Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského, v.v.i. Akademie věd České republiky. ÚFCH JH představuje některé své laboratoře:

Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského, v.v.i. Akademie věd České republiky

ÚFCH JH představuje některé své laboratoře: • • • • • • • • • • • • • • • • •

Laboratoř laserové a Fourier transform spektroskopie (Doc. Civiš) Laboratoř pro výzkum klastrů v molekulových paprscích (Dr. Fárník) Laboratoř Vladimíra Čermáka (Výzkum reakcí iontů rozptylem ve zkřížených paprscích částic, Výzkum srážek pomalých iontů s povrchy (Prof. Herman) Laboratoř spektroskopie a fotochemie v blízké infračervené oblasti (Dr. Votava) Laboratoř elektronové spektroskopie (Dr. Bastl) Laboratoř pro výzkum povrchových interakcí na kovech (Dr.Plšek) Laboratoř hmotnostní spektrometrie (Dr. Polášek, Dr. Španěl) Společná laboratoř molekulové spektroskopie vysokého rozlišení (společné pracoviště ÚFCH JH a VŠCHT Praha) (Prof. Urban) Laboratoř skupiny Teoretické fyzikální chemie (Dr. Pittner, Dr. Čurík, Dr. Sklenák) Laboratoř fluorescenční spektroskopie (Doc. Hof, Dr. Benda, Dr. Sýkora, Dr. Humpolíčková) Laboratoř biosenyorů (Dr. Navrátil, Dr. Yosypchuk) Laboratoř syntézy a reaktivity katalytických materiálů (Ing. Sobalík, Dr. Dědeček, Dr. Sazama) Laboratoř MEMFIS (MEMbrane-FIltration-Separation) (Dr. Kočiřík, Dr. Hrabánek) Laboratoř zeolitů (Prof. Čejka) Laboratoř organometalické katalýzy (Dr. Horáček) Laboratoř mikroskopie rastrovací sondou (Ing. Janda, Dr. Tarábková) Laboratoř elektrokatalýzy (Ing. Krtil) Dolejškova 3, 182 23 Praha 8, www.jh-inst.cas.cz, T.: 266052011, 266053265; [email protected]. Kontaktní osoba: Ing. Květa Stejskalová, CSc.

Laboratoř laserové a Fourier transform spektroskopie RNDr. Svatopluk Civiš, CSc. T.: 26605 3205, 3275; [email protected]

RNDr. Pavel Kubát, CSc. T.: 26605 3047, 3076; [email protected]

RNDr. Zdeněk Zelinger, CSc. T.:266053046, 3085; [email protected]

Přístrojové vybavení: Vedle nového přístroje, kterým je infračervený spektrometr Bruker ISF 120 s Fourierovu transformací (viz obr. vpravo), zařízení umožňující získávat spektra s vysokým rozlišením (omezená pouze Dopplerovským efektem přibližně 0,002 cm-1 v infračervené oblasti), je laboratoř vybavena laser-diodovými spektrometry (teplotní rozsahy: 12-80K; 80-120K; teplotní rozsah pokojových teplot (výrobce Laser analytics); vysokonapěťovým MOS FET modulátorem a excimerovým laserovým systémem ArF (výrobce Lambda Physics).

Krátký popis zaměření laboratoře: V oblasti základního výzkumu laboratoř navazuje na běžící program měření spekter molekulárních iontů a radikálů (např. C2-, H3+, ArH, NeH+ a He2). Spektrometr Bruker IFS 120 s FT, pořízený na sklonku roku 2004, v současnosti pracuje v rozsahu 500-10 000 cm-1. Je plánováno jeho postupné dovybavení interferenčními filtry, které umožní pokrýt celou spektrální oblast měření, tj. od 10 cm-1 až 50 000 cm-1. Za klíčové je považováno dovybavení spektrometru zařízením pro časově rozlišenou FT spektroskopii. Tato dostavba, která je v současnosti již také realizována, umožní provádět kinetické studie procesů vibračně a elektronicky vzbuzených radikálů nebo molekulových iontů. V použití časově rozlišené FT spektroskopie lze spatřovat nový úhel pohledu, kterým je možné na procesy vzniku a rozpadu probíhající v plazmě nahlížet, a který může do složitého objasňování dynamiky nestabilních reaktantů vnést nový rozměr. Laboratoř se již několik let také věnuje studiu vztahů chemické konstituce, fotofyzikálních vlastností a fotochemického chování nižších i vyšších fullerenů a jejich derivátů. V poslední době se tento zájem rozšířil i na nanotuby a fullerenové lusky . Laboratoř je zapojena do projektu “Centrum nanotechnologií a materiálů pro nanoelektroniku”(2005-2009). V oblasti enviromentálních měření pokračuje výzkum radikálů (halogenových specií) vznikajících v plazmě mikrovlnného výboje, které hrají důležitou roli v atmosférické chemii a technologii materiálů. Jejich fotodisociace nebo reakce s jinými polutanty může totiž vést k uvolnění atomu halogenů, které jsou pak příčinou úbytku stratosférického ozonu. V oblasti aplikačního výzkumu pokračují měření detekce výfukových automobilových plynů a stanovení methanu v topném plynu.

Časově rozlišená FT emisní spektroskopie - plasma He a H2 za teploty kapalného dusíku

Laboratoř pro výzkum klastrů v molekulových paprscích Mgr. Michal Fárník, Ph.D. T.: 266053206, 26605367; [email protected]

Přístrojové vybavení: (1)Vakuová aparatura na molekulové paprsky: zdroje paprsků založené na supersonické expanzi plynů do vakua; možnost rozptylového experimentu ve zkřížených paprscích za podmínek jediné srážky; dopování klastrů molekulami; analýza rychlostí a úhlových rozdělení paprsků; UHV komora obsahující WM TOF spektrometr (kolmo na osu paprsku) k analýze kinetické energie fotodisociačních fragmentů; UHV komora obsahující kvadrupólový hmotnostní spektrometr (v ose paprsku) k analýze složení klastrů. (2) Pulsní laserový systém laditelný v UV oblasti od 217 nm do 432 nm: Nd:YAG laser (Quanta Ray GCR-5, Spectra Physics); barvivový laser (LDL 20505, LAS); wavelength extender (WEX-2C, Spectra Physics) obsahující několik krystalů pro nelineární míchání freqencí.

Krátký popis zaměření laboratoře: Laboratoř se zabývá studiem klastrů od Van der Waalsovsky vázaných komplexů vzácných plynů po heterogenní molekulové klastry relevantní v atmosférické chemii. Unikátní experimentální zařízení umožňuje široké spektrum pokusů. Ojedinělou možností přístroje je velikostní selekce neutrálních klastrů deflekční metodou ve zkřížených paprscích. Tuto možnost lze využít např. k měření rozpadu po ionizaci klastrů vzácných plynů známé velikosti. Výsledky těchto měření lze přímo srovnávat se sofistikovanými teoretickými výpočty. Klastry lze rovněž využít jako „kryo-nanolaboratoře“ např. k „syntéze“ nových molekul inertních plynů. Teoretické předpovědi i experimenty v maticích nedávno odhalily novou třídu chemicky vázaných molekul vzácných plynů typu HRgX (Rg= Ar, Kr, Xe; X= elektronegativní skupina), jejichž studium podstatně přispívá k rožšíření a chápání pojmu chemické vazby. Nedávné experimenty na našem stroji v Göttingen ukázaly, že tyto molekuly lze připravit i v plynné fázi fotodisociací molekul HX na klastrech vzácných plynů a jejich přípravě a studiu se chceme dále věnovat. Výzkum molekulových klastrů (např. (H2O)n, (NH3)n etc.) dopovaných různými atmosféricky relevantními molekulami (např. HCl, HBr etc.) je důležité z hlediska procesů probíhajících v atmosféře např. z hlediska tvorby ozonové díry. Bude studováno složení dopovaných klastrů a chemické reakce v nich probíhající metodami hmotové spektrometrie. Dále bude zkoumána fotolýza molekul v klastrech a po menších experimentálních úpravách i interakce klastrů s povrchy.

Obr. 1: Experimentální zařízení pro výzkum klastrů v molekulových paprscích

Laboratoř pro výzkum klastrů v molekulových paprscích Zajímá Vás „společenský život molekul? Víte, co má společného chladný mrtvý led se základní molekulou života DNA (kromě toho, že kostka ledu rozpouštějící se ve sklenici whisky jí dodává živou jiskru)? Proč se ozonová díra tvoří právě nad Antarktidou? Proč je voda molekulový „svůdce“ a kolik takových molekulových Don Juanů je třeba ke „svedení“ jedné molekuly HCl?

Pokud ve Vás některé z těchto otázek vzbudily zvědavost, navštivte naší laboratoř. Jestli Vás baví fyzika, chemie a matematika jistě se u nás nebudete nudit. A když ne, zkuste přesto přijít, třeba Vás to právě tady začne bavit! Co jsou to klastry a proč je studujeme? Molekuly mohou vytvářet komplexy dvou, tří,…tisíců a i více částic, které jsou drženy pohromadě silami mnohem slabšími, než jsou chemické vazby v molekule. Tyto komplexy nazýváme klastry. Chceme-li porozumět vlastnostem nějaké látky na základě vlastností molekul, z nichž pozůstává, můžeme postupovat tak, že skládáme jednotlivé molekuly dohromady -vytváříme klastry- a sledujeme vývoj určité vlastnosti v závislosti na velikosti klastrů. Klastry mají také celou řadu unikátních vlastností (např. velmi nízké vnitřní teploty, až 0,37 K v heliových klastrech), díky nimž je lze využít jako „létajících nanolaboratoří“ pro výzkum částic do klastrů vložených. Z praktického hlediska klastry hrají důležitou roli ve fyzice a chemii atmosféry, mezihvězdného prostoru apod. V naší laboratoři provádíme na klastrech základní výzkum na molekulové úrovni pro nejrůznější oblasti od fyziky přes chemii až po biologii. Některé příklady: (1) studujeme fotolýzu a acidickou disociaci halogenvodíků (HCl) na vodních klastrech, které hrají klíčovou úlohu při procesu vytváření ozonové díry ve stratosféře; (2) na klastrech studujeme vlastnosti vodíkové vazby, která např. ve fyzice určuje strukturu a anomální chování vody a ledu a v biologii např. váže páry bází v molekule DNA. Naše laboratoř vznikla nedávno okolo nového experimentálního zařízení, které bylo postaveno v MaxPlanck-Institutu v Göttingen v proslulém centru experimentů s molekulovými paprsky, kde na něm také byla provedena celá řada úspěšných měření. V r. 2005 jsme tento přístroj, který je jeden z mála podobného druhu na světě, získali do Prahy.

Aparatura obsahuje dva zdroje molekulových paprsků OKI a II, které se vytvářejí expanzí plynů do vakua skrz mikroskopickou trysku (~100 µm). Molekuly se během expanze chladí a spojují v klastry. Oba paprsky můžeme srážet a natáčet vůči ose aparatury, což lze využít např. k selekci neutrálních klastrů dle velikosti. K analýze klastrů a procesů v nich probíhajících slouží kvadrupolový hmotový spektrometr QMS. Molekuly v klastrech můžeme také disociovat a ionizovat laserovým ultrafialovým (UV) zářením a produkty těchto procesů analyzovat time-of-flight spektrometrem WM-TOF. Zdrojem vysokoenergetického pulzního UV záření je laserový systém pozůstávající z několika laserů (Nd:YAG a dyelaser) a frekvenčních směšovacích jednotek. Máte zájem si všechna tato unikátní zařízení prohlédnout zblízka a něco se o nich dozvědět? Navštivte naší laboratoř! A ještě něco: jelikož je to laboratoř nedávno vzniklá, stále ještě hledáme studenty, nadšené zájemce o práci na tomto novém a ojedinělém experimentu! Bližší informace můžete získat na:

http://www.jh-inst.cas.cz/~farnik nebo přímo osobně u:

Michal Fárník, Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AVČR, Dolejškova 3, 18223 Praha 8 tel.:266053206 e-mail: [email protected]

Laboratoř Vladimíra Čermáka: Výzkum reakcí iontů rozptylem ve zkřížených paprscích částic Výzkum srážek pomalých iontů s povrchy Prof. Dr. Zdeněk Herman, DrSc. T.: 266053514, 266053485(L); [email protected]

Přístrojové vybavení: (1) Speciální zařízení EVA II pro výzkum reaktivního rozptylu iontů ve zkřížených paprscích částic za podmínky jediné srážky mezi iontovým a neutrálním reaktantem (obr. 1). Ionty se v něm připravují ionizací vhodných molekul elektrony v iontovém zdroji. Odtud jsou vytaženy elektrickým polem, urychleny na energii několika stovek eV a analyzovány podle hmotností permanentním magnetem. Izolovaný iontový druh je zpomalen ve zpomalovací čočce na energii obvykle několika eV. Paprsek tohoto iontového reaktantu má úzký energetický (asi 0.2 eV) i úhlový (asi 1-20) roztyl při dané energii. Tento paprsek se kříží s kolimovaným paprskem termálních neutrálních molekul (druhý reaktant), vycházejícím s mnohokanálové trysky. V překřížení dochází k srážkám mezi částicemi obou paprsků a k jejich chemickým reakcím. Reaktanty i produkty letí dále k detekční štěrbině, za níž jsou ionizované částice analyzovány brzdným napětím a urychleny do detekčního hmotnostního spektrometru, který podle hmotnosti rozdělí iontové reaktanty a produkty a zaznamená jejich dopad jako elektrický proud na násobiči. Paprsky, srážející se pod úhlem 90 stupňů, lze natáčet kolem rozptylového centra a měřit tak úhlové rozdělení produktů. Přerušování neutrálního paprsku rotační clonou a detekce modulovaného signálu iontových produktů odstraňují efekty srážek mimo srážkové centrum. Výsledkem měření jsou úhlová rozdělení iontových produktů a profily energie iontových produktů u různých rozptylových úhlů. (2) Variantou tohoto zařízení je modifikace přístroje pro výzkum srážek pomalých iontů s pevnými povrchy (obr. 2). Zdroj neutrálního paprsku je v tom případě nahrazen pevným terčem, na něž dopadá hmotnostně vybraný iontový druh definované translační energie pod nastavitelným úhlem. Měření spočívá ve stanovení hmotnostních spekter iontových produktů, vznikajících ve srážce iontů s povrchem, a v určení jejich úhlového rozdělení a rozdělení translačních energií.

Krátký popis zaměření laboratoře Laboratoř se zabývá výzkumem dynamiky elementárních chemických reakcí iontů. Výsledky rozptylových experimentů se zpracovávají do rozptylových diagramů, které poskytují informace o srážkovém mechanismu procesu a o uložení translační a vnitřní energie v produktech. To jsou velmi podrobné informace, které vedou k popisu základních zákonitostí, jimiž se řídí průběh chemických procesů na molekulové úrovni. Velký význam získaných informací je také v tom, že jsou přímo srovnatelné s teoretickými výsledky „počítačových“ experimentů, v nichž se sledují trajektorie částic dané soustavy na příslušné hyperploše potenciální energie. V poslední době se výzkum soustředil na popis málo známých elementárních reakcí násobně nabitých iontů, zvláště pak molekulárních dikationtů. Výzkum reakcí v řadě soustav dikationtů (CF22+, CO22+, CF32+, CHCl2+, C4H32+) s vodíkem a jinými neutrálními atomy a molekulami vedl k formulování obecného modelu pro průběh těchto reakcí. Výsledky mají obecný význam pro teorii elementárních chemických reakcí a nalézají uplatnění při popisu reakcí v soustavách s vysokým obsahem energie (plasma, výboje, plynné lasery, astrofyzikální soustavy). Výzkum srážek pomalých iontů s povrchy má za cíl popis disociačních procesů a chemických reakcí polyatomových iontů u povrchu pevných látek a mechanismus těchto procesů, přenos a přerozdělení energie ve srážkách s povrchem, určení pravděpodobnosti přežití iontů v takové srážce. Studované povrchy jsou kovové nebo uhlíkové povrchy různého druhu a povrchy pokryté různými samouspořádanými monovrstvami. Výzkum poskytuje důležité informace o procesech, důležitých pro provoz zařízení pro jadernou fúzi (Tokamak), a pro aktivaci velkých molekul a iontů (biomolekul) ve srážkách s povrchem.

Laboratoř Spektroskopie a fotochemie v blízké infračervené oblasti Mgr. Ondřej Votava, PhD. T.: 266053636, [email protected]

Krátký popis zaměření laboratoře: Hnacím motorem troposférické chemie je sluneční záření pronikající do nízkých vrstev atmosféry. Vzhledem k tomu, že většina vysokoenergetického ultrafialového (UV) záření je absorbována ve vyšších vrstvách atmosféry, jedná se především o záření ve viditelné (VIS) a blízké infračervené (NIR) spektrální oblasti, které proniká k zemskému povrchu s vysokou intenzitou. Studiu spektroskopie a fotochemie ve viditelné oblasti spektra byla věnována značná pozornost. Naproti tomu data o NIR oblasti jsou v současnosti velmi omezená. Přesto celá řada molekul vyskytujících se v troposféře vykazuje v blízké IČ oblasti absorpční pásy v důsledku vibračních overtonových přechodů a nízko ležících elektronových přechodů. Přesto fotochemické procesy vyvolané těmito složkami solárního záření nejsou v současné době takřka vůbec zahrnuty do existujících troposferických modelů. Důvodem je absence relevantních a přesných laboratorních dat v této oblasti. Chybí jak kvantitativní informace o extinkčních koeficientech pro celou řadu důležitých atmosférických absorbérů, tak i data o možných fotochemických kanálech takto vzbuzených molekul. Laboratoř NIR-LAS (Near Infrared Laser Absorption Spectroscopy) je zaměřena na studium spektroskopie a fotochemie v blízké IČ oblasti. A na vývoj experimentálních nástrojů pro kvantitativní měření absorpčních průřezů a kvantových výtěžků fotochemických kanálů. Existující experimentální vybavení umožňuje studium vysoce rozlišených absorpčních spekter s možností určení absolutních absorpčních průřezů. K dispozici je též aparatura pro studium nízkoteplotní subdopplerovské spektroskopie v pulsním supersonickém molekulovém paprsku, pomocí které lze získat vysoce přesná data nutná pro analýzu komplikovaných ovetonových spekter.

Přístrojové vybavení: V naší laboratoři používáme metody spektroskopie s vysokým rozlišením v NIR spektrální oblasti. Základními nástroji jsou laditelné diodové lasery pracující v oblasti mezi 630 nm a 1650 nm. K detekci molekul aplikujeme absorpční techniky s vysokou citlivostí: Cavity Enhanced Absorption spectroscopy (CEAS) a Cavity Ring Down Spectroscopy (CRDS). Laboratoř je dále vybavena zdrojem pro tvorbu supersonicky ochlazených nestabilních radikálů, který kombinuje štěrbinovou supersonickou trysku s vysoce lokalizovaným pulsním elektrickým výbojem.

CEAS experiment s výbojovým supersonickým zdrojem Štěrbinová supersonická tryska Elektrický výboj

Detektor

Laser

Optický rezonátor Piezoelektrický element (PZT)

Laboratoř elektronové spektroskopie RNDr. Zdeněk Bastl, CSc. Kontakt: T.: 26605 3456, 3526, 3466 e-mail: [email protected] Přístrojové vybavení: Laboratoř je vybavena elektronovým spektrometrem ESCA 310 (Gammadata Scienta, Švédsko – viz obrázek vpravo) umožňujícím měřit spektra elektronů s velkým rozlišením (obr. 1. a 2.). K excitaci elektronů je použito intenzivní záření AlKα (hν = 1486.6 eV), produkované rotující anodou speciální ultravysokovakuové konstrukce a monochromatizované sedmi toroidálně ohnutýmí křemenými krystaly (poloměr Rowlandovy kružnice 65 cm). K analýze elektronů je použit hemisférický deflekční elektrostatický analyzátor a k detekci elektronů dvourozměrný multidetektor. Spektrometr lze provozovat v transmisním, angulárním a zobrazovacím režimu. Komory spektrometru jsou čerpány turbomolekulárními a iontovými vývěvami na vakuum 10-10 mbar. Přístroj je dále vybaven iontovými a elektronovými tryskami, počítačem řízeným manipulátorem s pěti stupni volnosti a mikrováhou s křemeným krystalem. Dále je laboratoř vybavena standardním elektronovým spektrometrem ESCA 3 Mk II (VG Scientific, Anglie) který umožňuje kromě spekter excitovaných měkkým rentgenovým zářením měřit i spektra excitovaná UV zářením s energií fotonů od 20 do 41 eV, spektra Augerových elektronů excitováných fotony a elektrony a studovat složení plynné fáze (např. při zahřívání vzorků nebo jejich interakci s vybranými plyny) metodou hmotnostní spektrometrie.

Krátký popis zaměření práce laboratoře: V současné době jsou spektrometry využívány především ke studiu nanostrukturních materiálů a povrchů materiálů pro náhrady biologických tkání. Měřením úhlově rozlišených fotoelektronových spekter jsme vyšetřovali stabilitu zlatých nanostruktur a klastrů na vybraných nosičích. Dále se zabýváme detailním studiem nanočástic zlata a bimetalických povrchů z hlediska možnosti jejich využití v heterogenních katalytických a elektrokatalytických reakcích. Kromě studia klastrů zlata deponovaných na nosičích se zabýváme rovněž studiem koloidních zlatých částic a zlatých filmů modifikovaných povrchovou derivatizací karboranthioly, u kterých lze předpokládat aplikace v biologických a technických vědách. Pro praktické využití důležitou tématikou, na jejímž řešení se laboratoř podílí, je studium povrchových modifikací polymerních materiálů z hlediska zlepšení jejich biokompatibility. Metodami elektronové spektroskopie monitorujeme chemické změny povrchu a stabilitu povrchových funkčních skupin vzniklých působením urychlených iontů a plasmatu na povrchy polymerů s cílem optimalizovat podmínky povrchové modifikace z hlediska interakce povrchu s biomolekulami a vybranými buněčnými kulturami. Řada dalších studií je prováděna ve spolupráci s jinými ústavy Akademie věd (laserová chemie, fotochemie, geochemie) a vysokými školami; část pracovní kapacity je věnována řešení problémů aplikovaného výzkumu (oxidace, koroze). Schéma spektrometru ESCA 310 (CR: rotující anoda, CM: monochromátor, CS: komora se vzorkem, CL: elektronová optika, CA: hemisférický analyzátor elektronů, CP: přípravná komora pro manipulace se vzorkem, CE: vakuová propust pro vzorek.

Laboratoř hmotnostní spektrometrie Mgr. Miroslav Polášek, Ph.D. Ing. Jiří Kubišta tel.: 266053066, [email protected]

Přístrojové vybavení: (1) Hmotnostní spektrometr ZAB2-SEQ. Hybridní tandemový hmotnostní spektrometr s geometrií BEqQ; hmotnostní rozsah magnetického sektoru je 2-15000 Th při plném urychlovacím napětí (8 kV); hmotnostní rozsah kvadrupólu je 3000 Th, výrobcem uváděné teoretické rozlišení R=100 000, ionizační techniky: EI, CI, FIB (fast ion bombardment, Cs+), DCI; experimenty MS: kompletní škála spojených skenů zahrnujících sektory B, E a Q, (skeny B/E, B2/E, sken neutrálních ztrát, MIKES, QMIKES atd.), CAD při vysokých i nízkých energiích, HRMS; spektrometr byl doplněn o dvě srážkové komory ve FFR1 umožňující provádět experimenty NRMS v kombinaci s B/E skenem; datasystém MASPECII detector 1 pracující pod Windows XP. (2) Hmotnostní spektrometr VG 7070E. B E Sektorový hmotnostní spektrometr s geometrií EB; hmotnostní rozsah collision cell 3 magnetického sektoru je 1-3000 Th při plném urychlovacím napětí (6 kV), MS 1 collision cell 2 ionizační techniky: EI, CI, FAB; detector 2 srážková komora ve FFR1. deflector collision cell 1

deceleration lens

q

RF-only quadrupole collision cell

ion source

Krátký popis zaměření laboratoře:

Q

quadrupole analyzer

MS 2 Výzkum organické a organokovové detector 3 hmotnostní spektrometrie se v posledních letech soustředil na objasňování mechanismů reakcí organických iontů a studium jejich struktury metodami tandemové hmotnostní spektrometrie v kombinaci s výpočty ab initio metodami kvantové chemie. Pro experimenty je používán zejména hybridní tandemový hmotnostní spektrometr ZAB2-SEQ.

Zvláštním typem experimentu, který je v laboratoři úspěšně využíván, je tzv. neutralizační reionizační hmotnostní spektrometrie (NRMS). Tato technika je založena na vertikálním přenosu elektronu mezi předem připraveným iontem o známé struktuře a vhodným atomem nebo molekulou při vysokých srážkových energiích. Takto vzniknuvší neutrální species má obvykle dostatek vnitřní energie, a proto se dále rozpadá. Produkty těchto rozpadů jsou kolizně ionizovány a analyzovány hmotnostním spektrometrem. NRMS tak představuje unikátní nástroj pro přípravu a studium obtížně dostupných, nestabilních anebo vysoce reaktivních neutrálních molekul a radikálů jako jsou např. karbény, kumulény, ylidy, biradikály, hypervalentní radikály a pod. Obrovskou výhodu NRMS představuje právě výše uvedený "nechemický" způsob přípravy molekul a radikálů, který se vyhýbá často téměř neřešitelným problémům spojeným s přípravou nestabilních a vysoce reaktivních chemických species klasickou chemickou cestou. V současnosti je v laboratoři, ve spolupráci s Universitou ve Washingtonu, technika NRMS využívána pro přípravu a studium radikálů odvozených od bází DNA. Tyto modelové experimenty slouží k objasňování mechanismů primárních chemických procesů spojených s radiolytickým poškozováním DNA. Tuto techniku však lze úspěšně využít i pro studium reakčních intermediátů, které hrají nebo mohou hrát významnou roli v chemii atmosféry, spalování a podobně. Kromě vlastních výzkumných projektů se laboratoř věnuje rovněž servisním hmotnostně spektrometrickým analýzám v rámci spolupráce s jinými výzkumnými laboratořemi v rámci UFCH JH.

Laboratoř pro výzkum povrchových interakcí na kovech Ing. Jan Plšek, Ph.D. T.: 266053546, 26605367; e-mail [email protected]

Přístrojové vybavení: (1) Autoemisní mikroskopie elektronová (FEM - Field Emission Microscopy) a iontová (FIM - Field Ion Microscopy) Autoemisní mikroskopy FEM a FIM jsou založeny na tunelovém efektu, který je možno pozorovat na površích elektricky vodivých vzorků při intenzitě vloženého elektrického pole řádu 108 Vcm-1. Takové intenzity se dosáhne při použití laboratorních zdrojů vysokého napětí (U ~ 25 kV) v okolí velmi ostrých hrotů o poloměru koncového zakřivení řádu 10-5 cm. V zařízení FEM je záporně nabitý hrot umístěn v ultravysokovakuové aparatuře (tlaky p ~ 10-8 Pa), a emise elektronů z koncového vrchlíku vytvoří na fluorescenčním stínítku obraz, který v podstatě reprezentuje mapu rozložení výstupní práce. V případě FIM není mezi hrotem a stínítkem ultravysoké vakuum (UHV), ale pouze mírný tlak (p ~ 10-3 Pa) zobrazovacího plynu, obvykle helia nebo neonu. Při aplikaci elektrického pole obrácené polarity než u FEM dochází v blízkosti povrchových atomů na vrchlíku hrotu k jejich ionizaci. Vzniklé kladné ionty potom na stínítku zobrazí místa svého vzniku. Obraz je zachycen citlivou CCD kamerou s vysokou kvantovou účinností, 16 bitovou digitalizací a nízkým šumem. Autoemisní elektronová mikroskopie

Autoemisní iontová mikroskopie

` Schéma principu autoemisních mikroskopů

UHV aparatura autoemisních mikroskopů

(2) Teplotně programovaná desorpce (TPD - Temperature Programmed Desorption) V této technice se adsorbuje plyn na povrchu studovaného materiálu při určité teplotě a po adsorpci je teplota vzorku programově zvyšována. S rostoucí teplotou adsorbované částice postupně desorbují a jsou monitorovány kvadrupólovým hmotovým spektrometrem (QMS 200 M1, Prisma, Pfeiffer). Ze získaných desorpčních spekter pak lze identifikovat jednak druh desorbované částice a také určit aktivační energii desorpce. Krátký popis zaměření skupiny:

Laboratoř se zabývá studiem elementárních molekulárních mechanismů jednotlivých katalytických procesů na površích kovů. V současné době UHV aparatura teplotně programované je výzkum věnován modelovým vícesložkovým systémům (kovové resp. desorpce bimetalické nanočástice nanesené na oxidickém nosiči). Pozornost je soustředěna na úlohu faktorů jako např. stupeň defektnosti struktury nanočástic ovlivňované: a) disipací energie exotermních elementárních kroků (při jejich formování a při vlastních povrchových reakcích), b) tepelným opracováním. Komplexní přístup k řešení studovaných problémů je postaven na kombinaci různých experimentálních technik: na mikroskopické úrovni jsou to techniky autoemisní mikroskopie a na makroskopické úrovni techniky teplotně programované desorpce a spektroskopie XPS.

Laboratoř mikroskopie rastrovací sondou Ing.Pavel Janda, CSc.T.:266053966, 266052012, [email protected]

Přístrojové vybavení: 1) Dva mikroskopy rastrovací sondou (Topometrix TMX 2010 a NanoScope IIIa Multimode, Veeco) umožňující zobrazení povrchů pevných látek v rozsahu zvětšení 1000x až přesahující 60 000 000x s rozlišením dosahujícím molekulární resp. atomární úrovně. Mikroskopy využívají základních technik tunelové mikroskopie (STM) v oblastech pikoampérových až nanoampérových tunelových proudů, elektrochemické mikroskopie (SECM) a mikroskopie atomárních sil (AFM) v kontaktním, semikontaktním a v režimu laterárních sil. Tato kombinace dovoluje studium látek různých fyzikálně-chemických vlastností: od izolantů po vodiče; od gelovitých až po tvrdé povrchy, na vzduchu i pod kapalinou. Vzhledem k propojení mikroskopů s čtyřelektrodovým potenciostatem, je též možné sledování (elektro)chemických dějů insitu tj. v prostředí (elektro)chemického experimentu. Uvedené přístrojové vybavení a vyhodnocovací software umožňuje získat nejen topografické zobrazení povrchu s kótováním ve všech třech osách (např. drsnost, velikost a výška zrn ), ale i fyzikálněchemické informace (lokální elektrická vodivost, přítomnost funkčních skupin apod.). 2) Tříelektrodový potenciostat/galvanostat (Wenking POS2, Bank Elektronik) pracující v oblasti potenciálů -5-+5 V, s rychlostí vkládání potenciálu 0,1 mV/s až 100 V/s je používán v elektrochemických experimentech. Krátký popis zaměření laboratoře: Laboratoř se zabývá studiem : topografie a stability kovových nanočástic imobilizovaných na monokrystalických substrátech a optimalizací jejich vlastností pro použití v elektrokatalýze a sensorech. reakční kinetiky dějů probíhajících na jednotlivých nanočásticích s využitím metody elektrochemické mikroskopie (SECM). vlivu nanostruktury , dopování a senzibilizace oxidických polovodičů na konverzní účinnost fotoelektrochemického (Grätzelova) solárního článku.

A)

B)

Obr.1: Schéma principu metody rastrovací tunelové mikroskopie (A), mikroskopie atomárních sil (B)

Laboratoř fluorescenční spektroskopie Doc. Dr.rer.nat. Martin Hof Mgr. Aleš Benda T.: 266053142, [email protected]

Přístrojové vybavení: (1) Invertovaný konfokální časově rozlišený fluorescenční mikroskop Confocor1 (Zeiss) (2) Časově rozlišený fluorescenční spektrometr 5000 U SPC Lifetime System (IBH) (3) Fluorescenční spektrometr FL3-11 (Jobin Yvon) (4) Jednopaprskový absorpční spektrometr Helios γ (UNICAM) (5) Nulový monochromatický elipsometr EL X-04 (DRE) (6) Langmuir-Blodgetovy váhy 612D-RB (Nima Technology) (7) příprava vzorků: extruder, sonikátor, UV/ozone lampa

Krátký popis zaměření laboratoře: Fluorescence a s ní spjaté metody patří mezi nejvíce se vyvíjející obory studující živou přírodu (life science). Její přednosti jsou specifičnost, citlivost a neinvazivita, což umožňuje studovat i živé organismy. Fluorescence ve viditelné oblasti spektra je vlastnost specifická zejména pro některé organické molekuly s rozsáhlým systémem delokalizovaných elektronů, nazývaných fluorofory. Tato specificita fluorescence umožňuje studovat i jinak velmi složité systémy. Vlastnosti emitovaných fotonů (vlnová délka (energie), polarizace, doba života excitovaného stavu) jsou závislé na okolí daného fluoroforu a tím nám poskytují cenné informace o studovaném systému. V naší laboratoři se kromě vývoje a aplikace nejnovějších trendů ve fluorescenční spektroskopii (např. vývoj časově rozlišené fluorescenční korelační spektroskopie) zabýváme třemi hlavními tématy: 1. Charakterizace „biologické vody“ v lipidových membránách Hlavním zdrojem informace o studovaném systému je v tomto případě doba života excitovaného stavu molekuly. Ta se může využít k rozložení klasického bezčasového emisního spektra na tzv. časově rozlišená emisní spektra (TRES – Time-Resolved Emission Spectra), která obsahují řadu informací o mikroviskozitě a mikropolaritě chemického okolí měřeného barviva. Analýza těchto spekter je principem metody nazývané „Relaxace rozpouštědla“ a přináší nám informace o stupni hydratace membrán v závislosti na jejich složení a interakci s okolím. 2. Studium kondenzace DNA pro nevirální genovou terapii (NVGT) Jedním z problémů NVGT je dopravit velkou molekulu DNA do jádra cílové buňky. Důležitým krokem tohoto procesu je kondenzace DNA, kdy se přidáním vhodných činitelů docílí vratného kolapsu DNA na velikost nezbytnou pro její transport do buněk. Právě změna velikosti a tím i difusního koeficientu (mobility) je parametrem měřitelným na úrovni jednotlivých molekul pomocí fluorescenční korelační spektroskopie (FCS). Jejím principem je statistická korelační analýza fluorescenčního signálu pocházejícího z velmi malého detekčního objemu (méně než femtolitr, vytvořený zaostřeným laserovým paprskem) a tím i malého počtu (jednotky) fluorescenčních molekul. Měřená změna difusního koeficientu indikuje účinnost jednotlivých kondenzorů a stabilitu vzniklé nanočástice. 3. Studium vlastností podporovaných lipidových membrán a jejich interakcí s proteiny Přes značné pokroky je studium buněčných membrán na živých buňkách stále velmi náročné. Proto v praxi nacházejí velké uplatnění různé modelové systémy, mezi něž patří i lipidové membrány adsorbované na pevných površích. V naší laboratoři se zabýváme studiem vzniku těchto membrán, jejich vlastnostmi a interakcí s antimikrobiálními peptidy. Mezi studované parametry patří mobilita membrány (FCS), kinetika změn její tloušťky a hustoty (elipsometrie) a její homogenita (AFM).

Tým Biosenzorů (Oddělení biofyzikální chemie) Dr. Ing. Tomáš Návrátil T.: 266053886, e-mail: [email protected]

Přístrojové vybavení: Polarografické (voltametrické) metody Mezi dvojici elektrod ponořenou do roztoku elektrolytu je vkládáno měnící se napětí a je sledován procházející proud. Jedna z elektrod je polarizovatelná (v případě polarografie kapajicí rtuť, v případě voltametrie visicí rtuťová kapka, nebo pevná elektroda, např. ze skelného uhlíku, diamantová, amalgámová, zlatá, stříbrná, měděná) a druhá - nepolarizovatelná (referentní). Případně může být přidána ještě třetí, tzv. pomocná elektroda. Ze závislosti proudu na napětí lze usoudit na kvantitativní a kvalitativní složení sledovaného roztoku. Potenciometrický stripping Jinou variantou je potenciometrický stripping, při němž se analyzovaná látka nejdřív elektrolyticky nahromadí na polarizovatelné elektrodě a potom se mezi shora uvedené dvě elektrody vkládá konstantní proud a sleduje se průběh napětí mezi elektrodami.

1. 2.

Mnohokanálový přístroj pro sekvenční autonomní elektrochemická měření Univerzální elektrochemický přístroj, umožňující provádět polarografická, voltametrická, coulometrická měření stejně jako potenciometrickou stripping analýzu. K přístroji může být připojeno 1-8 sad elektrod, stejných či různých (polarizovatelných a referentních). Měření na každé sadě elektrod se může provádět jinou metodou, za použití rozdílných zvolených parametrů. To umožňuje za pomoci sdruženého čidla stiskem jednoho tlačítka komplexně proměřit testovaný vzorek. Krátký popis zaměření skupiny: Laboratoř se zabývá studiem elektrochemických vlastností biologicky významných látek Vývojem speciálních elektrod pro studium DNA a proteinů Studium funkce a struktury metalothioneinů a fytochelatinů (bioligandů) Studium biofyzikálních problémů při využití elektrochemických technik

Laboratoř MEMFIS (MEMbrane-FIltration-Separation) Kontaktní osoby:

RNDr. Milan Kočiřík, CSc. RNDr. Arlette Zikánová, CSc. Ing. Pavel Hrabánek, PhD. Tel.: 26605 3866, 3615; [email protected]

Přístrojové vybavení: (1) Aparatura MEMFIS s plynovým chromatografem (Agilent Technologies 6890N) a hmotnostním spektrometrem (Balzers QME 125-2) (2) Aparatura s polouzavřenou membránovou celou (3) Permeační aparatury pro jednosložkový transport (4) Bruska a leštička pro přípravu výbrusů pro SEM (Phoenix Beta; Buehler) (5) Rastrovací elektronová mikroskopie (JEOL JSM 5500LV) (6) Adsorpční aparatura (7) Pece, sušárny, autoklávy a teflonové předlohy pro synthézu membrán Krátký popis zaměření laboratoře: V současné době vzrůstá zájem o čištění a rozdělování složitých plynných a kapalných směsí. Kromě toho mají membránové separace velký význam pro ochranu životního prostředí před různými typy odpadů. Filtry a membrány z anorganických materiálů nabízejí cenově příznivé řešení i pro velmi složité separační problémy v průmyslových technologiích. Anorganické membrány mohou být využity třeba v petrochemickém průmyslu k zachycování obnovitelných vedlejších produktů, dále v produkci energie při čištění spalin z uhlí nebo v nalezištích zemního plynu, kde se provádí odstraňování vlhkosti a nečistot před transportem zemního plynu atd. Laboratoř se podílí na vývoji syntéz anorganických membrán a dále na měření jejich charakteristik. Získané experimentální údaje slouží ke studiu a pochopení dějů, které se uplatňují jak během syntéz tak při rozdělování složek směsi v membráně. Aparatura MEMFIS byla vyvinuta pro měření propustnosti a dělící schopnosti membrán. Měřenými charakteristikami kompositních membrán jsou toky a permeace složek spolu s ideálním a reálným separačním faktorem. Na aparatuře MEMFIS je také možno studovat vlastnosti katalyticky aktivních materiálů (membrány a katalyzátory). V membránovém modulu aparatury MEMFIS je možno studovat planární i trubkové kompositní membrány. Trubkové membrány mají větší účinnou plochu, a jsou tudíž mnohem zajímavější z hlediska průmyslového uplatnění. Hlavními výhodami membránové aparatury MEMFIS je vysoký stupeň automatizace (počítačem řízené hmotnostní průtokoměry, přepínání šesticestného dávkovacího kohoutu, snímání měřených dat z tlakových čidel), teplotně a časově programovatelné termostaty Schéma aparatury MEMFIS Plynová s kryostatem včetně chromatografie bezpečnostních pojistek. Dalšími přednostmi jsou Odpad plně automatická analýza z plynové chromatografie, Hmotnostní příprava dokonale průtokoměry Membránový modul smíšených směsí pomocí válcových směšovačů a předehřívání plynných Panel s proudů vstupujících do kohouty Wicke-Kallenbachovy cely. Tlaková jednotka Aparatura MEMFIS byla dokončena v červnu roku Hmotnostní Směšovací 2005. spektrometr vyhřívací Hlavní řídící jednotka

jednotka

Vakuová pumpa

Laboratoř molekulové spektroskopie vysokého rozlišení Společné pracoviště ÚFCH JH AV ČR a VŠCHT. Prof. RNDr. Štěpán Urban, CSc. ÚFCH JH – T.: 266053653, [email protected], VŠCHT – T.:220444267, [email protected].

Přístrojové vybavení: Mikrovlnný spektrometr vysokého rozlišení pokrývající v současnosti spektrální rozsah od 10GHz do 275 GHz (centimetrové a milimetrové vlny). Přístroj využívá nejmodernější polovodičové komponenty, které nahrazují energeticky náročné karcinotrony (BWO) a bolometry. Spektrometr svými parametry patří k absolutní světové špičce, dovoluje měřit s přesností 109-1010 se spektrálním rozlišením, které je omezeno až Dopplerovým jevem a při velmi nízkých tlacích (okolo 1 µbaru) dokonce dovoluje saturační sub-Dopplerovské měření v celém spektrálním rozsahu. Nová originální koncepce přístroje umožňuje stavebnicové rozšíření do vyšších frekvencí. Spektrometr je vybaven kalibračním systémem, který je založen na atomových Cs hodinách, dvěmi kyvetami a příslušným vakuovým systémem. Krátký popis zaměření laboratoře: Výzkumný program laboratoře je soustředěn do dvou základních vzájemně propojených směrů. Na jedné straně jde o detailní studium atmosférických a astrofyzikálně důležitých molekulových specií, s cílem připravit přesná spektroskopická data (tvary spektrálních pásů, frekvence a intenzity přechodů) pro dálkovou detekci a chemickou analýzu („remote sensing“), na druhé straně jde o základní výzkum jemného a hyperjemného štěpení rotačních energetických hladin (jaderné kvadrupólové, jaderné spinově–rotační, jaderné spin-spinové, jaderné spin orbitální interakce atp.). Vzhledem k tomu, že převážná většina atmosféricky významných molekul obsahuje atomy dusíku a/nebo halogenů, tedy jader se spiny většími než ½ generující významné hyperjemné efekty, jsou oba výzkumné směry částečně propojeny. V rámci EU spolupráce budou také studovány nestandardní, dosud nestudované, molekulární specie, které jsou uvažovány jako krátce žijící meziprodukty reakcí probíhajících v horních vrstvách atmosféry. Oba hlavní výzkumné směry mikrovlnné laboratoře mají významnou grantovou podporu na národní i evropské úrovni a jsou propojeny se základním výzkumem, který je rozvíjen paralelně na ÚFCH JH AV ČR (Drs. Pracna, Šimečková, Zelinger, Civiš a Votava).

Skupina teoretické fyzikální chemie Mgr. Dr. rer. nat. Jiří Pittner T.: 266052015, [email protected]

Mgr. Roman Čurík, PhD. T.: 266053256, [email protected]

Výpočetní vybavení − Počítačová učebna, 8 stanic s operačním systémem Linux − 32-bitový klastr, 7 stanic Dual Xeon 4, 2-3 GHz, 2 GB RAM se 140 GB U320 SCSI disky − 64-bitový klastr, 30 stanic Dual Opteron, 2.4 GHz, 6 GB RAM s 200 GB U320 SCSI disky Krátky popis zaměření skupiny Srážky elektronů s molekulami nebo ionty hrají důležitou roli v různých oborech biologie, chemie a fyziky. Příklady pro tyto procesy mohou být nalezeny v průmyslových plasmách, planetárních atmosférách, mezihvězdných oblacích nebo i v dějích, které vedou k poškození DNA a k následním mutacím (viz obrázek 1). Elektronová spektroskopie je užitečná technika pro identifikaci chemiabsorbovaných částic, protože umožňuje pozorovat opticky zakázané přechody. Proto jedním z vědeckých zaměření skupiny je vývoj kvantové metody pro výpočty účinných průřezů srážek elektronů a molekul. Metoda „Discrete Momentum Representation“ (DMR) vyvinutá v naší skupině je v současné době vhodná k popisu elastických srážek a také kolizí, které vedou k přenosu srážkové energie do vibračního pohybu molekuly. Efektivita tohoto přenosu podává informaci o jejím možném roztržení. V budoucnu je naším cílem zpřesnění současného modelu spolu s jeho rozšířením pro popis přenosu energií do elektronových a rotačních excitací.

Poškození DNA vlivem radiace

elektron

záření

H2O

záření

Obrázek 1. Před pěti lety bylo prokázáno, že jedním z nejdůležitějších mechanizmů poškození DNA, které může vést k mutacím a rakovině, je přerušení vazeb tzv. sekundárními elektrony. Obrázek zjednodušeně naznačuje vznik sekundárních elektronů procesem ionizace okolních molekul vody nebo přímo částí DNA.

ÚSTAV FYZIKÁLNÍ CHEMIE J. HEYROVSKÉHO AV ČR, v.v.i. (ÚFCH JH) Dolejškova 3, 182 23 Praha 8, www.jh-inst.cas.cz, T.:266052011, [email protected] Ústav rozvíjí badatelskou činnost ve fyzikální chemii a chemické fyzice se zaměřením na vztahy mezi strukturou a reaktivitou látek. Soustřeďuje se zejména na teoretický a experimentální výzkum chemických a fyzikálně-chemických dějů na atomární a molekulární úrovni (struktura a dynamika látek, mechanismus reakcí) v plynné, kapalné a pevné fázi a na jejich rozhraních, a to především v systémech významných pro chemickou katalýzu a sorpční, elektrochemické a biologické procesy (včetně přípravy a charakterizace nových katalytických, sorpčních, elektrodových a jiných speciálních materiálů). Výzkumná činnost probíhá v 7 odděleních: • Oddělení teoretické chemie • Oddělení chemické fyziky • Oddělení biofyzikální chemie • Oddělení katalýzy I • Oddělení katalýzy II • Oddělení elektrokatalýzy a molekulární elektrochemie • Oddělení elektrochemických materiálů Zaměření výzkumu a vývoje V letech 2005 – 2010 bude výzkum v ÚFCH JH AV ČR, v.v.i. zaměřen především na problematiku výzkumného záměru s názvem „Struktura, reaktivita a dynamika molekulárních a biomolekulárních systémů: teorie, experiment a aplikace“. Cílem výzkumu je identifikace a objasňování souvislostí mezi strukturou a interakcemi v molekulárních a biomolekulárních systémech a jejich chemickou resp. elektrochemickou reaktivitou a fyzikální dynamikou. Novost záměru spočívá v experimentálním přístupu na atomární resp. molekulární úrovni, který je umožněn rychlým rozvojem spektroskopických a mikroskopických metod s vysokým rozlišením a technik syntézy materiálů v nanoměřítku. Předmětem výzkumné činnosti je: • vývoj a využití metod kvantové chemie v chemické fyzice, katalýze a elektrochemii, • kinetika a dynamika chemických procesů v plynné fázi a na površích, • struktura a vlastnosti molekul a jejich agregátů, • struktura, funkčnost a dynamika biomembrán, • syntéza a strukturní chemie nanoskopických materiálů, • mechanismus katalytických a elektrokatalytických procesů, • sorpční a transportní děje, • struktura a (foto)elektrochemická reaktivita molekul a biomolekul v kapalných fázích a na mezifázích.