Brno nemusí být lídrem v elektronové mikroskopii navždy, říká vývojář

V Brně právě probíhají Dny elektronové mikroskopie, které na mnoha místech nabízejí bohatý program, který návštěvníkům odhaluje vše o tomto oboru. Brno oboru elektronové mikroskopie už řadu let dominuje a také se tady vyrábí asi třetina všech mikroskopů. „Myslím, že je důležité, aby se veřejnost o elektronovou mikroskopii zajímala,“ říká Zdeněk Nekula, student doktorandského programu na VUT, který se sám vývoji elektronových mikroskopů věnuje.

Jak funguje elektronový mikroskop?

Existují dva typy elektronových mikroskopů, transmisní a skenovací. Transmisní je několikrát větší než skenovací, skenovací má velikost třeba takové ledničky, zatímco pro ten transmisní se většinou buduje specifická místnost, na výšku má tak tři metry. Oba jsou zakrytované, takže do nich nevidíte. Jednoduše řečeno u toho skenovacího je nahoře taková trubka, takový tubus, kde se ty elektrony vytváří, pomocí různých metod z takového hrotu, jako třeba zahřátím, nebo pomocí magnetických polí a následně se tyto letící elektrony ve vakuu dále fokusují do nějakého vzorku, který nás zajímá. Vzorek, který může být obrovský, oproti vzorku, který můžeme vkládat do transmisního mikroskopu, se vkládá do takové velké nerezová bedny. A těmi elektrony, tím svazkem, se jezdí postupně po povrchu, jako by se jím do toho vzorku střílelo, a zjišťují se povrchové informace. Když ty elektrony dopadají na ten vzorek, který nás zajímá, tak se poté může odehrávat celá řada dějů. Například se ty elektrony z toho místa mohou odrážet. A když ty elektrony detekujeme, tak můžeme v různých místech detekovat různý signál. Třeba když tím svazkem elektronů posvítíme do nějakého údolíčka, tak těch elektronů se odráží třeba méně. Když pak jsme na nějaké ploše, kde se to odráží dobře, tak budeme mít větší signál a takhle můžeme postupně rekonstruovat ten obraz toho vzorku, který nás zajímá.

U toho transmisního se v té tubě ty elektrony urychlují skoro až na rychlost světla a někam doprostřed se vkládá vzorek, což bývá jen tenká vrstvička, tak aby se ty elektrony prosvítili. Dole je zobrazovací systém, kde se zpracovává informace, kterou ty elektrony v tom vzorku posbíraly. A úplně dole je kamera. Některé společnosti ty mikroskopy vyrábí vzhůru nohama, takže pak mají to dělo těch elektronů dole a kameru na hoře.

Proč nám nestačí světelný mikroskop?

Když víme, jak funguje světelný mikroskop a když víme, že elektronový mikroskop funguje na podobném principu, tak můžeme už jenom řešit, jaký je v tom rozdíl. A rozdíl je v tom, že světlo, tedy fotony, mají velkou vlnovou délku. Vlnová délka třeba červeného světla je něco přes 600 nanometrů, takže jím můžeme vidět detaily, které jsou menší než 600 nanometrů přibližně. Můžeme třeba zvolit jinou barvu, třeba ultrafialovou, která má 200 nanometrů, což je třikrát méně, takže jím uvidíme třikrát menší detaily, ale to je pořád limitující. Naopak elektrony, ty mají vlnovou délku podle toho, jak je urychlíme, ale obecně elektronová délka se pohybuje v pikometrech, což je jako mnohonásobně, třeba tisíckrát méně. Díky tomu elektrony nemají takový limit a pomocí elektronů dokážeme uvidět mnohem větší detaily.

V jakých oborech se elektronová mikroskopie využívá?

Nejjednodušeji tam, kde potřebujeme větší zvětšení a větší rozlišení. Například v polovodičovém průmyslu. Tam se výrobci snaží dostat co nejvíce výkonu, nebo co nejvíce technologie na co nejmenší prostor. Třeba u pamětí se snažíme do co nejmenšího disku dostat co nejvíce informací, což znamená, že se ty součástky stále zmenšují a zmenšují. Rozměry v těch součástkách, v těch pamětech nebo v těch procesorech jsou v řádech nanometrů, což je pod rozlišením světla. Dále je elektronová mikroskopie důležitá ve farmakologii, kde se díváme na povrch bakterií, nebo na povrch virů, tam potřebujeme rozlišení v řádech atomů. Dále je to materiálový průmysl, kde se hledají vady. Taky vývoj baterií nebo palivových článků, kdy sledujeme třeba procesy nabíjení a vybíjení molekul. V bateriích, zase sledujeme třeba defekty, jak se opotřebovávají nebo třeba taky vývoj nějakých optických elementů. Pak už následuje celá série různých exotických oborů, které jsou hodně specifické, ale nejsou tak dominantní.

Byl pro některý obor vynález elektronové mikroskopie přímo revoluční?

Elektronové mikroskopy ve většině případů umožňují pouze snazší cestu k cíli. Například u elektroniky by se ale nemohlo jít do takového zmenšení, jaké máme dnes, a kvůli tomu by nejspíš stagnovala. Také myslím, že to velmi ovlivnilo před několika lety kryoelektronovou mikroskopii, kde biologové pozorují zmražené buňky, což přineslo také velký posun v biologii i ve farmakologii.

Kam nyní směřuje vývoj elektronových mikroskopů?

To je dobrá otázka. Na jednou stranu můžeme říct, že mikroskopy už dneska umí v podstatě všechno. Mají rozlišení už na atomárním úrovní, takže už dokáže zobrazovat téměř cokoliv . Člověk by se mohl zeptat, jestli je tu ještě nějaký prostor pro vývoj. Momentálně ale třeba intenzivně probíhá vývoj pro zlepšení uživatelské přívětivosti, tak aby ten mikroskop zvládal dělat více práce sám, například se sám ladit. Když třeba ráno přijdete do práce a sednete si k mikroskopu, tak vždycky prvních 10 až 15 minut strávíte tím, že mikroskop ladíte a na to už potřebujete nějakou minimální znalost toho, co se v mikroskopu děje. Další důležitou věcí, kterou potřebují uživatelé, dychtiví sledovat nějaké jevy, děje a změny v čase znát, je časové rozlišení. V nanotechnologiích a nanorozměrech tyto změny ale probíhají velmi rychle. Takový nejjednodušší případ je, že třeba vyrábíte procesory do počítače a chcete se dívat, jak ten procesor pracuje. Dnešní počítače pracují na frekvenci několika gigahertz, jedna operace trvá méně než jednu nanosekundu, takže ty děje v tom počítači proudí extrémně rychle. To znamená, že potřebujete něco jako slow motion, aby to ten mikroskop dokázal zachytit, a potom vám to zpomalené video dokázal přehrát. Pak také stále probíhá vývoj detektorů, zlepšování kontrastů, přídavných modulů, které dělají korekci vad.

Jak dlouho trvá takový vývoj a následná výroba elektronových mikroskopů?

Vývoj trvá několik let, samotná výroba je kratší, myslím, že v řádu několika měsíců. Výroba má ale dvě části, první část je mechanická, kdy součástky montujete k sobě. Tím, že ten mikroskop má tak velké rozlišení v nanometrech, tak není možné, aby ho člověk sestavil dokonale. Tudíž je poté ještě nutné ho ladit, což myslím trvá dva měsíce.

Kolik takové stroje stojí?

Ceny dobrých skenovacích se pohybují v jednotkách milionů a ty nejvyšší třídy v desítkách milionů. Také záleží, jaké příslušenství si k tomu člověk doobjednává. U těch transmisních se ty ceny pohybují nad 100 milionů, někdy i několik set milionů.

Čím to, že je zrovna Brno tak spojené s touto technologií?

Brno má dominantní postavení ve výrobě mikroskopů, asi třetina ze všech mikroskopů na světě se vyrábí v Brně. A proč tomu tak je? V minulém století pan Armin Delong v Brně vyvinul vlastní transmisní mikroskop, který byl na svoji dobu velmi úspěšný. Ten mikroskop se potom začal vyrábět v Tesle, což byla společnost, která v Brně vyráběla různé elektrické zařízení, a poté tedy i elektronové mikroskopy pro východní blok, pro ty socialistické a komunistické země. A potom po revoluci se tato společnost rozpadla a zaměstnanci, kteří dřív pracovali na těch elektronových mikroskopech byli bez práce. Tak se rozhodli založit tři nové společnosti v Brně. Z těch tří společností některé odkoupili zahraniční investoři nebo společnosti, ale sídlo stále zůstalo v Brně. A těmi společnostmi nyní jsou Thermo Fisher Scientific, Tescan a Delong Instruments.

Myslíte si, že je důležité, aby se široká veřejnost o elektronovou mikroskopii zajímala?

Myslím si že určitě. Brno je v tomto oboru dominantní na světovém trhu a je prostě lídr, ale to neznamená, že jím bude navždy. Po celém světě jsou konkurenční společnosti a v některých technologiích jsou napřed. To znamená, že pokud si chceme udržet toto dominantní postavení a první místo, tak je potřeba, aby na tom pracoval dostatečný počet vědců a aby se výroba, pokud možná co nejvíce rozšiřovala.

Je tento obor nějak finančně podporovaný státem?

Na univerzitách je vývoj sponzorovaný státem pomocí grantů. Myslím ale, že by bylo dobré, kdyby tady bylo určitě více skupin, nebo projektů, které by se zaměřovaly na jejich vývoj, abychom si přední pozici v elektronové mikroskopii udrželi.

Co je náplní práce vývojáře elektronových mikroskopů?

To je různé, ale já jsem třeba nikdy nevyvíjel mikroskop úplně od základů a úplně celý. Většinou se navazuje na nějaké zkušenosti nebo již známé technologie, pracuje se v týmu a každý člověk má na starost nějakou konkrétní část. Když jsem pracoval ve francouzském Institutu pro atomární energii s transmisním elektronovým mikroskopem, tak ten proces vypadal tak, že jsem se nejdříve seznamoval s tím mikroskopem jako běžný uživatel, poté jsem přešel na výpočty, simulace, navrhování nějakých modelů, a následně konstrukci součástek do mikroskopu tak, aby s ním byly kompatibilní. Po smontování jsme mikroskop ladili tak, aby byl svazek elektronů v pořádku. A v poslední části jsme testovali účinnost nových vlastností mikroskopu, další ladění, sběr dat a demonstrace výsledků. Takže vlastně na začátku každého vývoje jsou vždycky nějaké výpočty, simulace, a potom se to postupně přelévá víc do praxe, kdy člověk víc pracuje se šroubovákem.

Na čem momentálně pracujete?

Momentálně dělám doktorát na VUT a taky spolupracuji s Univerzitou ve Vídni a na obou těchto institucích pracujeme se skenovacími mikroskopy, do nichž se snažíme vyvinout technologii, která by řídila elektronový mikroskop pomocí laseru. Myšlenkou je tvarovat elektronový svazek, nebo jakoby řídit elektronový mikroskop pomocí laseru. Optika, která se používá pro tvarování světla, je mnohonásobně lepší kvality než optika v elektronových mikroskopech. Nabité částice, elektrony je mnohem těžší tvarovat, zatímco laser je snadné tvarovat a z toho vychází náš projekt, tvarovat laser, a potom ten natvarovaný laserový svazek otiskneme do toho elektronového svazku. Slibujeme si od toho větší flexibilitu, kterou máme v současnosti u laseru, abychom jí dosáhli i u elektronových svazků.