V letech 2024–2028 bude Ústav termomechaniky AV ČR stát v čele vědeckého projektu s názvem „Feroické multifunkcionality“ (FerrMion). Ve výzvě Operačního programu Jan Amos Komenský (OP JAK) – Špičkový výzkum ústav uspěl ve velké konkurenci společně se 4 dalšími vědeckými institucemi – Fyzikálním ústavem AV ČR, Ústavem jaderné fyziky AV ČR, Českým vysokým učením technickým v Praze a Univerzitou Karlovou.
Do výzvy OP JAK – Špičkový výzkum spolufinancované Evropskou unií bylo podáno 76 projektů, z nichž financování získalo pouze 26 . Cílem výzvy bylo podpořit mezioborový výzkum s vysokým potenciálem vytvoření špičkových a v budoucnu aplikovatelných výzkumných výsledků, výzkumu postaveného na excelentním výzkumném týmu a rozvoji mezinárodní spolupráce výzkumných organizací. Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy, jež program OP JAK řídí, si od podpořených projektů slibuje, že přispějí ke zvýšení zapojení českých výzkumných organizací do mezinárodního výzkumu, tvorbě většího počtu špičkových výsledků a rozvoji konkurenceschopnosti České republiky.
O tomto významném úspěchu Ústavu termomechaniky AV ČR a jeho partnerů jsme hovořili s hlavním řešitelem projektu, profesorem Hanušem Seinerem, vedoucím Oddělení ultrazvukových metod Ústavu termomechaniky AV ČR.
V první řadě blahopřeji k zaslouženému úspěchu! Projekt FerrMion si klade za cíl popsat chování feroických materiálů pomocí různých vědních oborů a umožnit využití jejich jedinečných vlastností v průmyslu. Co jsou vlastně feroické materiály a jaké jedinečné vlastnosti mají?
Odpovím trochu oklikou: většina pevných materiálů, přírodních i technických, má nějakou vnitřní mikrostrukturu, která je často určující pro makroskopické vlastnosti. Feroika jsou výjimečná tím, že jejich mikrostruktura je do jisté míry pohyblivá a my ji můžeme z vnějšku ovládat, překlápět mezi různými orientacemi. Třeba magnetickým polem, změnami teploty, nebo mechanickým zatížením. A důležité je, že feroika reagují na takové podněty okamžitě. Jsou to tedy materiály, které lze z vnějšku dynamicky řídit – jako by to byly jednoduché stroje nebo elektromagnetické součástky.
S pohyblivostí mikrostruktur a se schopností feroik pohyblivé mikrostruktury vytvářet souvisí i řada dalších unikátních vlastností, ať už je to mechanická nestabilita, využitelná v biomedicínských aplikacích, nebo schopnost odčerpávat z okolí teplo, která by jednou mohla umožnit konstrukci chladících zařízení velmi šetrných k životnímu prostředí.
Krystal feroelastické slitiny Cu-Al-Ni
Každý vědní obor má své aktuální výzvy, které se vědci na celém světě pokoušejí překonat. Jaké konkrétní vědecké cíle má FerrMion?
V projektu se těch vědních oborů sešlo více. A klademe si společně otázku: co vlastně brání přenesení laboratorních poznatků o feroických jevech blíže k aplikovanému výzkumu? Řekněme pro jednoduchost, že cílem FerrMionu je tuhle otázku zodpovědět. Ve skutečnosti jsme ale projekt koncipovali tak, abychom se po cestě k tomu cíli potýkali právě s aktuálními výzvami každého oboru. Kolegové metalurgové v týmu se budou snažit aplikovat poznatky z fyziky feroik při vývoji nových slitin pro biomimetické kloubní náhrady, matematici zase zformulovat rovnice popisující přenos tepla z feroických součástek do proudících tekutin a najít při tom společnou řeč s odborníky na chladiva, kteří jsou v týmu také. Jsou zde technologické výzvy, jako příprava feroických součástek 3D tiskem nebo iontovou implantací, i výzvy teoretické, třeba jak podchytit provázanost mezi různými feroickými jevy pomocí počítačových kvantově-mechanických modelů.
V rámci projektu bude zakoupen vědecký přístroj v hodnotě 150 milionů Kč, tzv. „3D tomografie s atomární sondou“. Tento přístroj bude unikátní nejen v České republice, ale i ve střední a východní Evropě. Jaký je přínos tohoto přístroje pro výzkum feroických materiálů a jaké výsledky si od něj slibujete?
Tomografie s atomární sondou je klíčová pro propojení fyziky feroik na nanoskopické atomární úrovni se vznikem mikrostruktur na tisíckrát delších prostorových škálách. Ukáže nám, jak homogenně jsou v krystalech feroik rozmístěny atomy různých chemických prvků. Díky ní budou teoretici vědět, jaké atomy se potkávají v mřížce krystalu, a dávají tak vzniknout feroickým jevům, materiáloví vědci zase v jak velkých oblastech v materiálu k takovým vhodným „setkáním“ dochází. Je to fascinující experimentální metoda, stále se vyvíjející a stále otevírající nové obzory. Myslím, že budu mluvit za celý tým FerrMionu, když řeknu, že se na práci na takovém zařízení ohromně těšíme. Nejen že to bude skutečně první zařízení tohoto druhu v zemích bývalého východního bloku, ale máme také ambici být prvním, kdo se zaměří na použití tomografie s atomární sondou pro materiály s pohyblivými mikrostrukturami, což už je samo o sobě příslibem velkého vědeckého dobrodružství.
V jakých průmyslových aplikacích se budou moci uplatnit výsledky projektu? Existují nějaké perspektivní aplikace i pro Českou republiku?
Zcela nepochybně existují. Už jsem zmiňoval biomedicínské inženýrství, kde má český průmysl dlouholetou tradici ve výrobě feroelastických cévních výztuh nebo kloubních náhrad na bázi metastabilních titanových slitin. Zájem o výzkum plánovaný v projektu FerrMion ale projevily a projekt oficiálně podpořily i firmy z mnoha dalších odvětví, od strojírenství, přes elektrotechniku, až po zbrojařský průmysl. Koncept aktivních, z vnějšku řiditelných materiálů je v principu pro aplikace vždycky atraktivní. My ale říkáme, že chceme vyvíjet nástroje, tím myslím matematické a počítačové modely, technologické postupy a experimentální protokoly, které budou moci vývojáři z podniků přímo používat. A to pochopitelně vyvolává ještě větší zájem. Nebavíme se jen o už existujících aplikacích, naopak, chceme otevřít prostor diskuzi o konceptech, které zatím neopustily laboratoře. Třeba o superelastických slitinách pro aplikace v ohebné elektronice, o využití feroických nanočástic v bateriích, nebo o takzvaných doménových superkrystalech, které lze modifikováním feroické mikrostruktury měnit z vodiče na izolant a zpět. Fantazii se meze nekladou.
Takto velký vědecký projekt nepochybně přispěje k rozvoji stávajícího týmu O ddělení ultrazvukových metod. Jakým způsobem se bude tým rozvíjet?
Věřím, že se nebude rozvíjet jenom tým našeho oddělení, ale celý ústav. Projektu se z něj účastní tři oddělení, kromě nás je to ještě Oddělení termodynamiky, které se zaměří na využití kalorických efektů, jako je feroické chlazení a feroický ohřev, a Oddělení rázů a vln v tělesech, které přispěje svoji dlouholetou zkušeností s počítačovým modelováním mechaniky složitých nelineárních systémů. Projekt nám dává příležitost otevřít nová témata, najmout nové lidi, internacionalizovat týmy a naopak naše mladé pracovníky vysílat na zahraniční stáže na prestižní univerzity.
Přímo Oddělení ultrazvukových metod bude přispívat tím, co umíme nejlépe. Analýzou nestability krystalové mřížky ve feroikách pomocí ultrazvukových vln a laserů a teoretickou diskuzí s tím související mechaniky mikrostruktur. Rozšířením tohoto přístupu o poznatky z tomografie s atomární sondou může náš výzkum získat zcela nový rozměr a určovat směřování celého projektu.
S vedením vědeckých projektů, v nichž je zapojeno několik špičkových pracovišť, má oddělení ultrazvukových metod značné zkušenosti a má za sebou řadu úspěchů. Rozpočet 500 mil. Kč pro celý projekt, z toho téměř polovina pro Ústav termomechaniky AV ČR, ale znamená posun na novou úroveň. Jak je projektový tým ústavu na tento úkol připraven?
Ta částka skutečně budí respekt a hodně zavazuje. Nevěřím, že v České republice nebo i celosvětově existuje vědecký tým, pro který by takový projekt nebyl výzvou. Mám vedle sebe v týmu skvělé kolegy, na které se mohu vždycky spolehnout. Jsme připraveni nejlépe, jak umíme – máme odhodlání, chuť do práce a dostatečnou odbornou erudici. S vedením ústavu, s ostatními partnery konsorcia i s Ministerstvem školství máme společný zájem, a to aby ta částka přispěla co nejvíce k rozvoji a fungování české vědy. Pokud nikdo z nás tenhle zájem neztratí ze zřetele, všechno se nakonec podaří.
Na závěr bych si dovolil osobní otázku. Každý vědec má své sny. Jaké jsou ty Tvoje a jak Ti v jejich naplnění pomůže FerrMion?
Řekl bych to jinak: každý dobrý vědec by měl být i snílek, a to já jsem. FerrMion teď aktuálně znamená, že na to snění já i kolegové z týmu budeme mít ještě o trochu méně času než doposud. Čeká nás spousta práce s administrativou, rozšiřováním a řízením týmu, rekonstrukcí laboratoří, nákupy a instalací přístrojů. O tom nikdo z vědců nesní. Ale až to překonáme, projekt se rozběhne a naplní své cíle, tak se snad budeme moct ohlédnout a uvidět za sebou pořádný kus dobré vědecké práce. To je, řekl bych, můj sen.
Rozhovor připravil: P. Zima
Prof. Ing. Hanuš Seiner, Ph.D., DSc.
Hanuš Seiner se narodil v r. 1981 v Pardubicích. Titul Ph.D. získal v roce 2008 na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze. V roce 2016 získal cenu Otto Wichterleho, kterou Akademie věd ČR uděluje vynikajícím mladým vědcům a vědkyním, a v roce 2021 vědecký titul doktor věd (DSc.) v oboru Teoretická a aplikovaná mechanika, který Akademie věd ČR uděluje významným osobnostem, jenž svou prací významně přispěly k rozvoji svého vědeckého oboru. V roce 2022 získal titul profesora v oboru Fyzikální a materiálové inženýrství na ČVUT v Praze.
Během své vědecké kariéry absolvoval Hanuš Seiner několik zahraničních stáží, např. na Oxfordské univerzitě ve Velké Británii, v Leibnizově ústavu fyziky pevných látek v německých Drážďanech a na Tallinské technické univerzitě v Estonsku. V roce 2017 získal Fulbrightovo stipendium a strávil roční badatelský pobyt na University of Minnesota v USA.
Odborně se zabývá studiem mechanických vlastností pevných látek, zejména kovových materiálů, a to jak experimentálně pomocí pokročilých metod využívajících principy akustiky a laserové optiky, tak teoreticky vývojem modelů feroických materiálů na úrovni zobecněné mechaniky kontinua.