Zdejší vědecký tým Environmentální elektronové mikroskopie, vedený docentem Vilémem Nedělou, posouvá hranice poznání nanosvěta i díky unikátnímu environmentálnímu rastrovacímu elektronovému mikroskopu, jedinému svého druhu na světě, který byl upraven a dovybaven unikátními přístroji právě v laboratořích ÚPT.
„Naše vědecká skupina vytváří nové metody, přístrojové vybavení a aplikace pro další a podrobnější zkoumání nanosvěta. Posouváme hranice možností zobrazování a analýzy neupravených, elektricky nevodivých nebo polovodivých vzorků, vlhkých nebo kapalných vzorků v environmentálním rastrovacím elektronovém mikroskopu (EREM),“ informoval doc. Neděla.
Jeho tým se rovněž specializujeme na charakterizaci obtížně zobrazitelných a pokročilých materiálů s využitím nově vyvinutých metod a unikátního přístrojového vybavení. V oblasti základního výzkumu tým zkoumá například interakci elektronů s plynem, vodou a pevnou látkou, případně rozložení tlaku a rychlosti proudění plynu a přenosu tepla v EREM.
„Naší specialitou jsou nové metody pro studium malých živých tvorů, neupravených rostlinných vzorků a polymerů. Navrhli jsme například metodu pro dlouhodobé studium a chemickou analýzu rostlinných vzorků, metodu pro opakovatelné pozorování biologických vzorků v EREM,“ sdělil Neděla.
„Účastníme se také výzkumu nových vakcín a léčby diabetu pomocí transplantace pankreatických ostrůvků. V oblasti zobrazování elektricky nevodivých až vlhkých vzorků v přirozeném stavu, které jsou často citlivé na radiační poškození elektronovým svazkem, patříme mezi světovou špičku,“ pochlubil se vedoucí týmu Environmentální elektronové mikroskopie v ÚPT AV ČR.
Klíčovými přístroji, které má tým brněnských vědců k dispozici, jsou světově unikátní environmentální rastrovací elektronové mikroskopy AQUASEM II a modifikovaná QUANTA 650 FEG. „Tyto přístroje, které jsme v Ústavu přístrojové techniky AV ČR upravili a značně vylepšili, jsou pro naše zkoumání nanosvěta významné stejně, jako je Webbův teleskop pro astronomy,“ říká s nadsázkou Neděla.
O tom, že pomocí těchto elektronových mikroskopů provedli vědci řadu zajímavých objevů, svědčí i desítky odborných článků vydaných v posledních letech v prestižních světových i vědeckých časopisech.
„Vyvinuli jsme například metodu pro pozorování živých vířníků v podmínkách vysokého tlaku plynů a za snížené teploty. Díky tomu jsme byli schopni jako první na světě tohoto tvora v elektronovém mikroskopu zobrazit bez poškození a navíc, díky vysoké kvalitě zobrazení ho i taxonomicky klasifikovat,“ uvedl příklad Vilém Neděla.
„Naše výsledky pomohly objevit dva nové druhy vířníků a další druhy detailněji popsat. Naše metoda také otevřela nové možnosti pro využití environmentální rastrovací elektronové mikroskopie v oblasti biologie vodních živočichů,“ popisuje Neděla jeden z mnoha výsledků práce jeho týmu. Na území ČR bylo k roku 2019 nalezeno 574 druhů vířníků, předpokládá se však, že se zde může vyskytovat dalších asi 400 druhů.
„Námi navržené metody umožnily také morfologicky charakterizovat vlhké polyelektrolytové mikrokapsule obsahující polotekuté jádro s geneticky modifikovanými živými buňkami E-coli, používané například pro produkci vysoce čistých chemických látek používaných pro výzkum a vývoj nových antivirotik. Tyto kapsle jsou však relativně velké a velmi citlivé,“ popsal doc. Neděla.
„Naše laboratoř je jediná na světě, jež je schopna vzorky tohoto typu pozorovat bez jejich zničení či poškození,“ dodal Neděla. Jeho tým navrhl i vysokorozlišovací metodu pro studium morfologie vzorků rostlin v jejich přirozeném stavu. Ta zároveň umožňuje zvýšení odolnosti vzorků vůči radiačnímu poškození elektronovým svazkem.
Vědci z týmu environmentální elektronové mikroskopie se však zabývají řadou dalších odborných problémů – nedávno se jim například podařilo stanovit přesné fyzikálně-chemické podmínky, na nichž závisí velikost a struktura částic soli, vzniklých po sublimaci slaného arktického ledu.
Zjištěná data lépe umožní pochopit, jakým způsobem se mořská sůl z Arktidy a Antarktidy dostává do atmosféry, což může zpřesnit matematické modely předpovídání počasí, změn klimatu či vzniku ozonových děr.
Běžné elektronové mikroskopy musí mít v komoře se zkoumaným vzorkem téměř dokonalé vakuum – tlak v ní je podobně nízký, jako ve volném vesmíru. Když se totiž elektrony, kterými mikroskop bombarduje vzorek, srazí s poletujícími molekulami plynu či par, vzniká nežádoucí rušivý šum. Ten pak zkresluje výsledky vzniklé „správnými“ srážkami elektronů se samotným vzorkem.
Čím vyšší tlak – tedy čím větší množství molekul plynu či par – v komoře je, tím náročnější je pro vědce tento rušivý šum odfiltrovat. A právě na to jsou v Brně specialisté. Tlak plynů v komoře se zkoumaným vzorkem v environmentálním rastrovacím elektronovém mikroskopu přitom může být až milionkrát vyšší oproti běžným elektronovým mikroskopům.
To umožňuje provádět v přístroji jinde neproveditelné experimenty. „S nadsázkou řečeno, zkoumání vzorků v námi upraveném mikroskopu připomíná pozorování zrnka máku na hromadě uhlí ve zhasnutém sklepě,“ přiblížil Neděla jedinečnost mikroskopů vyvíjených v Ústavu přístrojové techniky Akademie věd ČR.
Na tom, že dnes vědci mohou zkoumat vzorky v dříve nepředstavitelných fyzikálních podmínkách, mají zásluhu desítky specialistů. Na vývoji a nastavení brněnského unikátního mikroskopu a jeho doplňkových součástí od nejrůznějších typů snímačů přes analyzátory až po mikromanipulátory se totiž v ÚPT podílí řada matematiků, fyziků, programátorů či konstruktérů.
„Laická představa práce s elektronovým mikroskopem je často taková, že si koupíte přístroj, zmáčknete tlačítko a dostanete hezký obrázek. Ono to tak v případě těch nejjednodušších vzorků často je,“ vysvětlil Neděla.
„Ale jakmile chcete vidět a zkoumat něco komplikovaného, tak má najednou elektronová mikroskopie desítky tváří a nabízí desítky postupů s využitím různých analytických a zobrazovacích zařízení,“ dodal.
Podle docenta Neděly jsou největším know-how a bohatstvím brněnského akademického pracoviště vysoce specializovaní odborníci: „Právě díky nim náš mikroskop, náš výzkum a naše metody nikdo nemůže jen tak jednoduše okopírovat. A jen díky nim můžeme posouvat poznání hranic nanosvěta a provádět světově jedinečné objevy.“
