Nositel Neuron Impulsu za rok 2016 - Pavla Eliášová

Mnohem rychlejší, daleko menší a k životnímu prostředí šetrnější počítače. Tohoto cíle by se dalo dosáhnout díky poznatkům z projektu Pavly Eliášové, která vyvíjí nové materiály pro počítače na bázi spintroniky. Na svůj další výzkum nyní získala čtvrt milionu korun od Nadačního fondu Neuron.

Připravuje materiál pro počítače nové generace

Podle názoru odborníků může spintronika výrazně zvýšit kapacitu a rychlost počítačů. Jak je to možné?

Zatímco současné počítače potřebují k zápisu, čtení informací a dalšímu zpracování dat hned dvě součástky, spintronická součástka by mohla zvládnout obě operace naráz. Výrazně se tím zmenší velikost procesorů, stoupne rychlost operací a kapacita paměti. Zároveň klesnou náklady na spotřebu energie, protože spintronikové počítače se příliš nezahřívají a nebude nutné je tolik chladit.

Když spintronika přináší takové bonusy, co brání jejímu uplatnění?

Dosud známé spintronické materiály se už využívají ve čtecích hlavách pevných disků. Ale jejich širšímu uplatnění k výrobě procesorů zatím brání fakt, že většina doposud vyvinutých materiálů funguje jen za velmi nízkých teplot, například do mínus 100 °C. To je v běžném životě dost nepraktické.

Zkouší se tedy vyvinout materiály použitelné za pokojové teploty?

Skupina teoretiků z Katedry fyzikální a makromolekulární chemie na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy předpověděla, že některé karbidy přechodných kovů, tzv. MXeny, se po určité úpravě mohou hodit pro spintroniku. Na základě teoretických výpočtů a simulací, které vypracoval doktorand Junjie He z Číny, by měl nový materiál fungovat i při pokojové teplotě. Můj tým se nyní pokusí takový typ MXenu podle této teorie připravit.

Podle toho, co říkáte, jsou MXeny velmi perspektivní, ale v žádosti o příspěvek Nadačního fondu Neuron uvádíte, že jsou zřídka studovány. Proč je tak malý zájem o tak nadějné materiály?

Jsou to relativně nové materiály zkoumané od roku 2011 a známe zatím jen relativně málo typů. Připravují se totiž poměrně složitě, například vezmete tři prvky jako chrom, hliník a uhlík, které v inertním prostředí zreagují až za velmi vysokých teplot. Na to potřebujete mít speciálně vybavenou laboratoř a těch není tolik. My jsme proto navázali spolupráci s univerzitou v Pardubicích, kde už prekurzory MXenů dovedou připravit.

Mgr. Pavla Eliášová, Ph.D.

• Magisterský titul získala Pavla Eliášová v roce 2010 na Přírodovědecké fakultě Palackého Univerzity v Olomouci.
• Doktorskou práci vypracovala na Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského a v roce 2014 úspěšně obhájila titul Ph.D. na Přírodovědecké fakultě Karlovy Univerzity.
• Poté odjela na rok do Korejské republiky na pozici vědecká pracovnice. Působila ve skupině profesora Ryoong Ryoo, který byl v roce 2014 jeden z kandidátů na Nobelovu cenu za chemii.
• Absolvovala stáže v USA, Velké Británii a ve Francii.
• Od začátku letošního roku je odbornou asistentkou na Katedře fyzikální a makromolekulární chemie Přírodovědecké fakulty UK a zároveň je vědeckou pracovnicí na částečný úvazek v Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského, Akademie věd ČR.
• V roce 2016 získala Neuron Impuls Junior, tedy čtvrt milionu korun na svůj výzkum.

Na schématickém nákresu vypadá MXen jako hamburger složený z několika vrstev. Jak ho chcete změnit, aby fungoval při pokojové teplotě?

Připravíme vrstvy z karbidu chromu, nebo z karbidu vanadu, na jejichž povrch pak budeme navazovat různé skupiny jako fluoridy nebo bromidy. Pokud se nám podaří na horní a dolní povrch vrstvy navázat různé skupiny, tak při této kombinaci nastane výrazná polarizace spinů elektronů, kterou lze pak snadno ovládat. Tato možnost se dá využít při vývoji součástek pro počítače nové generace.

Jak bude váš pokus probíhat?

Vycházíme z prekurzorů MXenů, kde je nejprve potřeba chemicky odstranit mezivrstvy hliníku a poté od sebe oddělíme samotné vrstvy karbidu chromu. Ty pak ukotvíme na nosič, v tomto případě na zeolit. Tento syntetický porézní minerál je velmi vhodný, protože na povrchu jednotlivých krystalů je mnoho funkčních skupin, na kterých může vrstva karbidu chrómu „zakotvit“.

Jak dlouho bude jeden pokus probíhat?

Pokud vyvineme úspěšný postup, odhaduji, že každý experiment potrvá asi týden až dva.

Kolik pokusů chcete udělat?

Určitě několik desítek až stovek, záleží na tom, jak rychle budeme úspěšní. Už jsme vyzkoušeli odstraňování vrstev hliníku, což je první krok v celém postupu. Dělá se to poměrně drastickou metodou s využitím kyseliny fluorovodíkové. To je silně žíravá látka, která tolik nezapáchá, ale je silně toxická. A pokud vám ukápne na kůži, proniká až na kost. Pracujeme s ní skoro denně, samozřejmě v silných rukavicích a pod digestoří, díky tomu se nám ještě nestala žádná nehoda.

Co bude největší překážkou?

Očekávám, že nejtěžší bude rovnoměrné oddělení vrstev MXenu, což jsou destičky silné přibližně tři nanometry a dlouhé několik stovek nanometrů (nanometr je miliardtina metru, pozn. autora). Obtíže mohou nastat také při nanášení destiček na nosič. Už nyní pracujeme na několika metodách, jak to udělat.

Jak zjistíte, že definitivní úprava MXenu odpovídá návrhu teoretiků a že je použitelný při pokojové teplotě?

Materiál budeme charakterizovat pomocí chemických analýz a sledováním povrchu pod mikroskopem. Nakonec, společně s univerzitou v Liverpoolu, změříme elektrické a magnetické vlastnosti nově získaného materiálu.

Jste přesvědčená, že se teorie potvrdí?

Jsem optimistka. Nápad čínského doktoranda se mi hodně líbí. Je originální a teoretici nevidí důvod, proč by to nemělo fungovat. Jediná překážka může nastat, když nedokážeme upravit materiál tak, jak teorie navrhuje. Postupy nejsou příliš popsané, takže jejich hledání bude velmi zajímavé. Máme na to jeden a půl roku, na tuto dobu je projekt naplánován.

Jaký bude výsledek vašeho výzkumu?

Článek v odborném časopisu a samotný materiál. Za velký úspěch budu považovat, pokud se nám podaří aspoň část teoretické studie potvrdit a realizovat.