Elektronový mikroskop je zařízení, se kterým se běžný člověk jen tak nesetká, přičemž povědomí o existenci takového přístroje má mnoho z nás jen díky detailním fotografiím roztočů a sněhových vloček, které čas od času proletí internetem. Ještě méně je ovšem známo, že jedním z hlavních světových center elektronových mikroskopů je Brno.

Právě v moravské metropoli sídlí také pobočka společnosti Thermo Fisher Scientific, která patří mezi světovou špičku nejen v sektoru elektronové mikroskopie. Její technologie sice odkrývají tajemství mikrokosmu, ve výsledku tím ale ovlivňují okem viditelný svět kolem nás. Děje se tak i díky tuzemským expertům, kteří mají v pobočce vedené Petrem Střelcem vždy dveře otevřené.

V letošním roce si navíc připomínáme sedmdesáté výročí od vzniku prvního elektronového mikroskopu v tehdejším Československu. Stál za ním tým kolem profesorů Aleše Bláhy a Armina Delonga, kteří společně působili v Ústavu přístrojové techniky Akademie věd.

Výsledky jejich výzkumu převáděla do reálných přístrojů tehdejší Tesla Brno, která se svého času stala jedním z největších producentů elektronových mikroskopů na světě. Celé Československo se díky tomu v oboru těšilo velkému renomé, které dokázalo přežít revoluci a také zánik samotné Tesly.

„Po rozpadu Tesly vzniklo několik firem, které v Brně fungují dodnes. Celý obor těží z lokálního ekosystému a zázemí vysokých škol, které jsou významným zdrojem talentů. Elektronová mikroskopie je high-tech obor s vysokou přidanou hodnotou a má proto i výraznou podporu ze strany města a kraje,“ říká Petr Střelec.

Šestapadesátiletý výzkumník stojí v čele brněnské pobočky Thermo Fisher Scientific, která tu operuje od roku 2016. Jedná se o nadnárodní společnost se sídlem ve Spojených státech, která po celém světě zaměstnává přibližně 75 tisíc lidí a patří mezi přední světové dodavatele produktů a služeb určených pro vědecké účely.

Tržby Thermo Fisher Scientific se jen za loňský rok vyšplhaly přes 32 miliard dolarů, což je bezmála 700 miliard korun. Portfolio společnosti je přitom tvořeno zcela jednoduchými vědeckými instrumenty, mezi které patří například běžné laboratorní vybavení, ale i skutečně složitými přístroji, jako jsou právě elektronové mikroskopy.

Mimo Brna má samotná výroba elektronových mikroskopů silnou tradici v Japonsku a Nizozemsku. Mezi největší trhy pro tento sektor se pak řadí Německo a USA, což podle Střelce ovlivňuje především silné akademické prostředí. V poslední době se ovšem začíná stávat velkým hráčem také Čína.

Až na atomy

Princip elektronového mikroskopu je v podstatě stejný, jako je tomu v případě klasického optického mikroskopu, který známe ze školních lavic. Na rozdíl od klasického mikroskopu však nevyužívá jako médium světlo (fotony), nýbrž urychlené elektrony. „Elektrony mají výrazně menší vlnovou délku, díky čemuž jsme ve výsledku schopni od sebe rozlišit menší objekty,“ popisuje hlavní rozdíly Střelec.

Druhý rozdíl pak představují čočky. Klasické skleněné čočky jsou v případě elektronové mikroskopie nahrazeny elektromagnetickými cívkami. Elektrony jsou využívány dvojím způsobem, přičemž takzvaný transmisní elektronový mikroskop je schopen dosáhnout rozlišení až na úroveň jednotlivých atomů.

Díky schopnosti extrémního zvětšení zkoumaného vzorku nacházejí elektronové mikroskopy uplatnění ve třech dominantních oblastech. Jednak jsou to přírodní vědy jako biologie, medicína nebo farmacie. Dalšími oblastmi jsou polovodičový průmysl a materiálový výzkum. Ve sféře polovodičů jsou elektronové mikroskopy využívány například při vývoji mikročipů.

„Můžeme říct, že i díky nim máme stále výkonnější elektroniku, která zvládne více úloh naráz. Elektronové mikroskopy také kontrolují kvalitu mikročipů při výrobě,“ popisuje Střelec různé užití a naznačuje, proč je o elektronové mikroskopy poslední dobou tak velký zájem právě v Číně.

Tamní inženýři je totiž ve velkém využívají například při vývoji čipů a také baterií do elektromobilů, které zažívají nejen na čínském trhu obrovský rozmach. Elektronové mikroskopy jim pomáhají s neustálým navyšováním kapacity jednotlivých bateriových článků, čímž se zvyšují dojezdové schopnosti vozu, a tudíž i jejich atraktivita pro zákazníka.

Dodavatel těm největším

Díky maximálnímu přiblížení lze zdokonalovat architekturu a výkon různých elektronických součástek, přičemž elektronové mikroskopy od Thermo Fisher Scientific najdeme i v laboratořích největších technologických gigantů. „Mezi našimi zákazníky najdete ty nejzvučnější světové univerzity. Mikroskopy dodáváme také největším farmaceutickým firmám nebo technologickým společnostem,“ dodává Petr Střelec.

Elektronové mikroskopy napomáhají například při vývoji nových slitin a materiálů, jako je kevlar, moira či karbon. Významnou roli sehrávají i na poli medicíny. Právě díky nim vznikla celá řada vakcín a pomohly také v boji proti COVID-19. Především v úvodní fázi pandemie mohli vědci prostřednictvím elektronových mikroskopů studovat strukturu a způsob, jakým napadá lidské buňky.

„Elektronové mikroskopy byly konkrétně použity pro zobrazení takzvaného spike proteinu, což jsou ony známé výběžky, podle kterých koronaviry získaly své jméno a které jsou odpovědné za chycení a proniknutí viru do lidské buňky“ přibližuje Střelec jednu z úloh elektronových mikroskopů v boji s pandemií.

Hledání těch nejlepších

Ostatně více se o širokém spektru využití elektronových mikroskopů nejen ve farmacii můžete dozvědět díky pravidelně pořádané akci Dny elektronové mikroskopie. Několikadenní událost, která letos probíhá od 14. dubna online, a další podobné akce jsou skvělou příležitostí, jak se může široká veřejnost blíže seznámit s poměrně složitým oborem.

Thermo Fisher Scientific láká talenty a popularizuje obor i díky spolupráci s VUT či Masarykovou univerzitou, ale jelikož jde o komplexní obor propojující fyziku, optiku, matematiku, mechanickou konstrukci, elektroniku či softwarový vývoj, hledá posily napříč sektory i věkovými kategoriemi. V jeho týmu tak působí také řada biologů či chemiků.

„V naší firmě je proto přirozené, že se člověk neustále učí. V takto složitém oboru to ani jinak nejde. Naše firemní kultura je tedy hodně založená na kontinuálním předávání vědomostí a mentoringu,“ dodává Střelec. Většina zaměstnanců v Brně je sice z Česka, ovšem vývoj je otázkou vzájemné spolupráce všech poboček společnosti, takže do vzniku mikroskopů vstupuje i know-how expertů ze zahraničí.

Přesto Brno patří mezi největší vývojová centra nejen v rámci samostatné divize, ale i celé společnosti – proto jsou noví lidé neustále potřeba. Brněnská pobočka svým zákazníkům ročně dodá stovky kusů elektronových mikroskopů a některé její technologie jsou dokonce světovým unikátem. „Z elektronové mikroskopie se stává pomyslná ‚výstavní skříň‘, kterou se Brno může chlubit navenek,“ říká Střelec.

Revoluce v oborech

Mezi nově vyvinuté technologie, k jejichž vzniku zásadně přispěla i brněnská pobočka Thermo Fisher Scientific, patří například ColorSEM. Jedná se o metodu, která umožňuje v reálném čase sloučit obraz s daty o chemickém složení vzorku a tím dosáhnout jeho vykreslení v barevném spektru. K tomu jsou využívány i speciální algoritmy počítačového vidění, na jejichž vzniku se podíleli právě brněnští softwaroví vývojáři.

Druhým zajímavým projektem je zcela nový kryo-elektronový mikroskop Tundra, který chce zpřístupnit tento druh mikroskopie i méně zkušeným uživatelům. „Docílit toho má především nižší cenou, pokročilou automatizací a moderními technologiemi, které jsou založené na umělé inteligenci a strojovém učení,“ popisuje propojení moderních technologií v jednom mikroskopu Střelec.

Ve výsledku je tak obsluha tohoto mikroskopu výrazně jednodušší, avšak Petr Střelec ihned dodává, že to neznamená, že automaticky dokáže tento vědecký přístroj ovládat každý. „Pořád se bavíme například o úrovni Ph.D. studentů,“ usmívá se s tím, že právě umožnit vědcům práci s takovými přístroji bez hlubší znalosti elektronové mikroskopie, fyziky a optiky je jedním z budoucích cílů společnosti.

K nim chce Thermo Fisher Scientific přidat také daleko detailnější zaměření na vývoj softwaru. Podle Střelce je v současné době hardware takřka na hranici realizovatelnosti, ovšem software dokáže v této oblasti výrazně pomoci. Laboratoře, ale i uživatelé elektronových mikroskopů v oblasti průmyslu budou moci díky tomu studovat větší počty vzorků v kratším čase.

V neposlední řadě pak software umožní plnou automatizaci a robotizaci zkoumání vzorků. Díky tomu by mohli na revoluci ve svém oboru pracovat vědci fyzicky vzdálení od přístrojů i tisíce kilometrů. Sektorů, kde by k takové revoluci mohlo dojít, je přitom podle Střelce celá řada.

„Elektronové mikroskopy nám pomohou s personalizovanou medicínou, léčiva tedy v budoucnu budeme dostávat přímo ‚na míru‘. Elektronová mikroskopie nám pootevře dveře k elektrické mobilitě. Díky výzkumům, které budou využívat naše přístroje, zvýšíme efektivitu solárních článků a tím přispějeme k lepšímu životnímu prostředí,“ říká jednatel české pobočky.

„Umělá inteligence, sítě 5G, chytrá města – všechny tyto technologie v nějaké míře využijí výsledků, kterých bude dosaženo díky elektronové mikroskopii. Bez debat se jedná o obor budoucnosti a my jsme rádi, že u toho můžeme být,“ doplňuje Střelec.