Prof. Tomáš Wágner: Americký patent se nedá koupit jak houska v krámě

17. 12. 2021

Celý život se věnuje materiálovému výzkumu a rozumí si zejména s prvky skupiny chalkogenů. Je chemik, ale jeho bádání je přínosné v oblasti elektrotechniky a optiky, přesah může mít i do medicíny, ochrany životního prostředí a bezpečnosti. „Každý prvek má specifickou konstituci a svoji elektronovou strukturu. Kdybych to měl převést do lidského světa, každý prvek je samostatná bytost. Má své důležité vlastnosti, které se dají vzájemně kombinovat,“ říká jeden z našich excelentních vědců profesor Tomáš Wágner z Fakulty chemicko-technologické, který získal unikátní a prestižní americký patent na svůj paměťový záznam informací.

Dosáhl jste vytoužené mety?

Nebylo to tak, že bych se honil za americkým patentem, ale situace tomu nahrála. Měl jsem výjimečnou příležitost, a té jsem se chopil.

Jakou příležitost?

Začnu příběhem. Na mezinárodní konferenci o chalkogenidech v roce 2010 jsem se setkal s osmaosmdesátiletým profesorem Ovshinskym, což byl americký vynálezce a vědec, vizionář a velmi vzácný člověk. Sám založil několik firem. Představil mi své vědecké krédo na jediné minci. Jedna její strana měla vepsáno „Information“ a byla na ní hlava člověka se zvýrazněným mozkem. Na druhé straně mince se symbolem slunce byl nápis „Energy“. A to je přesně hnací motor materiálového výzkumu. Tam se řadíme i my s našimi chytrými materiály.

Energie ukládá informace?

Chalkogenidové materiály se uplatní díky svým vlastnostem i tam, kde je třeba zpracovat a uchovat data a informace. Tyto vlastnosti ženou lidskou populaci dopředu. Oblast materiálového výzkumu se pořád vyvíjí, protože naše populace generuje každý rok stovky exabytů (exabyt je jednotka vyjadřující množství digitálních dat – pozn. red.). A tyhle informace a data, ať jsou to fotografie nebo dokumenty, se musí ve virtuálním světě uchovávat a zpracovávat.

A s ukládáním dat souvisí i váš patent?

Náš výzkum se týká oblasti tenkých vrstev chalkogenidů, kde jsou přítomné kromě selenu další prvky jako stříbro, germanium, antimon. Připravujeme amorfní slitiny a z těchto slitin nanášíme tenké vrstvy na nanometrové úrovni.

Vaše materiály mohou lépe ukládat informace ve virtuálním světě?

Dá se to tak říci. Ale je to velmi živá oblast, ve které pracuje řada výzkumných skupin. My jsme využili možnosti dostat se v této oblasti blíž k aplikaci. Studujeme tenké vrstvy a individuální paměťové buňky, kde můžeme testovat binární zápis. Ukazuje se, že pomocí těchto materiálů můžeme vytvářet při stejnosměrném napětí buď vodivé propojení, nebo obecně měnit elektrický odpor materiálu. Fáze vodivá se vyvolá tak, že při vloženém napětí se v materiálu vytvoří vodivý kontakt, zjednodušeně nanodrátek, který propojí dvě elektrody. Při obrácené polaritě napětí se tento drátek rozpojí a materiál nevede proud. Jenže my se můžeme dostat ještě mnohem dál na víceúrovňový zápis a do menších rozměrů. Testovali jsme paměťové buňky na úrovni rozměru jednotek mikrometrů. A to je předmět vynálezu. Tedy o tisíc méně, než je jeden milimetr. Výrobní úroveň, ke které výzkum směřuje, je ještě o tři řády níže. V našich podmínkách to už ale není možné zkoumat, protože bychom museli mít mimo jiné velmi čisté prostory a speciální laboratoře bez prachových částic. I sám chemik osobně je v prostředí velmi čistých provozů, kde se zpracovávají polovodiče, znečisťující element. Potřebuje tedy například speciální bezprašnou kombinézu.

Zcela zjednodušeně. Informace, které naše společnost vygeneruje, potřebujete dostat na co nejmenší plochu. A tam by se měly účinně zpracovat.

Ano. Naším úkolem bylo dokázat, že náš materiál funguje spolehlivě. Jedná se o jiný způsob ukládání dat, než je v současnosti běžně využíván v paměťových médiích. Tato technologie slibuje až tisíckrát rychlejší běh, až tisíckrát vyšší životnost, až desetkrát vyšší hustotu zaznamenaných dat. Bylo nutné prokázat, že se jedná o materiál s ověřenými vlastnostmi, že objemové sklo i tenká vrstva fungují tak, jak mají. V metodice jsme podali důkaz, že paměťová buňka spíná a zápis je stabilní. Aby vše fungovalo, museli jsme vytvořit vlastní software. Byli jsme si jisti a vědomi toho, že pracujeme na něčem novém a unikátním. Proto jsme začali věřit, že by mohlo naše bádání vést k patentu.

V tuhle chvíli máte vynález patentovaný.

Patentový úřad ve Spojených státech amerických jej přijal loni 29. prosince. Americký patent je velmi složitá procedura, tři roky jsme o něj bojovali. Centrum transferu technologií a znalostí Univerzity Pardubice nám poskytlo při patentovém řízení veškerý servis, protože je s ním hodně práce a úřadování.

Ale stálo to za to.

Získat takový patent není jak koupit housku v krámě. Je to můj jediný americký patent a považuji ho v rámci své vědecké cesty za velice příjemnou odměnu.

Jaký je systém patentování?

Patentové řízení má hned několik stádií. Připraví se český patent, který se předloží patentové kanceláři. Ta prozkoumá, co patentujete, prohlédne literaturu a zjistí, jestli váš výzkum už někdo nepublikoval v jiných patentech. A když projdete, tak si řeknete, že byste mohli s výzkumem aspirovat na patent vyšší úrovně, což je evropský, případně americký patent. Kladou vám různé dotazy, které musíte vysvětlovat. Je to vlastně ověření objevu. A pokud váš objev projde, musíte zažádat o nostrifikaci v dané zemi. V rámci nostrifikace procházíte zase zkoumáním, kdy je výzkum rozebíraný na „součástky“. Když vše klapne, patentový úřad uzná, že lze danou věc patentovat.

A co bude teď?

Patent je nyní volně přístupný. Doufáme, že si ho někdo všimne a najde nějaké další uplatnění. V tomto ohledu je dobré vědět, že každá špičková firma má svá výzkumná oddělení. Tenhle nápad může někoho z technologů zaujmout a ti mohou naše poznatky využít. Oslovili jsme už jednu nadnárodní firmu, která vyrábí monokrystalický křemík, křemíkové desky a integrované obvody. Tak by ji naše technologie mohla zaujmout. Mají pobočky po celém světě, i v Americe.

Jak se váš výzkum promítne do běžného života?

Ve zvýšeném objemu dat, které bude moci například počítač zpracovat, uložit a učit se. Každý z nás denně používá mobilní telefon, počítač a dnes už je „chytrý“ i vysavač. Díky čipům a elektronickým součástkám má chytré zařízení v sobě zabudovanou paměť, která pomáhá řídit logické operace. U našeho paměťového záznamu je důležité vědět, že se jedná o paměť netěkavou.

Co to znamená?

Informaci zapíšeme. Když odstraníme vnější energii napětí, informace zůstane zapsaná. To je další přidaná hodnota našich paměťových materiálů. Zatímco u současných pamětí, které fungují na principu tranzistoru a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) technologie, je nutné držet napětí, jinak se záznam vymaže.

Kde kromě oblasti elektroniky mohou vaše materiály fungovat?

Paměťové buňky mohou být kombinovány do paměťových, neuronových sítí a vést k napodobování funkcí lidského mozku. Mozek tvoří neurony a synapse (vodivá propojení). Paměťové buňky mají plasticitu, dají se nabíjet na různou napěťovou úroveň. Signál, který tím běží, se určitým způsobem zpracovává. Jednou by umělé neuronové sítě mohly nahrazovat činnost lidského mozku či části nervového systému. A tím se mi do výzkumu vrací medicína, kterou jsem chtěl kdysi studovat.

Jak by sítě nahradily mozek?

Například po zranění by se daly nahradit části chybějícího nervového systému v lidském těle. A tělo by dál fungovalo. Člověk by mohl začít chodit nebo vidět.

To je tedy obrovská výzva…

Jsem tím nadšený. Ale je to spíš výzva pro mé nástupce.

 Když mluvíme o vašem výzkumu, jaké chemické prvky ve vašich materiálech lze najít?

Zabýváme se primárně polovodivými materiály, mezi něž patří řada slitin a chalkogenidových sloučenin. Jsou to slitiny, nebo sloučeniny s řadou prvků, ale vždycky v nich musí být kyslík, síra, selen nebo telur plus nějaké další prvky. Tyto materiály se dají připravit v různé formě. Buď jako objemový materiál, nebo se z nich dají připravit vlákna, případně prášky nebo tenké vrstvy. My se zabýváme ve výzkumu převážně chalkogenidy síry, selenu a teluru. V poslední době nám do výzkumu vstupují sloučeniny s kyslíkem. Dají se připravit jako amorfní, nebo krystalické. Nás zajímá spíše amorfní (struktura materiálů není pevně uspořádaná – pozn. red.) i nanokrystalická struktura.

Proč právě tato struktura?

Z amorfního materiálu se dá poměrně velmi dobře vytvářet jakýkoliv tvar, a to v objemu čočky nebo vlákna, které vedou světelný paprsek. Případně prášky (tablety), které se dají slisovat. Tenké vrstvy jsou zajímavé v tom, že směřují do nanoúrovně, která je spojená s nanotechnologiemi. Zajímáme se o strukturu a jejich fotonické vlastnosti. Fotonické materiály jsou vhodné pro vedení a zpracování optického signálu nebo ke generaci signálu, jako jsou lasery nebo zesilovače. Elektrické vlastnosti souvisí s materiály, které mohou být vhodné pro paměťový záznam.

Co si ještě laik může představit pod materiálovým výzkumem?

Je to výzkum skel, polovodičů, iontových vodičů, dopanty mohou být přechodné kovy, prvky vzácných zemin. V dnešní době je spousta komunikací vedena přes optické vlnovody, optická vlákna, což zrychluje komunikaci. Zde vstupuje do hry druhá strana mince profesora Ovshinskeho, „Energie“, její generace, transport a ukládání. V době covidu se teplota testovaných lidí měřila bezdotykově. I v těchto přístrojích jsou chalkogenidová skla. Ale tyto materiály se dají využít i v oblasti bezpečnosti, kdy se rozpozná obličej, například teroristů. Díky infračervené optice se v medicíně používají laserové nože, kdy vám rozříznou tkáň, ale ta nekrvácí, protože vlnová délka koaguluje tkáň a zabrání krvácení.

Jak se stalo, že jste si vybral jako svůj obor právě chemii?

Můj tatínek byl obvodní lékař a já jsem chtěl pokračovat v jeho šlépějích. I když idylická představa vesnického lékaře, který dopoledne ordinoval a odpoledne jezdil za pacienty, dávno neexistuje. Na medicínu mě nevzali a život mě poslal k chemii. Vůbec toho nelituju. Na podzim roku 1977 jsem nastoupil na VŠCHT v Pardubicích. Byl to pro mě obrovský informační šok, na humanitním gymnáziu byl hlavní akcent na biologii. I když z chemie jsem maturoval také. Na vysoké škole jsem se seznámil s profesorem Frumarem. V zanícení pro vědu a materiálový výzkum to byl můj celoživotní vzor a guru. Později jsme se stali nerozlučnými pracovními kolegy a přáteli. Byl to nadšený vědec, který dokázal člověka zapálit a zabýval se věcmi, které mě velmi lákaly. Polovodiči! Vrátil jsem se ke svému klukovskému nadšení pro elektrotechniku, rádia a magnetofony. Vždycky mě zajímalo, jak všechny ty přístroje fungují. A tady u profesora Frumara jsem se dostal k jejich podstatě. Pokračoval jsem v jeho skupině a v pátém ročníku jsem psal diplomku na téma „chalkogenidy“. A ty mě drží pořád, jak vidíte.

Proč vás tolik fascinuje právě anorganická chemie?

Každý prvek má nějakou konstituci, svoji elektronovou strukturu. Kdybych to měl převést do lidského světa, každý prvek je samostatná bytost. Má své důležité vlastnosti, které se dají kombinovat.

Asi si nedovedete už představit, že byste dělal v životě něco jiného, nebo ano?

Vždycky mě zajímala podstata věcí a jejich fungování. Ale ano, bavila by mě medicína, biologie, kde bych se mohl snažit pochopit, proč mechanismy fungují právě takhle. Fascinuje mě příroda, kde je vše dokonale zorganizované a my se snažíme jen horko těžko přiblížit. Mým velkým koníčkem je proto také např. včelaření.

Je vůbec něco, co se vám v životě nepodařilo?

Třeba se mi nepovedlo prosadit výstavbu velkého centra materiálového výzkumu v Pardubicích, co mělo stát v kampusu v prostoru louky za Fakultou chemicko-technologickou. Pět let práce, přípravy projektu vědeckého i stavebního, sestavování vědeckého týmu, práce s projektanty a architekty, vše přišlo vniveč. Velká životní zkušenost!

Mincí jsme náš rozhovor začínali a mincí ho také skončíme. Co máte společného s knihou „Hromadný nález denárů z konce 10. století z Chýště“?

Dělal jsem prvkovou analýzu oněch nalezených denárů. Když u obce Chýšť v Pardubickém kraji objevili archeologové denáry, dostalo je do vínku pardubické muzeum. Historik Ladislav Nekvapil mě oslovil, zda bych mohl zjistit, z jakého materiálu mince byly. Potvrdil jsem, že se razily ze slitiny zlata, stříbra a mědi. Tyto mince jsou o 11 století starší než mince profesora Ovshinskeho. I po tolika staletích je z nich cítit obrovská energie a obsahují mnoho historických informací.

Zajímáte se o historii?

Už od gymnázia mě zajímá historie, české dějiny a dějiny Pardubicka. Práce na denárech byla odbočkou od mého hlavního zaměření, ale moc mě bavila. Nemám plány na dvacet let dopředu, ale snažím se využít okamžik, který dává smysl. A tenhle jsem také využil.

prof. Ing. Tomáš Wágner, DrSc.
(1958)

Vystudoval Vysokou školu chemicko-technologickou v Pardubicích. Působí na Katedře obecné a anorganické chemie Fakulty chemicko-technologické. V roce 1990 získal titul CSc. – kandidát věd a v roce 2005 se stal profesorem pro obor anorganické chemie. Vědeckou hodnost doktora chemických věd (DrSc.) získal v roce 2016. Po revoluci absolvoval dvouletou zahraniční stáž ve skotském Edinburghu, dva a půl roku se věnoval výzkumu v Kanadě. Přednášel na vědeckých konferencích a univerzitách v Japonsku, Číně, Jižní Koreji, Americe, Rusku, Velké Británii, Francii, Řecku nebo v Itálii. Řadu mezinárodních vědeckých akcí uspořádal i v Pardubicích. V roce 2014 vytvořil tým na výzkum pokročilých nekrystalických materiálů. Vychoval řadu úspěšných studentů, kteří pokračují ve výzkumu a dobře se uplatnili doma i v zahraničí. V současné době vědecky participuje v Centru materiálů a nanotechnologií (CEMNAT). Dosud publikoval více jak 230 vědeckých článků a jeho h-index je 31. V závěru loňského roku získal americký patent s názvem „Method of forming a metalic conductive filament and Random Access Memory device for carrying out the method“.

Tento text najdete v exkluzivním vydání časopisu Univerzity Pardubice MY UPCE, v tištěné i on-line podobě.

TEXT Věra Přibylová/FOTO Adrián Zeiner