Modelovanie nového sveta [Quark]

Mariana Derzsi už na strednej škole vedela, že chce pracovať vo výskume. Baví ju štúdium a spoznávanie sveta. Pomocou matematiky, fyziky a počítačov modeluje na atómovej úrovni nové perspektívne materiály a pomáha ich vzniku a využitiu v praxi.

Ako ste sa dostali k modelovaniu atómovej štruktúry nových materiálov?
Na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky UK som sa po druhom ročníku štúdia rozhodovala, ako ďalej. Keďže ma lákalo prepojenie vedy so životom, vybrala som si špecializáciu biofyzika a molekulárna fyzika, čiže štúdium fyzikálnych procesov v živom organizme na molekulovej úrovni. Moja profesijná orientácia sa začala väčšmi kryštalizovať, keď som nastúpila na doktorandské štúdium na Ústav anorganickej chémie SAV. Tu som sa začala venovať štúdiu vodíkových väzieb v molekulových kryštáloch. Túto tému som si vybrala preto, lebo tieto väzby hrajú dôležitú úlohu akéhosi atómového lepidla v živých organizmoch, napríklad spájajú dve ramená v DNA dvojzávitnici.

V čom spočíva modelovanie a prepojenie vedy so životom?
Mňa fascinovalo počítačové modelovanie na atómovej úrovni a spojenie výsledkov modelovania s experimentom. To, že vieme zobrať informáciu z experimentu, urobiť si počítačový model tejto štruktúry a vypočítať rôzne mikroskopické aj makroskopické vlastnosti namodelovanej štruktúry, napríklad elektrické alebo optické vlastnosti. Dokonca si môžeme vymyslieť novú štruktúru. Samozrejme, vymýšľame na základe fyzikálnych zákonitostí, a vieme vypočítať, či náš vymyslený model môže v praxi existovať. Máme teda k dispozícii veľmi silné nástroje, ktoré nám pomáhajú predpovedať vlastnosti materiálov a to, či vôbec má význam takéto materiály hľadať.

S témou, ktorej sa venujete, ste začali v Poľsku?
Po obhájení doktorátu som šla do Ústavu jadrovej fyziky v Krakove, kde som pracovala v oddelení profesora Krysztofa Parlinského, autora programu na štúdium dynamiky mriežky. Chcela som sa zdokonaľovať v jeho programe. K téme, na ktorej pracujem, som sa však dostala vo Varšave. Tamojšie Technologické laboratórium nových funkčných materiálov sa zaoberalo presne tým, čo som chcela robiť. Tu som začala modelovať materiály, ktoré sa v tomto laboratóriu aj syntetizovali. Našou hlavnou ideou bolo syntetizovať a namodelovať ešte neexistujúce materiály, ktoré sme chceli vytvoriť.

Nanorúrky so štvorcovým prierezom, váš doteraz najvýznamnejší objav, boli výsledkom vtedajšieho bádania?
Nanorúrky neboli naším pôvodným cieľom. Vtedy sme získali materiály, anorganické kryštály, ktoré majú na atómovej úrovni zvlnenú vrstevnatú štruktúru. Chceli sme však pripraviť materiál, ktorý by mal túto vrstevnatú štruktúru v rovnobežných vrstvách.
Takúto štruktúru totiž majú vysokoteplotné supravodivé materiály z keramiky na báze medi. My sme chceli vytvoriť štruktúru nových materiálov tiež v rovnobežných vrstvách a očakávali sme podobné vlastnosti, ako majú vysokoteplotné supravodiče.
Hlavnými atómami v supravodivých vrstvách sú meď a kyslík. Chceli sme pripraviť materiál s podobnými vlastnosťami, ale vymenili sme meď v štruktúre za striebro a namiesto kyslíka sme chceli mať v štruktúre fluór. Ide o zlúčeninu AgF2, ktorá má tiež štruktúru vo vrstvách, ale nie je plochá. Aplikáciou veľmi silných tlakov sme sa snažili zvlnenú štruktúru vyrovnať. Na naše prekvapenie sa však zvlnené vrstvy pôsobením silného tlaku nevyrovnali, začali sa lámať a stočili sa do rúrky. To sme neočakávali, mysleli sme si, že to je neefektívne využitie priestoru.

Ako tento výsledok ovplyvnil váš ďalší výskum?
Prešli roky výskumu, kým sme dokázali predpovedať, čo sa deje v našom experimente. Jeden z dôvodov, prečo to bolo náročné, bol ten, že zlúčenina AgF2 je veľmi reaktívna, reaguje s vodou aj s kyslíkom a možno s ňou pracovať len v uzavretom priestore a v iner-tnej atmosfére. Z toho vyplývalo množstvo technických problémov pri experimente. Až po prekonaní týchto problémov sme získali čisté dáta z experimentu. A hoci sme už konečne mali údaje z experimentu, pretože išlo o úplne novú, dovtedy neznámu štruktúru, nedokázali sme ju identifikovať. Na jej identifikáciu potrebovali experimentátori vhodný začiatočný model, ktorý by upravili tak, aby dobre interpretoval získané výsledky.

Ako ste im so začiatočným modelom pomohli?
Vrátili sme sa k nášmu modelu, v ktorom sme simulovali pôvodnú zvlnenú štruktúru pod veľmi veľkým tlakom. Ako som už uviedla, vypočítali sme, že namiesto toho, aby sa vrstvy vyrovnali, začali sa lámať a spájať do nekonečných rúrok. Náš model sme poskytli experimentátorom, aby ho mohli otestovať. Presne kopíroval výsledky, ktoré sa získali z experimentu. To bol dôkaz, že experimentálne pripravený materiál je taký, aký sme my predpovedali v modelovaní - skutočne vznikli nanorúrky.
Vo všetkých elementárnych nanorúrkach, ktoré sme dovtedy poznali, bol základným stavebným blokom šesťuholník. Naše rúrky však majú ako základný stavebný blok štvorec a nanorúrka má tvar stočenej šachovnice. V ďalšom výskume sa chceme zamerať na to, aké vlastnosti bude mať materiál so štruktúrou stočenej šachovnice.

Tieto výskumy budete realizovať už na Slovensku?
Odišla som do zahraničia s tým, že sa chcem jedného dňa na Slovensko vrátiť. O Ústave výskumu progresívnych technológii MTF STU, kde teraz pracujem, som sa dozvedela od známeho. Ten mojim terajším kolegom povedal, akej téme sa venujem, a oni ma pozvali na seminárnu prednášku. Keď som dostala prísľub, že môžem pokračovať v tom, čo som robila v zahraničí, nebolo čo riešiť.

Ako by ste zhodnotili svoje doterajšie pôsobenie v Trnave?
Som tu od januára a vrátila som sa v rámci programu Návraty Ministerstva školstva, vedy, výskumu a športu SR, takže som získala štartovací balík peňazí na to, aby som si založila vlastné teoretické laboratórium a sformovala svoj tím. Zatiaľ sa zameriavam na to, aby som rozbehla našu činnosť, teda nakupujem počítače, softvéry, licencie, dávam dokopy laboratórium aj pracovný tím a hľadám nové spôsoby financovania. Pripravujeme laboratórium pre materiálový dizajn pomocou počítačov. Do nášho laboratória by som v budúcnosti rada pozvala aj študentov stredných škôl a ukázala im virtuálny atómový svet nových materiálov.

Je toto práca, ktorá vás baví, ktorú ste chceli robiť?
Už keď som bola malá, rozmýšľala som, čo by som chcela v živote robiť a pozerala som sa, čo robia dospelí. Po skončení školy chodia od rána do večera do práce, až príde dôchodok. Pracujú, aby uživili rodinu, ale mne sa to zdalo málo a táto predstava o živote ma skôr zarmucovala, ako uspokojovala. Chcela som žiť dobrodružnejšie, rada sa vrhám do neznámeho. O mojej práci som mala predstavu, že to bude vždy niečo nové, zaujímavé, že to nebude rutina a že hlavným motívom bude spoznávanie, čím prispejem k poznaniu sveta. To je pre mňa veľmi dôležité a som rada, že sa mi to zatiaľ darí realizovať.

Dr. hab. Mariana Derzsi, PhD., študovala na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky UK v Bratislave. Po doktorandskom štúdiu na Ústave anorganickej chémie SAV pôsobila v Poľskej akadémii vied, na Padovskej univerzite a na Varšavskej univerzite, kde získala titul Dr. hab. z fyziky tuhých látok. Po desiatich rokoch strávených v zahraničí sa vrátila na Slovensko a od januára 2018 pôsobí v Trnave v Ústave výskumu progresívnych technológií Materiálovotechnologickej fakulty STU. Venuje sa materiálovému dizajnu na atómovej úrovni pomocou počítačového modelovania so snahou nájsť nové materiály s výnimočnými vlastnosťami, a to hlavne pre oblasť mikroelektroniky.