Simulovat se dá skoro všechno, říká Eva Krupičková Pluhařová

Skleníkové plyny jsou nechtěným produktem průmyslové činnosti a vedou k oteplování planety. Co kdyby se ale daly efektivně zachytit a využít? K vývoji katalyzátoru na přeměnu oxidu uhličitého v užitečné látky přispívá výzkum Evy Krupičkové Pluhařové z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, nadšené mladé vědkyně, milovnice šalvějových bonbonů a skvělé „simulantky“. Rozhovor s ní vyšel v časopise AΩ / Věda pro každého.

Mezinárodní tým, jehož jste součástí, vyvíjí katalyzátor využitelný k přeměně CO₂. O co přesně jde?

Začněme tím, co je vlastně katalyzátor. Katalyzátory – a to i ty, které máme v těle – usnadňují chemické přeměny. Z vnějšího pohledu se reakce neúčastní, jsou to takoví pomocníci nebo průvodci. Katalyzátory v našem těle jsou například enzymy, bez nich by dané chemické reakce probíhaly milionkrát pomaleji.

Jak by mohl katalyzátor na přeměnu oxidu uhličitého fungovat a kde by se dal použít?

Zdrojem oxidu uhličitého jsou továrny nebo uhelné elektrárny, už dnes přitom existují technologie, které plyn přímo u těchto zdrojů mohou zachytit a přečistit. My bychom ho pak pustili do takzvaného elektrolyzéru. Může jím být obrovská káď s elektrodami, na něž přivedeme vnější napětí. Elektrická energie je jedním z reaktantů v chemické reakci, která může zajistit přeměnu oxidu uhličitého na jiné látky.

Namísto toho, abychom CO₂ vypouštěli do atmosféry, bychom jej tedy mohli využít a přeměnit v něco užitečného. O jaké látky by šlo?

Katalyzátor by měl umět přeměnit oxid uhličitý na oxid uhelnatý, metanol nebo kyselinu mravenčí. Všechny tyto látky jsou dále využitelné v průmyslu. Například kyselina mravenčí se používá v gumárenském průmyslu nebo při výrobě barev, metanol zase jako rozpouštědlo.

Nápad zachytit oxid uhličitý a přeměnit jej v další zdroje surovin zní logicky. Proč se to už dávno nedělá?

Zatím se s přeměnou CO₂ nepočítalo, protože se nevyplatila. V průmyslové výrobě se využívají převážně fosilní paliva, která jsou, nebo spíše dosud byla, relativně levná. Právě proto za každou uhelnou elektrárnou nebo továrnou není přečišťovač, který by unikající oxid uhličitý zachytil, natlakoval a připravil k dalšímu použití. Teď při rostoucích cenách a nedostatečných zdrojích fosilních paliv se to může měnit.

V úvodu jsem vás představila jako „simulantku“, což zní jako byste předstírala zranění nebo nemoc. V chemickém slovníku to ale znamená něco jiného, že?

Ano. Simulanti – či přesněji výpočetní chemici – modelují molekuly na počítači. Chemický experiment totiž neukáže úplně všechno – experimentátoři se třeba zeptají: „Co se stane, když do roztoku přidám takovouto příměs?“ No a my, simulanti, namodelujeme příslušnou situaci v počítači a podíváme se na celý proces na molekulové úrovni.

Takže jde o počítačové simulace chemických reakcí?

Přesně tak. Rozšiřujeme možnosti experimentů. Podle požadavků z týmu přidáme do programu, co je potřeba, a díváme se, co se stane. Jde jednak o přesné vysvětlení pozorovaného, ale i o předpovídání. Interpretace a zkušenost při tom hrají velkou roli.

Zkusme ještě konkrétněji vysvětlit, jak simulace probíhá.

Zásadní je vytvořit modelový systém a pečlivě rozmyslet, jak přesně je potřeba ho popsat. Do počítačového programu samozřejmě nemůžu narvat celou zkumavku, ale musím si vybrat jen několik molekul, někdy třeba dvě tři, jindy stovky různých molekul, vždy tak, aby simulace nejlépe odpovídala experimentu a aby bylo možné ji s danou přesností spočítat.

Máte k dispozici výkonný počítač, aby zvládl složité výpočty?

Můj stolní počítač našlapaný ani být nemusí, ale počítačové klastry, k nimž se připojuji, ano. Na některé výpočetní otázky stačí pár procesorů, ale náš modelový sytém musí být velký, využíváme proto superpočítačová centra.

Chemickou laboratoř si každý umí představit, vám ale k práci stačí počítač. Předpokládám, že zkumavka nebude vaším denním pracovním nástrojem.

To opravdu není. Kolegové mi někdy z legrace říkají, vždyť ty jen celý den sedíš, piješ kafe a koukáš se na videa molekul. I tak by se dalo říct, že vypadá můj pracovní den. Ale to je samozřejmě nadsázka. Ve skutečnosti hodně diskutuji s kolegy experimentátory, zjišťuji, které složky považují za důležité, a připravím podle toho modelový systém. Řeknu si, co v něm nutně musí být, kterou látku budu přeměňovat, připravím si všechny příměsi, zadám teplotu a tlak a spustím simulaci. Neméně důležité je vyhledávání a četba článků a sledování novinek ve vývoji výpočetních metod a programů.

Používáte nějaký specifický chemický software?

Používám různé programy na kvantově-chemické výpočty, simulace molekulové dynamiky a zobrazování molekul. Jsou velké skupiny odborníků, které se zabývají jejich vývojem, tyto programy často bývají freeware, tedy volně k použití. Pak existují chemickou komunitou dlouhodobě přijímané rovnice, které ale neumíme přesně vyřešit. Proto je tolik metod s různou přesností a ty se používají pro dané kroky. Dám do programu relevantní molekuly, spustím pohybové rovnice a pak na videu pozoruju, co se stane. V té fázi přichází hlavní úkol simulanta – klást si správné otázky a interpretovat, co přesně se děje.

Je už výpočetní chemie běžnou součástí výuky na českých vysokých školách?

Například na Vysoké škole chemicko-technologické nebo na Univerzitě Karlově se studenti setkají s úvodním kurzem do výpočetní chemie už na bakalářském stupni. Během magisterského studia si pak mohou vyzkoušet metody, které umožní simulovat větší soubory a systémy. Před zhruba deseti lety to ale ještě úplně běžné nebylo. Dnes si i každý potravinářský chemik může spustit svůj vlastní kvantově-chemický výpočet. Programy jsou volně k dispozici a na internetu jsou tutoriály, které s obsluhou pomůžou.

Vás chemie opravdu baví, je vidět, že děláte svou vysněnou práci. Jak jste se k chemii dostala, měla jste ji ráda už ve škole?

Pro chemii jsem zahořela díky svému středoškolskému profesorovi, Vladimíru Vítovi z Gymnázia Ostrov. Je to úžasný pedagog, velmi mě podporoval v účasti na chemické olympiádě, a nejen v ní. Právě díky němu jsem se rozhodla jít studovat chemii.

Ve škole je chemie spíš o pokusech než o výpočtech. Jak jste se dostala ke kvantové chemii?

Nejsem z Prahy, ale díky chemické olympiádě (Eva zvítězila v jejím světovém kole, které se konalo v roce 2005 na Tchaj-wanu, pozn. redakce) jsem měla v hlavním městě pár kontaktů a šla jsem se podívat do laboratoře Pavla Jungwirtha v Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR. Pavel Jungwirth je považován za guru výpočetní chemie a počítačových simulací a já jsem u něj nastoupila na stáž. Už během magisterského a pak doktorského studia jsem se tak dostala k mnoha zajímavým tématům.

Aktivně se podílíte na programu Otevřené vědy, který nabízí studentům středních škol možnost stáží ve vědeckých ústavech. Hraje v tom roli právě vaše dobrá zkušenost s inspirativním školním prostředím?

Zcela určitě. Svému profesorovi na střední škole a účasti na chemické olympiádě vděčím za to, že mám teď docela zajímavý život. Snažím se to vracet třeba právě Otevřenou vědou. Studenti se hlásí do projektů, kterým se věnuji, mají o ně zájem. Obohacující je to i pro mě, musím se díky nim více zamýšlet nad tím, jak svůj výzkum vysvětlovat. Na konci roku je vždy konference Otevřené vědy, na které vidíte opravdu výborné vědecké prezentace zapálených studentů. Mám velkou radost a považuji práci se studenty za důležitý výsledek mojí vědecké činnosti, v něčem možná důležitější, než by byla publikace v odborném časopise.

Zmínila jste, že už během studia jste se dostala k mnoha zajímavým tématům. Co všechno vlastně lze modelovat v chemických počítačových programech?

Například jsem simulovala, jak mrzne voda v atmosféře nebo jak probíhá radiační poškození DNA. Také se dá podívat, jak fungují enzymy v různém prostředí. Aktuálně se ve spolupráci s Michalem Fárníkem u nás v Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR věnuji atmosférické chemii a astrochemii. Když člověk pochopí základy simulací, jde skoro všechno. Pochopitelně ne ve všem můžu jít do hloubky. Na druhou stranu hodně vědců jsou odborníci na jedno dané téma a je pro ně složité najít společnou řeč s ostatními. Já svou roli vidím i v tom, že jsem schopná různé lidi propojovat.

Fungujete vlastně jako takový katalyzátor.

Ano, i tak se to dá říct. Takový katalyzátor různých myšlenek a proudů.

Leona Matušková, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR (30.12.2022)