No, nohy!
Michael: Takže děláme s Heubergerem na tom. Uvidíme, jaký osud budou mít naše malé klastry boru. Ale dokládá to názorně můj hlavní bod: že totiž věda je tak trochu jako tato skládanka.
Tereza: Jste mladý vědec nebo vědkyně?
Filip: Myslíte si, že dokážete i laikovi vysvětlit, nad čím bádáte?
Tereza: Už celý měsíc vás v Portu informujeme o nové soutěži pro mladé vědce, kteří chtějí svůj obor přiblížit široké veřejnosti.
Filip: FameLab je mezinárodní soutěž s mnohaletou tradicí. Jaká je její podstata? Michael si ukázku takového famelabovského vystoupení pro vás připravil.
Filip: Dámy a pánové, přichází další účastník naší show: chemik Michael!
Michael: Dobrý večer. Velké množství sloučenin s vodíkem tvoří dva prvky. Jen dva. Uhlík a můj miláček – bor. My všichni známe uhlovodíky. Benzín, který lijeme do aut, jídlo a pilulky, kterými plníme sebe, a dokonce oblečení, které si občas hodíme na sebe. Uhlovodíky mají takovou stavbu – řetězce a kruhy. Ovšem hydridy boru vypadají úplně jinak. Vytvářejí klastry. Prostorové mnohostěny jako je tenhle. Tyto rozdíly v jejich stavbě, způsob, jakým jsou atomy uspořádány, dává hydridům boru unikátní vlastnosti.
Tereza: Vaše vystoupení může být dlouhé maximálně tři minuty. Můžete jej doprovodit názornými rekvizitami, které si však na pódium musíte přinést s sebou.
Filip: Žádná projekce nebo jiná velká technika.
Michael: A právě tyto vlastnosti a jejich využití zkoumám ve své laboratoři.
Tereza: Vítězové národních kol se utkají začátkem června na světovém finále v anglickém Cheltenhamu.
Filip: Do prvního českého národního kola Famelabu, které proběhne v dubnu, se můžete přihlásit už jen do 21. března!
Tereza: Jeho účastníky vám představíme i u nás v PORTu!
Autoři: Vladimír Kunz, Michael Londesborough