Jak vzniká kov - vědci z matfyz v Science ****************************************************************************************** * Jak vzniká kov? Na výzkumu z titulky Science se podíleli i vědci z matfyzu ****************************************************************************************** Ondřej Maršálek, Kryštof Březina a Tomáš Martinek tvoří výpočetní jednotku, která se podíl mezinárodní studii [ URL "https://science.sciencemag.org/content/368/6495/1086"] , na kter titulní strana prestižního časopisu Science. Spolu s vědci z Ústavu organické chemie a bio věd ČR (ÚOCHB), Los Angeles a Berlína detailně zmapovali proces, jak se z nekovové látky s předcházelo a jak takový výzkum vůbec probíhá? Definice kovu říká: Kov je charakterizován volnými elektrony, které způsobují jeho velkou vodivost. Jak ale vzniká? Právě to se podařilo po experimentální i výpočetní stránce objas prof. Pavla Jungwirtha z dejvického ÚOCHB a ze skupiny doktora Ondřeje Maršálka z Matemati fakulty UK ve spolupráci s kolegy z USA a Německa. S využitím fotoelektronové spektroskopi numerických výpočtů popsali zrod kovového roztoku alkalických kovů v amoniaku z původního „Pomocí molekulární dynamiky jsme numericky počítali, jak se během extrémně krátkých časov vyvíjí na molekulární úrovni a jaké zaujímá za dané teploty struktury,“ říká Ondřej Maršál Jak to celé začalo? „Podnětem byl slavn???ý školní experiment, kdy hodíte sodík do vody a ono to vybuchne,“ vy Březina. „Kolega Phil Mason tento výbuch čistě ze zájmu a pro svá popularizační videa na Y natáčet na vysokorychlostní kameru a už na tomto záznamu pozoroval vznik modré barvy solva elektronů ve vodě,“ popisuje podnět k serióznímu výzkumu Kryštof. Změna vodného prostředí jen nástroj, jak celou reakci studovat. Solvatované elektrony jsou totiž v amoniaku, na ro dlouhodobě stabilní. „Ukázalo se, že kombinace alkalických kovů s amoniakem nabízí zcela j reakce než známá školní reakce ve vodě. Například lze pozorovat zvyšující se koncentraci i vzniknout zlaté barvě roztoku,“ komentuje dr. Maršálek. Video, které celý výzkum popisuje: Experimenty versus výpočty Experimenty a výpočty se vzájemně doplňují. „Potřebujeme se navzájem. Experiment je nutně vždy je potřeba najít co nejvíce styčných bodů mezi otázkami, na které může dát odpovědi p nebo naopak pouze výpočet,“ popisuje Ondřej Maršálek. Experiment například snadněji poskytne data o různých teplotách a koncentracích. Numerické zase větší rozlišení v čase a prostoru, a to v extrémních detailech: „My se na studovaný s přes velikou lupu – až na úroveň atomů a v řádu femtosekund,“ vysvětluje teoretický fyzik • Sázka o dva elektronvolty „Z předchozích studií a měření na jednodušších systémech byly mé odhady, že energie odpo energie bude výrazně vyšší. Tak jsme se vsadili o pivo, zda to bude nad nebo pod 2 elekt Ani nelze říci, že by jedno předcházelo druhé. „Někdy jsme s výsledky byli více napřed my experimentátoři. Je ale pravda, že experimentátoři získávali výsledky skokově. Vždy dlouho plánovali, co a jak budou měřit, pak jeli na synchrotron, týden nespali a náhle měli mnoho se). My jsme pracovali více průběžně,“ popisuje vedoucí výpočetní podjednotky Ondřej Maršá • Zážitky ze synchrotronu Kryštof Březina se i jednou účastnil měření na synchrotronu v Berlíně: „Čas na synchrotr jednoduše, ale docílit toho, aby to fungovalo, to byl unikát. Vznikl o tom samostatný čl – v jednom experimentu získáte cca půl kila „amoniakové zmrzliny“. Což byla hrozná práce samostatné měření. Nevyhnulo se to ani Pavlovi Jungwirthovi, který je také teoretik,“ po kolegou šachy a výrazně jsem se zlepšil.“ „Však vy jen něco nastavíte na počítači.“ Věta, kterou teoretičtí výpočetní chemici od laiků nebo kolegů experimentátorů přímo nesná je experimentální, jen nemusíme mýt nádobí nebo chodit krmit myši,“ komentuje Kryštof Břez lze rozdělit do tří částí. První je volba vhodného systému. „Na začátku se musíme ptát: Co Budu mít dostatek dat? Dostanu z nich odpovědi na otázky, na které se ptám? Mám k tomu vho nebo dokážu je vytvořit? Nedílnou součástí prvního kroku je i hledání a nastavení parametr mnoho testovacích simulací, kdy zjišťujete vhodné parametry a odhalujete a napravujete chy dokola. Je to velmi kreativní část,” popisuje Tomáš Martinek. I výpočetní fyzici mohou zaž označují výpočty, které nefungují. Při hledání chyb vědci vychází z předchozích zkušeností Druhá část jsou výpočty počítačem. „Tam sice kromě průběžné kontroly není přímo potřeba li zase trvají dlouho. Ty levnější probíhají přímo na matfyzu, složitější-dražší výpočty putu počítačového centra v Ostravě,“ popisuje Tomáš Martinek. Levnější a dražší se ve výpočetní složitost výpočtu a ne cena ve smyslu peněz, ale tzv. jádrohodin – přiděleného času pro vý V posledním kroku následuje analýza dat, která vygeneroval počítač. „Z dat je potřeba získ To může trvat klidně měsíc i více. Například ze 100 GB počítačem vygenerovaných dat ve výs extrahovat pár čísel, která popisují křivku a objeví se v článku,“ uvádí na příkladu Ondře dodává: „Výsledkem naší práce jsou matematické rovnice a čísla, ne barevné bubliny, které slouží pouze pro vizualizaci.“ Výzkum z titulky Science K výsledné publikaci vedla dlouhá cesta. „V tomto případě nešlo o žádné "wow, máme objev", postupné získávání výsledků, které se skládaly dohromady jako puzzle,“ shodují se fyzici. výsledek molekulového modelování trvá i půl roku. I samotný publikační proces je dlouhý a „Dnes už v online systému můžete sledovat jednotlivé kroky – a tak jsme napjatě sledovali, článek nevyhodil hned, ale poslal to k recenzím, což nám dalo naději. Čekali jsme, dostali museli jsme udělat řadu změn i nových experimentů a výpočtů. Revize nám trvaly tři měsíce intenzivní práce. Ale měli jsme motivaci a naději, navíc podněty recenzentů naši práci ješ Pak pošlete novou verzi opět k recenzím, znovu čekáte a stále nemáte jistotu, ale nakonec popisují░celý░proces░„vědci░z░titulky“.░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░ •░RNDr.░Ondřej░Maršálek,░Ph.D.░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░ ░░Působí░jako░vedoucí░skupiny░na░Fyzikálním░ústavu░UK,░Matematicko-fyzikální░fakulta.░Jako •░Ing.░Kryštof░Březina░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░ ░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░ ░░Studuje░první░ročník░doktorského░studia░na░Fyzikálním░ústavu░UK,░Matematicko-fyzikální░f •░Ing.░Tomáš░Martinek░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░ ░░Pracuje░ve░skupině░prof.░Jungwirtha░na░ÚOCHB░a░dokončuje░doktorské░studium░na░VŠCHT░v░Pr ░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░