S názvom odboru, ktorému sa venuje Matej Baláž, ste sa možno ešte nestretli. Len relatívne malá skupina ľudí na svete sa venuje mechanochémii, odboru, ktorý napríklad dokáže umožniť, aby sa škrupina vajíčka dala použiť na čistenie odpadových vôd, alebo z orechových škrupín spraviť aktívne uhlie.
Matej Baláž pôsobí v košickom Ústave geotechniky Slovenskej akadémie vied. Za svoju vedeckú činnosť v mechanochémii sa nedávno stal laureátom ocenenia ESET Science Award v kategórii Výnimočná osobnosť vedy do 35 rokov.
„Pri klasickej chémii často musíte zahrievať banky, aby reakcie prebehli. Tento postup navyše často pozostáva z viacerých krokov. V našom prípade sa to deje prostredníctvom mletia - mechanickej energie guľôčok, ktoré ju získajú konštrukciou mlynu a pohybom, aby ju následne dodali prášku," vysvetľuje Baláž.
„Pri mechanochémii používame tuhé látky. Keď si predstavíte dve kvapaliny, tie sa ľahko premiešajú prostredníctvom difúzie. Pri tuhých látkach je to náročnejšie. Preto tomu napomáha mletie, aby sa premiešali, aby sa reagujúce častice dostali do častejšieho kontaktu,“ opisuje podstatu svojho odboru.
V článku sa dočítate:
- Ako sa dozvedel o oblasti, ktorej sa venuje tak málo ľudí.
- Ako odbor, ktorý pomáhal baníctvu, teraz pomáha pri čistení.
- V čom sú výhody mechanochémie oproti klasickej chémii.
- Akej reakcii sa teraz venuje.
Ani on o odbore nevedel
Hoci mechanochémia nie je až taký známy vedný odbor, dalo by sa povedať, že akési začiatky sa dajú badať už v kamennej dobe, keď dávni ľudia zakladali ohne udieraním kameňov o seba. Prvá zámerná mechanochemická reakcia podľa literatúry prebehla v roku 315 pred naším letopočtom. Antický botanik a filozof Theofrastos mechanicky v mažiari z medi rozdrvil minerál zvaný rumelka v prítomnosti octu.
„Začal to trieť a mechanickou energiou sa v ňom objavili kvapôčky ortuti. Rumelka obsahuje ortuť a síru, pričom tá druhá zreagovala s meďou v tĺčiku a vznikol sulfid meďnatý alebo kovelín. Išlo však o nesystematické objavy,“ ozrejmuje Baláž a dopĺňa, že sústredený výskum sa začal až v Sovietskom zväze v 60. rokoch minulého storočia.
O niečo neskôr už na Slovensku vzniklo oddelenie mechanochémie na jeho súčasnom pracovisku. Primárne sa však všetko točilo okolo spracovania surovín z baníctva. Až okolo roku 2000 sa o mechanochémiu začal viac zaujímať zvyšok sveta.
Liečba cukrovky transplantáciou je dostupná aj na Slovensku, zatiaľ nie systémovo Čítajte „Keby som nemal otca, ktorý robí v odbore, tak by som o tom nevedel, a to som dokonca študoval chémiu na univerzite. V podstate je to malá komunita ľudí, ktorá sa tomu venuje, a preto to nie je až také známe.“ Podľa jeho slov otec zohral kľúčovú rolu v tom, že sa oblasti začal venovať. Netlačil naňho, ale ukázal mu len pozitívny príklad. Pomohlo tiež, že mal dobrú chemikárku na strednej škole. A hoci sám Baláž je organický chemik a otec anorganický, v mechanochémii robia spolu.
Keďže na Slovensku baníctvo ustupuje do ústrania sčasti aj pre ochranu životného prostredia, mechanochémia nachádza paradoxne opačné uplatnenie - Matej Baláž pomocou nej hľadá spôsoby, ako čistiť životné prostredie. Vo svojej dizertačnej práci písal o využívaní bežného kuchynského odpadu - vaječných škrupín na čistenie vody.
Nápad na to, aby sa výskumu začal venovať, prišiel od otca. Ten mal naštudovanú literatúru, v ktorej sa písalo, že mušle vedci pomleli a použili na čistenie odpadových vôd. Škrupina má rovnaké zloženie ako mušle, obe sú bohaté na vysoký obsah vápnika v podobe uhličitanu vápenatého. Funguje to nasledovne.
„V princípe dochádza k výmene - vápnik zo škrupinky odchádza preč a namiesto neho môže prísť iný ión, napríklad ťažkého kovu strieborný, kademnatý. Škrupinka ich v podstate zachytáva,“ vysvetľuje Baláž a dodáva, že mletím sa táto schopnosť škrupiny ešte zväčšuje. Sú na to dva dôvody.
„Prvý je, že sme zväčšili špecifickú plochu povrchu a získali hladký prášok, ktorý tak lepšie interaguje s roztokom s odpadom. Druhá vec je, že v škrupinke uhličitan vápenatý existuje vo forme kalcitu, minerálu s určitou kryštalickou formou. Existuje aj minerál aragonit, čo je iná kryštalická forma uhličitanu vápenatého. Mletím sme premenili kalcit na aragonit, ktorý sa ukázal lepší pri zachytávaní daných iónov.“
Matej Baláž. (zdroj: ESET Science Award/Linda Kisková Bohušová)Viacero výhod
Mlieť je možné všeličo. Pri práci Baláž používa komerčne dostupné prášky alebo aj odpadové materiály, napríklad biomasu.
„Potom ide o iný princíp než pri vaječných škrupinách, lebo biomasa ako napríklad rastliny nemá veľa vápnika, ale skôr uhlík. Keď taký prášok následne vypálite pri vyšších teplotách v prítomnosti inertného plynu, dostanete aktívne uhlie, ktoré do seba všetko zachytáva,“ ozrejmuje.
Nejde pritom vždy len o to, aby materiál pomleli, ale občas aj len „aktivovali“. Znamená to, že mechanickou energiou trošku zmenia určité vlastnosti, napríklad keď sa špecificky zväčší jeho povrch, čo následne môže zlepšiť jeho vlastnosti.
Okrem spracovania odpadu mechanochémia nachádza využitie aj v kozmetike či pri získavaní látok z prírodných materiálov. Vďaka nej sa totiž dajú získať také produkty, ktoré nie je možné získať roztokovou chémiou. Výhodou tiež je, že vyvoláva chemické reakcie bez rôznych rozpúšťadiel či vonkajšieho zvyšovania teploty, čo je vhodnejšie pre životné prostredie.
„Naším cieľom je overiť to v laboratóriu a následne to dostať do sveta v odborných časopisoch. Samozrejme, bolo by super, keby sa toho niekto chopil, napríklad cez startup,“ hovorí vedec.
Kooperácia kľúčová pre úspech
Baláž priznáva, že bez spolupráce by sa veľa vecí nepodarilo. Takto sa dostal ku kontaktom v 90 inštitúciach v 30 rôznych krajinách.
„Keby som potreboval niečo, na čo nemám nástroje, viem, kam sa môžem obrátiť. Bez takejto spolupráce sa dobrá veda nedá robiť,“ hovorí. Spolupracuje napríklad s Kazachstanom, odkiaľ mám doktorandov. Krajina má program, podľa ktorého musia mladí vedci mať aj zahraničného školiteľa a vycestovať za ním na tri mesiace.
„Veľmi spolupracujem aj s kolegyňou zo Slovinska, ktorá sa venuje transmisnej elektrónovej mikroskopii. Keď niečo pomelieme, veľmi dobré je vidieť, ako častice vlastne vyzerajú a ísť až na škálu nanometrov. Aj v Košiciach máme taký mikroskop, no táto kolegyňa má skúsenosť s analýzou mechanochemicky pripravených materiálov, a tak je pre ňu jednoduchšie poskytnúť logickú interpretáciu,“ vysvetľuje.
Za svoj úspech považuje výskum strieborných častíc s antibakteriálnou aktivitou, ktoré získal mletím práškových rastlín s dusičnanom strieborným.
„Túto oblasť nikto neskúmal. V klasickom prístupe sa z rastliny spravil akoby čajový extrakt, ktorý sa potom zmiešal s roztokom dusičnanu strieborného. Náš postup je však priamejší," ozrejmuje.
Slovenský vedec získal prestížny európsky grant. Prečo sa oň hlási málo Slovákov? Čítajte Pozoruhodná reakcia
Výskumu, ktorému sa teraz najviac venuje, je spomenutý kovelín a jeho príprava z medi a síry, ktorú opisuje ako výbušnú syntézu.
„Do mlecej komory dáte oba prášky, dodáte guľôčkami trochu energie a za 10 sekúnd zrazu máte produkt," hovorí a dodáva, že ten má veľké využitie v aplikáciách využívajúcich premenu energie, ako napríklad v termoelektrických a solárnych článkoch, alebo na výrobu vodíka. Výhodou je, že takto sa dá pripraviť za pár sekúnd. Zisťuje, ako je to možné, lebo skúšali sa rôzne druhy medi, no iba pri dvoch prípadoch sa to podarilo. S kolegami zatiaľ zistil, že dôležitý je ihličkový tvar a veľkosť častíc.
„Tá reakcia medi a síry je superrýchla. Je tam priestor, že by to fungovalo aj pre iné systémy, nielen pre meď a síru. Hlavne nevieme, prečo to takto funguje. Lebo zrazu dôjde k malému výbuchu, uvoľní sa teplo a tlak, a keď otvoríme komoru, máme produkt," opisuje.
Chystá sa podať ERC grant, aby prispel k výskumu. Aj preto bol v Nemecku v rámci ERC Visiting Fellowship, aby odpozoroval know-how, keďže Slováci majú malú úspešnosť v tejto schéme.
„Veľké šance tomu nedávam, ale aspoň som získal skúsenosti a uvidel som, ako celý postup pri podávaní grantu fungoval,“ dodáva.
Tento článok vznikol s podporou ESET Foundation, ktorá každý rok udeľuje ocenenie ESET Science Award výnimočným vedcom a vedkyniam.
