JEDNODŇOVÁ LETNÁ ŠKOLA ATRI OBJAV MATERIÁL, KTORÝ EŠTE NEEXISTUJE

Táto informácia exspirovala.

AUTOR: Marianna Derzsi | PUBLIKOVANÉ 4. september 2026

Jednodňová vedecká výprava do sveta neobjavených materiálov

Modeluj – vytvor – preskúmaj

Ako vzniká materiál, ktorý ešte nepoznáme? Účastníci letnej školy na pracovisku ATRI prešli počas jediného dňa cestu od návrhu hypotetickej kryštálovej štruktúry cez ab initio výpočty až po prípravu a mikroskopickú analýzu reálnej tenkej vrstvy.

Veda, ktorú možno zažiť

Dňa 17. augusta 2026 sa na Ústave výskumu progresívnych technológií (ATRI) Materiálovotechnologickej fakulty STU v Trnave uskutočnila Jednodňová letná škola ATRI s mottom „Modeluj - vytvor - preskúmaj“.

Od atómovej predstavy k vlastnej vzorke materiálu: účastníci letnej školy prešli počas jediného dňa cestu od návrhu hypotetickej kryštálovej štruktúry cez ab initio výpočty až po prípravu a analýzu vlastnej vzorky tenkej vrstvy. Od 9.00 do 17.00 hod. otvorilo pracovisko svoje laboratóriá mladým ľuďom, ktorí nechceli o vede iba počúvať, ale chceli porozumieť tomu, ako sa nový materiál navrhuje, preveruje, pripravuje a skúma.

Zámerom podujatia bolo priblížiť materiálový výskum realizovaný priamo na ATRI: štúdium nových materiálov pomocou počítačového modelovania na atómovej úrovni a ich experimentálnu prípravu vo forme tenkých vrstiev. Program preto nebol súborom oddelených ukážok. Jednotlivé časti na seba nadväzovali a vytvorili zjednodušený obraz skutočného výskumného procesu - od vedeckej otázky a atómového modelu až po materiál pripravený v laboratóriu a jeho analýzu.

Letnej školy sa zúčastnila pestrá skupina záujemcov o materiálový výskum – stredoškoláci a gymnazisti, vysokoškolskí študenti, doktorandi aj postdoktorandi. Toto prepojenie sa ukázalo ako mimoriadne prínosné. Mladší účastníci mohli o vede, štúdiu aj každodennej práci vo výskume diskutovať nielen s organizátormi, ale priamo aj so študentmi a mladými výskumníkmi. Získali tak autentickú skúsenosť s akademickým prostredím MTF STU a mohli spoznať fakultu prostredníctvom ľudí, ktorí na nej študujú a vedecky pôsobia. Letná škola im preto nepriblížila iba výskum nových materiálov, ale aj možnosti štúdia, ďalšieho odborného rozvoja a zapojenia sa do reálnej vedeckej práce na MTF STU.

Výskum podporený z Plánu obnovy

Letná škola vznikla ako popularizačná aktivita projektu „Prieskum nových fáz v binárnych systémoch Cu-O a Pd-O pomocou prediktívneho počítačového modelovania, fyzikálnej depozície pár a iónovej syntézy“ (kód projektu: 09I03-03-V04-00334), realizovaného v rámci výzvy 09I03-03-V04 - Štipendiá pre excelentných výskumníkov a výskumníčky R2-R4. Výzva patrí do Investície 3: Excelentná veda, Komponentu 9 Plánu obnovy a odolnosti SR. Projekt je financovaný Európskou úniou - NextGenerationEU.

Nosnou vedeckou témou bola cesta k novým zlúčeninám medi a kyslíka. Účastníci sa tak nestretli s umelo vytvorenou školskou úlohou, ale so zjednodušenou podobou otázky, ktorou sa zaoberá súčasný materiálový výskum: aké atómové usporiadanie môže mať dosiaľ neznámy materiál, bude stabilné a možno ho raz pripraviť aj experimentálne?

9.00 - 10.00 | Za dverami laboratórií ATRI

Program sa začal exkurziou po experimentálnych pracoviskách. Účastníci videli dva iónové urýchľovače - veľký 6 MV Tandetron Tandem Accelerator a menší 500 kV Implanter. Implanter je vybavený experimentálnou stanicou na iónovú implantáciu s reguláciou teploty substrátu približne od -195 °C do 800 °C a pracoviskom na poloautomatické spracovanie waferov.

Exkurzia pokračovala pri zariadeniach na magnetrónové naprašovanie, pomocou ktorých možno na vhodné podložky nanášať tenké vrstvy materiálov. Účastníci si prezreli aj riadkovací elektrónový mikroskop (SEM) a pracovisko röntgenovej fotoelektrónovej spektroskopie (XPS), teda techniky, ktoré umožňujú skúmať morfológiu, povrch a chemické zloženie pripravených materiálov.

Vstup k veľkému urýchľovaču podliehal vekovým a bezpečnostným pravidlám a bol určený účastníkom vo veku od 16 rokov. Mladším účastníkom bola preto pripravená individuálna ukážka Ramanovho spektrometra. Aj táto situácia ukázala, že výskum spája objavovanie s dôsledným rešpektovaním pravidiel bezpečnej práce.

10.00 - 12.00 | Najskôr model: materiál v počítači

Druhý blok zaviedol účastníkov do oblasti počítačového materiálového výskumu na atómovej úrovni. Najskôr sa oboznámili s pojmami kryštálová štruktúra a základná bunka. Pochopili, že na opis ideálneho kryštálu nemusíme zostrojiť nesmierny počet atómov: vytvoríme jeho najmenšiu periodicky sa opakujúcu jednotku a pomocou nej opíšeme celý kryštál.

V programe VESTA, určenom na trojrozmernú vizualizáciu štruktúrnych modelov, si každý účastník vytvoril model kubickej plošne centrovanej (FCC) štruktúry medi. Nasledovala tvorivá výskumná úloha: navrhnúť hypotetickú štruktúru oxidu meďného Cu₂O vkladaním atómov kyslíka do voľných intersticiálnych priestorov kovovej medi.

Účastníci sa najskôr oboznámili s konceptom intersticiálnych priestorov – voľných miest medzi atómami v kryštálovej štruktúre, do ktorých sa môžu zmestiť ďalšie atómy. V kubickej plošne centrovanej štruktúre medi sa nachádzajú dva základné typy takýchto priestorov: tetraedrické a oktaedrické. Účastníci potom sami rozhodovali, ktoré z týchto miest obsadia atómami kyslíka tak, aby výsledný model zachoval požadované chemické zloženie Cu₂O. Týmto spôsobom vzniklo niekoľko odlišných počiatočných modelov s rovnakým chemickým vzorcom. Úloha tak názorne ukázala jeden zo základných problémov predikcie kryštálových štruktúr: poznať chemické zloženie materiálu ešte neznamená poznať presné priestorové usporiadanie jeho atómov.

Keď medzi atómami „zapneme“ interakcie

V ďalšom kroku sme v pripravených modeloch „zapli“ vzájomné interakcie medzi atómami a sledovali, ako sa pod ich vplyvom zmení usporiadanie atómov a energia celej štruktúry. Na tento účel sme použili program programe VASP - Vienna Ab initio Simulation Package, ktorý simuluje správanie materiálov na atómovej úrovni pomocou kvantovomechanických výpočtov. Interakcie medzi atómami sú sprostredkované elektrónmi, a preto pomocou kvantovej mechaniky opisujeme najmä správanie elektrónov a ich reakciu na usporiadanie atómov v modeli. Atómové jadrá v týchto výpočtoch nevystupujú ako samostatne riešené kvantové objekty – zohľadňujú sa prostredníctvom svojich polôh a nábojov.

Účastníkom bol princíp štruktúrnej optimalizácie vysvetlený intuitívne: vo vytvorenom modeli sa začnú uplatňovať interakcie medzi atómami a systém hľadá energeticky výhodnejšie usporiadanie. Atómy sa môžu posúvať, pôvodný návrh sa môže zachovať alebo výrazne prestavať a energia postupne klesá. Keď sa štruktúra a jej energia prestanú významne meniť, výpočet dospeje k optimalizovanému modelu.

Asistenti spustili výpočty pre modely pripravené účastníkmi a následne im poskytli výsledné výstupy. Účastníci tak videli, ako vyzerajú vstupné a výstupné údaje programu VASP, a porovnali svoje štruktúry pred optimalizáciou a po nej. Na záver spoločne vyhodnotili energie všetkých modelov a skúmali, či je pre kyslík energeticky výhodnejšie obsadiť tetraedrické alebo oktaedrické polohy.

V priebehu dvoch hodín tak absolvovali koncentrovanú podobu reálnej práce výpočtového materiálového vedca: navrhli štruktúru, pripravili model, odovzdali ho na kvantovomechanický výpočet, prečítali výsledky a porovnali stabilitu viacerých kandidátov. Nešlo o hľadanie jedinej vopred známej odpovede, ale o formulovanie a preverovanie vlastných hypotéz.

Od ručného návrhu k tisícom kandidátov

Na záver sa účastníci dozvedeli, že kroky, ktoré počas letnej školy robili ručne, možno vo výskume automatizovať. Platformy ako XtalOpt kombinujú generovanie počiatočných štruktúr, kvantovomechanické výpočty a evolučné algoritmy. Vďaka tomu možno preverovať stovky až tisíce kandidátnych modelov a hľadať medzi nimi štruktúry, ktoré majú najväčšiu šancu byť stabilné a realizovateľné.

Popoludnie | Vytvor: vlastná tenká vrstva medi

Po obedovej prestávke sa pozornosť presunula od virtuálnych atómov k reálnemu materiálu. Každý účastník si vybral podložku - kremíkový wafer alebo zafír - a v ochranných rukaviciach si pomocou diamantového rezadla pripravil malý štvorček substrátu. Povrch podložky následne upravil a vyčistil tak, aby bol pripravený na depozíciu.

Pripravené substráty boli následne vložené do zariadenia na magnetrónové naprašovanie a pod vedením odborného tímu na ne bola počas približne desaťminútového procesu nanesená tenká vrstva medi. Nie všetky technologické kroky vykonávali účastníci samostatne; jednotlivé úkony prebiehali podľa charakteru zariadenia, požiadaviek bezpečnosti a pokynov obsluhy. Dôležité však bolo, že mohli sledovať celý postup a porozumieť nadväznosti jeho jednotlivých častí.

Počas praktického bloku sa oboznámili so základmi prípravy substrátu, vákuového procesu a magnetrónového naprašovania. Jedna z vytvorených vzoriek bola vybraná na analýzu pomocou SEM. Účastníci tak sledovali, ako sa tenká vrstva pripraví a ako sa následne skúma jej povrch. Vlastné medené vzorky si napokon mohli odniesť domov ako hmotnú spomienku na deň, keď sa na chvíľu sami stali súčasťou výskumného tímu.

Modeluj - vytvor - preskúmaj

Letná škola spojila tri podoby vedeckej práce, ktoré sa pri vývoji nových materiálov prirodzene dopĺňajú. Počítačový model umožňuje preskúmať možné usporiadanie atómov a odhadnúť stabilitu materiálu ešte pred jeho syntézou. Experimentálna príprava premieňa vedeckú predstavu na reálnu vzorku. Mikroskopické a spektroskopické metódy potom umožňujú overiť, čo sa v laboratóriu skutočne podarilo vytvoriť.

Práve toto prepojenie bolo hlavnou myšlienkou podujatia. Vedec formuluje hypotézu, vytvára modely, počíta ich vlastnosti, navrhuje experiment a výsledok znovu konfrontuje s teóriou. Každý krok môže priniesť odpoveď, ale aj novú otázku - a práve v tom spočíva tvorivosť vedeckého objavovania.

Účastníkom sme chceli priblížiť princípy počítačového a experimentálneho materiálového výskumu na našom pracovisku ATRI a ukázať im, že aj zložitú vedeckú otázku možno rozdeliť na zrozumiteľné kroky. Počas jediného dňa si vytvorili modely kryštálových štruktúr, porovnávali výsledky ich ab initio optimalizácie, pripravili si vlastné vzorky tenkých vrstiev medi pomocou magnetrónového naprašovania a oboznámili sa s analýzou vybranej vzorky pomocou riadkovacieho elektrónového mikroskopu.

Pilotný ročník ako začiatok ďalšej výpravy

Jednodňová letná škola ATRI bola pilotným podujatím zameraným na výskum a vývoj nových materiálov, v ktorom sa prepája počítačové modelovanie na atómovej úrovni s iónovými a plazmovými technológiami. Účastníci si vyskúšali návrh hypotetických kryštálových štruktúr, oboznámili sa s ich overovaním pomocou ab initio výpočtov a pripravili si vlastné vzorky tenkých vrstiev medi magnetrónovým naprašovaním. Na príklade jednej vzorky následne videli, ako možno pripravenú vrstvu skúmať pomocou riadkovacieho elektrónového mikroskopu. Letná škola im tak v koncentrovanej podobe predstavila cestu od usporiadania jednotlivých atómov v počítačovom modeli až po prípravu a analýzu reálneho materiálu.

V budúcom pokračovaní chceme jednotlivým etapám tohto výskumného procesu venovať viac času a rozšíriť ich o ďalšie skupiny materiálov, modelovacie prístupy a možnosti ich experimentálnej prípravy pomocou iónových a plazmových technológií. Účastníci tak získajú väčší priestor nielen na tvorbu a výpočtové overovanie vlastných modelov, ale aj na prípravu materiálov vo forme tenkých vrstiev a skúmanie vzťahu medzi ich atómovou štruktúrou, spôsobom prípravy a výslednými vlastnosťami.

Aktivita bola realizovaná v rámci projektu „Prieskum nových fáz v binárnych systémoch Cu-O a Pd-O pomocou prediktívneho počítačového modelovania, fyzikálnej depozície pár a iónovej syntézy“, kód projektu 09I03-03-V04-00334. Financované Európskou úniou - NextGenerationEU z prostriedkov Plánu obnovy a odolnosti Slovenskej republiky.

Relevantné odkazy