Roman Kubínek

Vzdělávání v nanotechnologiích

V současné době jsou nanotechnologie považovány za jednu z hlavních technologií pro21. století, neboť může vyřešit mnoho současných problémů pomocí ultramalých, lehkých,rychlejších a výkonnějších materiálů, komponentů a systémů. Evropa začala investovat donanotechnologií v polovině 90. let minulého století prostřednictvím různých programů, kterévybudovaly silnou znalostní základnu. Abychom ji mohli plně využít, nestačí nám jen samotnývýzkum a vývoj nových výrobků, ale musíme mít i další odborně vzdělané nástupce v mlad-ších generacích. A proto dnes velký význam mají také činnosti související se vzděláváním aodbornou přípravou.

K U P O

Obsah1. Úvod 2

2. Počátky nanotechnologií 4

3. Pojem nanotechnologie a členění nanotechnologií 5

4. Nanotechnologie – nomenklatura 6

5. Vzdělávání v oboru nanotechnologií předpokládá úzké propojení přírodovědných oborů 7

6. Úloha vzdělávání 7

7. Požadavky na vzdělávání v oboru nanotechnologií 8

8. Příklady vysokoškolské výuky v oblasti nanotechnologií v ČR 8

9. Závěr 9

10. Literatura 9

verze z března 2011 © volně šířitelný text

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republikyv rámci projektu Vzdělávání výzkumných pracovníků v Regionálním centru pokročilých technologií a materiálů

(CZ.1.07/2.3.00/09.0042)

1. ÚvodPokud chceme investovat do plnohodnotného vzdělání v oboru nanotechnologií, lze získat v České

republice vysokoškolské vzdělání v tomto odvětví na různých vysokých školách, jejichž výčet najdetev závěrečných kapitolách tohoto příspěvku. Aby však měli studenti o tyto obory zájem, je zapotřebí, abysi v průběhu svého základního i středoškolského vzdělávání postupně vytvořili pozitivní postoj k přírodnímvědám, k čemuž mohou významně pomoci i samotní učitelé biologie, chemie či fyziky.

Nelze však předpokládat, že ve společnosti bude dostatek komplexně vzdělaných lidí, kteří se uplatnív oboru nanotechnologií. Musíme počítat s tím, že se v nanotechnologiích budou objevovat lidé bezhlubších vědomostí např. z kvantové fyziky, molekulární biologie, či kvantové chemie. Je třeba si tedyv prvé řadě položit otázku „koho budeme vzdělávat a školit?“

V posledních letech vzniká mnoho projektů a seminářů především pro pracovníky, věnující se výzkumu ipraktickým aplikacím v oboru nanotechnologií, aby byli dostatečně informováni o nejnovějších vědeckýchpoznatcích, mohli je začlenit do své specializace a podle potřeby využít. I zde však musíme znát odpovědina otázky „v jakých oborech a specializacích tito lidé pracují?“ Nanotechnologiím je možné se dnesvěnovat na úrovni základního či aplikovaného výzkumu a využít je v dané technologii. Nanotechnologiezasahují od oblasti medicíny po strojírenství a očekáváme hlavně jejich přínos pro náš každodenní život.

Ukažme si výčet pestrého spektra akcí, které proběhly v určitém časovém úseku např. pro středo-školské i vysokoškolské studenty i jejich pedagogy. Můžeme to brát jako „vzorek“ vzdělávácích aktivitv nanotechnologiích. V rámci nanotechnologií a mikroskopie skenující sondou proběhl například v Prazeinformační seminář pro učitele pořádaný Ústavem fyzikální chemie J. Heyrovského, Nadačním fondemJ. Heyrovského a Katedrou učitelství a didaktiky chemie PřF UK Praha, kde měl Ing. Pavel Jan, CSc.přednášku na téma Nové mikroskopické a analytické techniky: Mikroskopie rastrovací sondou. Pro uči-tele probíhal projekt Otevřená věda, nabízející nejen kurzy a semináře pro středoškolské pedagogy,ale i odborné stáže pro nadané studenty. Jednotlivé multioborové semináře probíhaly v Praze, domo-vem praktických kurzů pak bylo Akademické a univerzitní centrum v Nových Hradech. Zde, mimo jiné,byla prezentována přednáška Nanotechnologie a drahé kovy Mgr. Tomášem Bášem, Ph.D., z Ústavuanorganické chemie AV ČR a dále Moderní mikroskopie doc. RNDr. Romanem Kubínkem, CSc., z Příro-dovědecké fakulty UP Olomouc. Dříve než tento projekt skončil, byl zahájen obdobný projekt „Otevřenávěda regionům“, který se taktéž snažil otevřít přímou cestu od středoškolských studentů a učitelů kešpičkovým vědeckým pracovištím na vysokých školách anebo Akademii věd. Praktické kurzy, jež se opětkonaly v Nových Hradech, tentokrát přiblížily různé oblasti nanotechnologií hned ve třech přednáškách,a sice RNDr. B. Resek, Ph.D., z Fyzikálního ústavu AV ČR prezentoval Nanotechnologie: Na rozhranípolovodičů a biologie, RNDr. Jiří Pfleger, CSc., z Ústavu makromolekulární chemie AV ČR vystoupil s Po-lymerními nanostrukturami v optoelektronice a RNDr. Eduard Brynda, CSc., z téhož ústavu, pohovořil oIntegraci biologických a nebiologických systémů – nanobiotechnologii. Mimo to se další témata z tétooblasti objevila i na některých multioborových seminářích, konkrétně na semináři konaném na GymnáziuTeplice přiblížil prof. RNDr. Vladimír Král, DrSc., z VŠCHT Praha poznatky z Nanomedicíny a na Středníškole přírodovědné a zemědělské v Novém Jičíně zase prof. RNDr. Ladislav Kavan, DrSc., z Ústavu fy-zikální chemie J. Heyrovského AV ČR představil Svět na pomezí krystalů a molekul: Nanomateriály ananotechnologie.

Chceme-li zvýšit zájmem studentů o tuto problematiku, pak můžeme využít nabídku popularizačníchpřednášek z fyziky pro studenty středních škol, které pořádá například naše Katedra experimentálnífyziky PřF UP Olomouc. Mezi nabízenými tématy přednášek najdeme jak Svět nanotechnologií zahrnujícíúvod do oblasti nanověd, tak i základy technik SPM v rámci přednášky Moderní mikroskopické metody.Pokud mají střední školy možnost, pořádají také samy odborné přednášky pro své studenty i veřejnost.Jako příklad lze jmenovat Střední školu textilní v Teplicích, která v rámci projektu GinKoNet uspořádalamezinárodní symposium na téma Technické a inteligentní textilie, jehož cílem bylo přiblížit úspěchyčeských vědců týkající se nových materiálů a nanotechnologií.

Na první pohled je z předchozího přehledu patrná interdisciplinarita v oboru nanotechnologií, cožpředpokládá pro budoucí školitele možný „těžký hendikep“ v nedostatečném odborném zázemí. Ať užje dané téma nabízeno školám, či pracovníkům v oboru nanotechnologií, je na počátku velmi důležitédostatečně motivovat ty, které školíme.

Začít lze úplně jednoduše, že si každý na čistý list papíru napíše slovo nanotechnologie a po-kusí se vytvořit pojmovou mapu, na jejímž základě by pak byla postavena krátká diskuze frekventantůkurzu se školitelem. V této souvislosti by mohl školitel ukázat „Nanostrom“, který je dostupný on-linena http://www.nanoforum.org/educationtree/index.php. Přestože jsou tyto webové stránky v anglickémjazyce, stačí k porozumění „Nanostromu“ základní znalost angličtiny. Jak tento „Nanostrom“ vypadá,můžeme vidět na obr. 1.

2

... Obrázek 1: Nanostrom.

Klikneme-li na některý z rámečků v koruně stromu, zobrazí se nám další kategorie pojmů s nímsouvisejících, spolu s krátkým komentářem, jak je tomu ukázáno na obr. 2. Zde byla na „Nanostromu“vybrána energie „Energy“, která se dále člení na izolaci, přeměnu tepla v elektrickou energii, přenosenergie, sluneční energii a energii vodíku. Jak jsou rozvětveny ostatní pojmy se můžete sami přesvědčitna webu „Nanostromu“.

... Obrázek 2: Větev „Nanostromu“ pro energii.

Pokud by z úvodní diskuze vyplynulo, že frekventanti nemají o nanotechnologii žádnou představu aje to pro ně zcela nový, neznámý pojem, dá se k vysvětlení tohoto pojmu využít prezentace Jak vysvětlit,co je to nanotechnologie?, kterou je možné zdarma stáhnout na http://cordis.europa.eu/nanotechnology/src/mobility.htm (evropské aktivity a projekty zaměřené na vzdělávání a mobilitu v nanotechnologiích).

Pro správné pochopení významu předpony „nano“, spolu s jednotkou nanometr, se lze s účastníkykurzů vydat na virtuální výlet do nanosvěta pomocí internetové stránky www.nanoreisen.de. Tento vý-ukový pořad je sice dostupný pouze v němčině, angličtině, francouzštině a španělštině, ale díky jehonázornosti a nenáročnému ovládání mu lze snadno porozumět. S jeho pomocí mohou všichni nahlédnoutdo nitra notebooku, světla automobilu a lidského těla, přičemž tato varianta výletu umožňuje vplout i zahranice nanosvěta, a to až k samotným kvarkům, tedy nejmenším elementárním částicím.

K detailnějšímu vzdělávání v oblasti nanotechnologií lze využít brožuru Nanotechnologie – Inovacepro zítřejší svět vydanou Evropskou komisí (k dispozici v devatenácti světových jazycích), která podávásrozumitelný pohled na současný stav nanotechnologií (http://cordis.europa.eu/nanotechnology/src/pe_leaflets_brochures.htm). V 56 stranách, doplněných četnými obrázky, jsou prezentovány zajímavé infor-mace o nanotechnologii v přírodě, používaných přístrojích a metodách, též technikách SPM, významunanotechnologií pro společnost, její budoucí vizi, příležitosti i rizika. Tato brožura je k dispozici jakosoučást materiálů semináře „Nanotechnologie v praxi“ v elektronické verzi.

Jinou z možností, jak zájemce informovat a současně jim zpestřit vzdělávání, je zařazení praktickéčinnosti populárnější formou do školních laboratořích, ale na vědecké úrovni v laboratořích univerzit čivýzkumných pracovištích. Jako příklad je možné uvést využití vzdělávacích kapacit Katedry experimen-tální fyziky PřF UP v Olomouci. Pro tyto účely má katedra zakoupený SPM přístroj NanoEducator odfirmy NT-MDT (obr. 3), s nímž se mohou zájemci dovědět něco více právě o technikách SPM a ponořitse tak do nanosvěta. Přístroj pro vědecké účely – NTEGRA Aura (obr. 4) na pracovišti Regionálníhocentra pokročilých technologií a materiálů na Univerzitě Palackého v Olomouci, je využíván praktickykaždodenně při řešení výzkumných aktivit centra.

Ke vzdělávacím účelům lze úspěšně využít i portál www.nanotechnologie.cz, kde lze nalézt dokumentyz České republiky i zemí EU, vztahující se k problematice nanotechnologií, přehledy expertů, nanotech-

3

... Obrázek 3: Laboratorní pracoviště s přístrojem NanoEducator.

... Obrázek 4: Mikroskop skenující sondou – NTEGRA Aura (firma NT-MDT).

nologických pracovišť ve světě i tuzemsku, programy na podporu rozvoje nanotechnologií i přehledyprojektů. Svoji nezastupitelnou roli zde má i oblast vzdělávacích a popularizačních aktivit s nabídkoukonferencí u nás i v zahraničí.

2. Počátky nanotechnologiíJedním z prvních průkopníků této vědní disciplíny byl americký vědec a nositel Nobelovy ceny za fy-

ziku R P F. Ve své přednášce ere's Plenty of Room at the Bottom (volně přeloženo„Tam dole je spousta místa“) v roce 1959 položil řečnickou otázku: „Proč ještě neumíme zapsat všechdvacet čtyři svazků Encyklopedie Britanniky na špendlíkovou hlavičku?“ V přednášce zmínil i možnostmanipulace s molekulami a atomy. Tehdy nazýval tento obor mikrotechnologií. Tenkrát byl možná po-važován za snílka, dnes je na jeho počest každoročně udělována Feynmanova cena za přínos v oborunanotechnologií.

Termín nanotechnologie se objevil až v roce 1974. Japonský fyzik N. T jím označil novouměřicí metodu, která umožňovala výrobu součástek s přesností na nanometry. V 70. letech na tytomyšlenky navázal americký fyzik K. E. D. Ve svém článku o molekulárním inženýrství navrhlvyužít proteiny jako základní stavební kameny. Současně upozornil na pozitivní i negativní stránkymolekulárních nanotechnologií. Ve své knize Stroje stvoření – nástup éry nanotechnologie z roku 1986popisuje svět miniaturních systémů (nanorobotů), které by se chovaly podobně jako živé organizmy, mělyby schopnost reprodukce, vzájemné komunikace a sebezdokonalování.

V druhé polovině 20. století probíhaly výzkumy orientované na poznávání vlastností základních sta-vebních prvků hmoty a jevů projevujících se na atomové a molekulární úrovni. Hlavní zájem byl tedyorientován na poznání způsobů, jakými příroda vytváří rozmanité struktury. K tomu přispěl jeden z nej-významnějších objevů 80. let – skenovací tunelovací mikroskop (STM – Scanning Tunneling Microscope)a mikroskop atomárních sil (AFM – Atomic Force Microscope), které umožnily pozorování a manipulacis atomy a molekulami. Pokrok šel stále více dopředu, od výroby čipů velké integrace s rozměry 100 nm,přes obrábění povrchů s přesností na nanometry, až po využití nanostruktur v medicíně a biotechnolo-giích. A tak se zrodil nový interdisciplinární obor – nanotechnologie.

4

3. Pojem nanotechnologie a členění nanotechnologiíNanostruktury, tzn. oblast částic a struktur o rozměrech mezi 1 nm až 100 nm, považujeme za základní

stavební jednotky nanomateriálů. Zkoumáním jejich vlastností se pak zabývá nanověda. Její hranice sevšak nedá zcela přesně vymezit. Zahrnuje oblasti fyziky pevných látek, chemie, inženýrství i molekulárníbiologie. Nanotechnologie bychom potom mohli definovat jako interdisciplinární a průřezové technologie,zabývající se praktickým využitím nových a neobvyklých vlastností nanomateriálů pro konstrukci novýchstruktur, materiálů a zařízení.

Zatímco lidé objevili svět nanotechnologií zhruba v polovině 20. století, příroda toto tajemství zná apoužívá již celá tisíciletí při tvorbě živé i neživé přírody. Většina životních procesů probíhá v nanorozmě-rech. Celá řada biologických materiálů a objektů může být zařazena mezi nanočástice. Jsou to napříkladviry (10–200 nm) či bílkoviny (5–50 nm). Základními stavebními prvky proteinů je 20 aminokyselin s roz-měry 0,6 nm. Při vytváření proteinů jsou aminokyseliny vázány do dlouhých polypeptidických řetězců,tvořících jakési nanodrátky. Příkladem může být dvojitá šroubovice DNA, která tvoří genetický materiál,a která je stočena do chromozomu o velikosti cca 5 µm.

Příroda své struktury a funkční systémy konstruuje hierarchicky. Příkladem takové struktury můžebýt šlacha. Funkcí šlachy je přichytit sval ke kosti. Základním stavebním kamenem šlachy je seskupeníaminokyselin (0,6 nm), které tvoří kolagen (1 nm), jenž se stáčí do trojité šroubovice (2 nm). Pak následujesekvence fibrilárních (vláknitých) nanostruktur – mikrofibrila (3,5 nm), subfibrila (10–20 nm) a samotnáfibrila (50–500 nm). Poslední dvě konečné struktury představují svazek vláken zvaný fascikula (50–300 µm).Samotná šlacha může mít rozměr od 10 do 50 cm.

Další přírodou využívanou nanotechnologií je biomineralizace. Příkladem jsou tzv. biogenní magne-tické nanočástice. V roce 1975 objevil R B magnetotaktické bakterie, které si vytvářejísférické krystality magnetitu (Fe₃O₄) o rozměru asi 50 nm (obr. 5). Řetízky těchto krystalických částic,zvané magnetosomy, slouží jako jednoduché střelky kompasu, které pasivně zkrucují buňky bakterie tak,aby byly vyrovnávány souběžně se zemským magnetickým polem, a bakterie tak mohla snáze najít jejínejpřirozenější prostředí – zónu na rozhraní kalu a vody. Tyto bakterie „plavou“ na severní polokoulivždy k severnímu magnetickému pólu a na jižní polokouli k jižnímu magnetickému pólu.

... Obrázek 5: Magnetotaktická bakterie na snímku z transmisního elektronového mikroskopu.

Z těchto několika příkladů vyplývá, že se příroda stává pro vědu nesmírně bohatým zdrojem inspirace,a ta proto soustřeďuje svůj zájem na vytváření struktur podobných vlastností, které se pak snaží uplatnitve všedním životě.

Nanotechnologie mají široké spektrum využití. Obecně se dá říci, že se týkají všeho, co je kolem nás.Nanotechnologie sice patří k novým vědním disciplínám, ale některé její metody uměl člověk používatuž mnohem dříve, aniž by si je uvědomoval. Již ve starém Egyptě se můžeme setkat s barvením vlasů na-nočásticemi PbS, pomocí kterých bylo dosahováno dlouhodobě stálého černého zabarvení. Například vestředověku používali skláři jako přísady prášky různých kovů a látek pro dosažení zajímavého barevnéhoefektu skla. Jednalo se především o zlato, stříbro, síru a selen. Bylo zjištěno, že tyto látky se ve sklevyskytují ve formě nanokrystalů. Kovových nanokrystalů se též využívalo ve 13.–16. století pro vytvořenílesku glazované keramiky. V roce 1861 britský chemik T G popsal suspenzi obsahující čás-tice o rozměrech 1–100 nm, kterou nazval koloidním systémem a položil tak základ oboru, nazývanéhokoloidní chemie. Dalším příkladem je použití sazí jako plniva při výrobě pneumatik. Jedná se o částiceamorfního uhlíku o rozměrech 10–500 nm.

5

4. Nanotechnologie – nomenklaturaPro charakterizování nanotechnologií se používá následující nomenklatura:

1. Nanomateriály

(a) Nanopráškové materiály, nanočástice, kvantové tečky, nanovlákna.(b) Kompozitní materiály obsahující nanočástice.(c) Materiály s uhlíkovými nanotrubicemi nebo fullereny.(d) Tenké vrstvy, nanovrstvy, nanopovlaky.(e) Nanostrukturní kovy a slitiny.(f) Nanokeramika.(g) Polymerní nanokompozity, polymerní nanomateriály.

2. Nanotechnologie pro ukládání a přenos informací, mikro- a nanoelektronika

(a) Nanoelektronika, materiály a zařízení.(b) Nanofotonika.(c) Optické materiály, struktury a zařízení.(d) Magnetické materiály a zařízení, spintronika.(e) Organická fotonika, bioelektronika.(f) MEMS, NEMS.

3. Nanobiotechnologie, nanomedicína

(a) Zapouzdřování léků.(b) Cílená doprava léků.(c) Tkáňové inženýrství.(d) Biokompatibilní a bioanalogické materiály a vrstvy.(e) Molekulární analýza, analýza DNA.(f) Biologicko-anorganické rozhraní a hybridy.(g) Diagnostika, molekulární rozpoznávání.

4. Nanotechnologie pro aplikaci v senzorech

(a) Senzory využívající nanomateriály.(b) Biomolekulární senzory.

5. Nanotechnologie pro (elektro)chemické technologie zpracování

(a) Filtrace, membrány, molekulární síta, zeolity.(b) Katalýza nebo elektrody s nanostrukturními povrchy.(c) Chemická syntéza, supramolekulární chemie.

6. Dlouhodobý výzkum s širokou oblastí aplikace

(a) Self-assembly (samosestavování).(b) Kvantová fyzika, kvantové jevy v nanorozměrech, nanofyzika.(c) Nano- a mezoskopické systémy.(d) Chemické materiály a procesy – nanochemie.(e) Ultra-přesné inženýrství.

7. Přístroje a zařízení, výzkum a aplikace technologií

(a) Analytické přístroje, metody, techniky a výzkum.(b) Výroba (příprava) nanoprášků (nanočástic) a jejich zpracování.(c) Zařízení a metody pro vytváření vrstev a povlaků.(d) Zařízení a metody vytváření objektů (patterning, ECAP, vytváření vláken ap.).(e) Ultra-přesné obrábění, nanometrologie.

8. Zdravotní, ekologické, etické, sociální a jiné aspekty nanotechnologií

(a) Toxicita nanočástic.(b) Ekologické aspekty.

6

(c) Sociální a etické aspekty.(d) Standardizace.(e) Patentování.(f ) Prognózy, foresight.(g) Popularizace nanotechnologie.(h) Obchod s nanovýrobky.

Již z této nomenklatury vyplývá široký záběr nanotechnologií a obtížnost provést komplexní proško-lení. V zásadě lze vycházet vždy ze zkušeností přírody, která s nanostrukturami pracuje od počátku vznikuživota na Zemi. Člověk by tedy měl mít určitou pokoru nejen k přírodě, ale i k dřívějším poznatkům, kterédnes hrdě řadíme do oblasti nanotechnologií, přestože v době jejich objevu nikdo o nanosvětě nehovořil.

Zmínkou o schopnostech přírody pracovat s nanostrukturami a první poznatky s „nanomateriály“,které připravil člověk, by měla začínat každá prezentace, která je připravována pro obecnější použití.

5. Vzdělávání v oboru nanotechnologií předpokládá úzké propojenípřírodovědných oborů

Nanotechnologie v současnosti je třeba chápat jako obor sjednocující přírodovědné, technické abiomedicíncké obory k dosažení nových netradičních řešení. V následujících letech lze očekávat snahučlověka nalézt podobnost s přírodou například v rychlosti vytvářených nanosystémů. Potom je možnése dočkat pokroku v materiálovém inženýrství, elektronice, v medicíně a řadě dalších oborů. Tomu všakbude muset člověk přizpůsobit i koncepci vzdělávání.

Vzdělávací programy by měly být konstruovány s úsilím reflektovat klíčové vědecké a inženýrskétrendy a snahou zajistit souběžnou evoluci technologií a lidského potenciálu. Jako nutná výbava předvlastním školením v nanotechnologiích je znalost nejnovějších poznatků přírodních věd a nejnovějších in-ženýrských technologií (schopnost přeměnit znalosti do technologické praxe v materiálovém inženýrství,mechanice, elektronice, informatice či kybernetice, nebo do lékařské praxe).

Fyzika např. umožňuje přímou manipulaci s látkou v rozměrech, blížících se nanoměřítku, chemie do-káže syntetizovat složité molekuly, biologie studuje v nanoměřítku principy samovolného růstu struktur,vysvětluje principy funkcí a vývoje živých buněk atd.

Antické vědy na filozofické úrovni dobře chápaly fakt jednoty přírody. K hlubšímu poznání se po-stupně propracovávala věda následujícím štěpením do oborových specializací, ve kterých vznikaly novérevoluční poznatky. Aristoteles by našel své prvky přírody v pevné, kapalné a plynné fázi, plazmatua světě elementárních částic. Skutečný rozvoj nanotechnologií nastal až v posledních dvaceti letechdíky objevům nových uhlíkových nanostruktur (fullerenů, nanotrubiček, grafenů, …) a experimentálníchtechnik pozorování, vytváření a aplikací nanostruktur (elektronové mikroskopy s vysokým rozlišením, mi-kroskop tunelovací a atomárních sil…). Nanovědy a nanotechnologie se potom z pohledu moderní vědyrozvíjí na základě synergie s biotechnologií, biomedicínou a informatikou obsahující výpočetní techniku,telekomunikace, kybernetiku a teorie poznávání.

Při vzdělávacích aktivitách, vedle vědeckých poznatků, je třeba jedním dechem hovořit o respektovánízdravotních, environmentálních, bezpečnostních, etických, právních a sociálních rizik. Potom teprve mo-hou obory v propojení nanotechnologie, biomedicíny a informatiky přinést nesmírné pokroky v lidskýchschopnostech, v kvalitě života i v řešení sociálních problémů. Spojení nanotechnologií, biotechnologií ainformatiky poskytuje možnost konstruovat umělé buněčné části – organely, funkční jednotky s novýmivlastnostmi.

6. Úloha vzděláváníVe 20. století všechny průmyslově vyspělé země pochopily základní úlohu teoreticky podloženého

technického vzdělání při úsilí o komerční a průmyslovou konkurenceschopnost a jeho hlavní roli v posi-lování lidského potenciálu. S tím, jak celosvětově rychle roste objem veřejných prostředků, vkládanýchdo podpory nanotechnologicky orientovaných projektů, roste i odpovědnost vysokých škol a dalších vý-zkumných organizací při jejich efektivním využívání. To je podmíněno odbornou kvalifikací řešitelů těchtoprojektů. V případě nanotechnologií se však nejedná o dříve obvyklou úzkou odbornost, ale naopak ovelmi široké spektrum znalostí, takže jedinou možností je dosažení širokého vzdělání. Vlastní studiumnanotechnologií musí poskytnout orientaci v základních přírodovědných oborech jako jsou matematika,fyzika, chemie, fyzikální chemie, fyzika a chemie koloidů, kvantová fyzika a v základních inženýrských

7

předmětech zaměřených na vlastnosti materiálů a technologie jejich zpracování. Pokud máme využít in-spiraci z přírody a jejich živých systémů, je samozřejmá znalost zákonitostí z oblasti biologie, biofyziky,biochemie, anatomie, fyziologie, neurologie atd. Živé systémy však nejsou objekty vytvořené molekulárnímanipulací. Jejich pestrost je výsledkem spojení s informatikou. Potom potřebujeme znát počítačové asoftwarové systémy, teorii řízení, telekomunikační techniku, elektroniku, umělou inteligenci atd. Uznejte,že jen málo jedinců by mohlo zvládnout tak široký záběr ve všech disciplínách.

7. Požadavky na vzdělávání v oboru nanotechnologiíPřed obtížným úkolem stála Katedra experimentální fyziky PřF UP při sestavení navazujícího magis-

terského studijního programu „Nanotechnologie“. Řešili jsme otázku, jak tyto programy navrhnout, jakéjsou potřeby regionu i společnosti a jaké budou jejich potřeby v příštích letech. Díky experimentálnímuzázemí a propojení stávajícího chemického a fyzikálního výzkumu bylo dosaženo žádoucí synergie přivzájemné spolupráci.

Teoretická příprava by měla v ideálním případě zahrnovat matematiku, kvantovou fyziku, chemii,materiálové vědy a technologie, biologii, fyziologii a neurologii, informatiku, elektroniku, strojní, stavební,elektro a všeobecné inženýrství.

Profilující praktické předměty na různých školách mohou mít společné rysy, ale budou se lišit podletradičního zaměření pracoviště. Nesmí tam chybět experimentální metody charakterizace nanostruk-tur (HRTEM, SEM, SPM, spektroskopie atd.), vlastnosti nanostruktur (nanomateriály a biosystémy),metody přípravy nanostruktur (syntéza, solidifikace, top-down a bottom-up procesy, samovolný růst auspořádání), aplikace nanostruktur (materiálové inženýrství, elektronika, medicína atd.). Dnešní studiumnanotechnologií musí brát v úvahu odpovědný přístup k výzkumu nanotechnologií a zahrnout rizika proživotní prostředí, lidské zdraví a bezpečnost, etickou, právní a sociální problematiku.

8. Příklady vysokoškolské výuky v oblasti nanotechnologií v ČRVŠB – Technická univerzita Ostrava http://nanotechnologie.vsb.cz. V r. 2007 byly jako první v ČR

otevřeny bakalářský a magisterský studijní programy Nanotechnologie v české a anglické verzi. Baka-lářský poskytuje základy v matematice, fyzice, chemii a přehled v celé oblasti nanověd a nanotechno-logií. Magisterský nabízí hlubší pohled do elektronické struktury materiálů, optických a magnetickýchvlastností a nových experimentálních metod v chemické nebo fyzikální specializaci. Absolventi mohoupokračovat v navazujícím doktorském studiu.

ČVUT – Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská http://kfe.fi.cvut.cz. V magisterském studijním oboruFyzikální elektronika vznikla ve spolupráci s dalšími katedrami ČVUT a pracovišti AV ČR specializaceFyzika nanostruktur. Navazuje na předchozí bakalářské studium v oboru Fyzikální inženýrství. Návaznédoktorské studium je absolventům k dispozici v oboru Fyzikální inženýrství a aplikovaná fyzika. Praktickyvšechny předměty přistupují k nanotechnologiím především z fyzikálního hlediska.

ČVUT – Fakulta elektrotechnická http://www.cvut.cz. V magisterském studiu oboru Mikroelektronikave spolupáci s Katedrou elektrotechnologie od r. 2007 a od r. 2009 jako volitelný v české a anglickéverzi je nabízen předmět Nanotechnologie. Obsah přednášek a cvičení předmětu je sestaven se snahou omultidisciplinární charakter. Většinu účastníků tvoří zahraniční studenti. V navazujícím doktorském studiuv oborech Materiály a elektrotechnologie nebo Mikroelektronika se lze zapojit do nanotechnologickyorientovaných projektů.

UK – Fakulta matematicko-fyzikální. V r. 2008 byl otevřen nový obor doktorského studia Fyzikananostruktur. Navazuje na široké spektrum přírodovědných předmětů předchozího studia. Podobně jakona ČVUT-FJFI předměty přistupují k nanotechnologiím především z fyzikálního hlediska.

VUT Brno – Ústav fyzikálního inženýrství ve spolupráci s Masarykovou univerzitou Brno. V r. 2009/2010se otevřel nový studijní program Fyzikální inženýrství a nanotechnologie. Spolupráce obou univerzitumožňuje pokrytí vědeckých a inženýrských oborů i oborů technických a biologických. Od r. 2008/2009se na VUT Brno přednáší samostatný předmět Nanotechnologie.

UP Olomouc – Katedra experimentální fyziky Přírodovědecké fakulty ve spolupráci se Společnoulaboratoří optiky UP a FzÚ AV ČR (http://fyzika.upol.cz). Magisterský studijní obor Nanotechnologienavazuje na bakalářský studijní obor Aplikovaná fyzika (v současné době byl předložen akreditační spisbakalářského oboru Nanotechnologie). Obor Nanotechnologie je založen na interdisciplinaritě matema-tiky, fyziky, chemie, molekulární biologie, elektroniky a informatiky. Směřuje k nanomateriálům a jejichaplikacím zejména ve fotonických a elektronických nanostrukturách.

8

TU Liberec. V roce 2009 byly otevřeny bakalářský a magisterský studijní programy Nanotechnolo-gie v oboru Nanomateriály. Bakalářský obor obsahuje nejvíce fyziky, dále chemie, speciálních témat,matematiky. Magisterský obor obsahuje dále aplikované vědy a technologie zpracování nanovláken.

AV ČR Technologické centrum, ČVUT – Fakulta biomedicínského inženýrství aj. Přehled profilovýchpřednášek v předmětech Nanotechnologie (projekt Operačního programu EU Rozvoj lidských zdrojů,AV ČR Technologické centrum Praha) a předmět Nanotechnologie na ČVUT-FBMI: Kvantová fyzika,Elektronová mikroskopie a rtg. difrakce, Nanočástice, Tenké vrstvy, Chytré nanostruktury, Afinitní bi-osenzory pro detekci chemických a biologických látek, Technologie mikro- a nanosystémů na Optickéfyzice FJFI, Polymerní nanokompozity pro inženýrské a medicínské využití, Polovodičové nanostrukturya nanoelektronika, Uhlíkové nanostruktury, Senzory, Elektrostatické zvlákňování, Nanomedicína, Rizikananotechnologií.

9. ZávěrPůvodní záměr přednášky, naučit zájemce přednášet a školit v oboru nanotechnologií, pravděpodobně

nebyl naplněn. Omezil se pouze na výčet oblastí, které není možné při vlastním školení a přednášení po-minout. Ať se „školení“ zaměří na kteroukoli speciální aplikaci, je třeba mít na paměti zkušenosti přírodya poznatky známé z nedávné historie, kdy člověk s nanostrukturami pracoval a dosud je takto neozna-čoval. Pokud budeme chtít zodpovědně přistupovat k nanotechnologickému vzdělávání, bude důležitémít široké interdisciplinární zázemí, minimálně na úrovni kvalifikovaného přehledu. Navíc musíme brátohled na životní prostředí, zdraví, bezpečnost, etiku atd. Aby se naplnily předpoklady nanotechnologiií,je třeba využívat spolupráce mezi univerzitami a vědeckými pracovišti s kvalitní vědecko-výzkumnou iaplikační infrastrukturou.

10. Literatura[1] Baďurová R.: Využití SPM přístroje „Nanoeducator“ pro vzdělávání v oblasti nanotechnologií (2009)

diplomová práce, PřF UP, Olomouc.

[2] Bennink M. L.: Interdisciplinary Nanotechnology Education at MESA – University of Twente Euro-nanoforum 2009, Proceedings p. 95.

[3] Bouda V.: Konvergence oborů ve výuce nanotechnologií http://www.nanotechnologie.cz (sekce vzdě-lávání).

[4] Dunn S., Singh K. A.: Analysis of M-Level modules in Interdisciplinary Nanotechnology Educationin Europe (2009) Institute of Nanotechnology, Glasgow.

[5] Kubínek R.: Nanotechnologie a jejich praktické aplikace (2010) přednáška pro studenty MVŠO.

[6] Montemagno C. D.: Integrative Technology for the Twenty-First Century (2004) New York: e NewYork Academy of Science, 38–49.

[7] Rocco M. C., Montemagno C. D.: e Coevolution of Human Potential and Converging Technologies(2004) New York: e New York Academy of Science, 1–16, http://www.cordis.lu/nanotechnology.

...Autor textudoc. RNDr. Roman Kubínek, CSc.roman.kubinek@upol.cztel.: 58 563 4286

...PracovištěKatedra experimentální fyzikyPřírodovědecká fakulta, Univerzita Palackého v Olomouci17. listopadu 1192/12, 771 46 Olomouchttp://www.upol.cz/fakulty/prf/struktura/katedry-a-pracoviste/katedra-experimentalni-fyziky

9