NanoEnviCZ

Název výzkumné infrastruktury: Nanomateriály a nanotechnologie pro ochranu životního prostředí a udržitelnou budoucnost

Akronym výzkumné infrastruktury: NanoEnviCz

Výzkumné oblasti: environmentální vědy (hlavní), fyzikální vědy (vedlejší), biomedicína (vedlejší)

Hostitelská instituce: Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, v. v. i.,

Statutární orgán: prof. RNDr. Zdeněk Samec, DrSc., ředitel

Partnerské instituce: Palackého Univerzita v Olomouci, Technická Univerzita v Libereci, Univerzita J. E. Purkyně v Ústí nad Labem, Ústav anorganické chemie AV ČR, v. v. i., Ústav experimentální medicíny AV ČR, v. v. i

Odpovědná osoba: RNDr. Ing. Martin Kalbáč, Ph.D.

I. Popis zaměření výzkumné infrastruktury

NanoEnviCz je výzkumná infrastruktura (dále jen „VI“), která unikátním způsobem propojuje vědecké týmy z oblasti environmentálních a materiálových věd. Jejím smyslem je vytvoření účinné platformy umožňující spolupráci jak mezi partnerskými organizacemi, tak s externími uživateli. Vědecká aktivita VI bude zaměřena na studium nanomateriálů pro ochranu životního prostředí včetně: i) cílené syntézy nanomateriálů, ii) jejich komplexní chemické, strukturní, morfologické a povrchové charakterizace, iii) řízení jejich funkčních vlastností, iv) zkoumání potenciálních toxických účinků a vlivů na životní prostředí, v) vývoje nových aplikací. K tomuto účelu budou vytvořeny a navzájem propojeny multidisciplinární týmy zahrnující odborníky z oblasti fyziky a chemie pevných látek, materiálového a environmentálního inženýrství, či biologických a lékařských věd. S využitím odborných kompetencí, výzkumných kapacit a technického zázemí tří ústavů AV ČR – Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, v. v. i. (dále jen „ÚFCH JH“), Ústavu anorganické chemie AVČR, v. v. i. (dále jen „ÚACH“) a Ústavu experimentální medicíny AVČR, v. v. i. (dále jen „IEM“) – a tří univerzitních pracovišť – Univerzity Palackého v Olomouci (dále jen „UPOL“), Technické univerzity v Liberci (dále jen „TUL“) a Univerzity Jana Evangelisty Purkyně v Ústí nad Labem (dále jen „UJEP“) - vznikne výkonná infrastruktura, jež bude nejen schopna provádět špičkový výzkum v oblasti vývoje nových materiálů a environmentálních technologií, ale především poskytovat vysoce kvalifikované vědeckovýzkumné zázemí pro špičkový odborný servis dalším vědeckým subjektům působícím v této oblasti ať už v České republice, nebo v zahraničí. Zmíněné instituce již v minulosti spolupracovaly či stále spolupracují při řešení různých typů projektů základního či aplikovaného (orientovaného) výzkumu. Mimořádně vysoké a navzájem komplementární odborné kompetence, mezinárodně prověřené metodické přístupy, diverzifikovaná struktura a především dlouholetá zkušenost všech členů VI s realizací špičkového multidisciplinárního výzkumu včetně zapojení do řady velkých mezinárodních projektů a konsorcií jsou zárukou vysoké (světové) úrovně poskytovaných služeb a předpokladem pro efektivní přenos poznatků z oblasti základního výzkumu směrem k jejich využití. VI bude strukturována do 9 úzce propojených pracovních balíčků – 7 výzkumných programů (WP3-WP9) tvořících jádro aktivit VI doplňuje pracovní balíček zaměřený na řízení a administraci (WP1) a zvláštní balíček zaměřený na vzdělávání a přenos znalostí (WP2).

Stručný popis pracovních balíčků:

WP1 – Administrativa a řízení

Administrativní struktura, trvalá integrace, restrukturalizace, komunikační platforma, organizace sdílení vybavení a optimalizovaných postupů, ochrana duševního vlastnictví a intelektuálního potenciálu, přenos technologií do průmyslu.

WP2 – Věda, vzdělávání a přenos znalostí

Zajištění mobility vědeckých pracovníků, zaměstnanců a studentů, školení pracovníků uvnitř i vně VI, vzdělávání studentů, propagace vědy a výzkumu, nalezení vhodných multidisciplinárních spojení.

WP3 – Design a syntéza nových multifunkčních nanomateriálů pro ochranu životního prostředí a lidského zdraví

Koncepčně nové nanostrukturní materiály určené pro využití v inovativních technologiích, výpočetní modelování struktur nanomateriálů, nízko-dimensionální materiály a jejich komposity, nanovlákna, magnetické hybridy, kovy a oxidy kovů, redoxně aktivní nanomateriály, materiály pro biomedicinální aplikace.

WP4 – Heterogenní katalýza se zaměřením na ochranu životního prostředí

Nanomateriály pro katalytickou degradaci polutantů ve vodě, půdě a v ovzduší, nanostrukturní heterogenní katalyzátory pro snížení emise polutantů z průmyslových procesů a dopravy.

WP5 – Nové nanomateriály a technologie pro udržitelnou produkci

Procesy a technologie pro ukládání energie a pro chemické výroby, katalytické nanomateriály pro použití v obnovitelných zdrojích.

WP6 – Efektivní fotokatalytické technologie

Nanomateriály pro fotokatalýzu, fotovoltaické pigmenty, fotokatalyticky aktivní povrchy pro zlepšení kvality životního prostředí, hybridní materiály pro fotokatalýzu i heterogenní katalýzu, tenké fotovoltaické vrstvy pro přímý rozklad vody.

WP7 – Nanotechnologie pro záchyt a chemickou degradaci polutantů

Sorpční nanomateriály, nanomateriály na přírodní bázi připravené technologiemi šetrnými k životnímu prostředí, reaktivní sorbenty pro degradaci pesticidů a vysoce toxických látek včetně bojových chemických látek, nanomateriály pro eliminaci radioaktivní kontaminace, modifikovaná nanovlákna, nové antimikrobiální filtry/membrány, materiály na bázi elementárního železa a železanů pro čištění podzemních a odpadních vod a záchyt těžkých kovů.

WP8 – Detekce a monitorování polutantů

Účinná detekce polutantů, bio-senzory, aplikace nových senzorů při monitorování polutantů, nové elektrochemické senzory, nanosenzory na bázi grafenu, magnetické SERS senzory.

WP9 - Toxicita a rizika použití nanomateriálů

Komplexní analýza zdravotních a environmentálních rizik různých nanomateriálů a nových materiálů „in-vivo“ a „in-vitro“ testování toxicity - např. cytotoxicita, genotoxicita, interakce s buněčnými membránami, toxicita způsobená bakteriemi a plísněmi, biocidní účinky, ekotoxicita, komplexní hodnocení vlivů na životní prostředí a lidské zdraví.

VI bude podporovat realizaci projektů základního a aplikovaného výzkumu ve spolupráci s tuzemskými i zahraničními průmyslovými i akademickými partnery, případně s orgány státní správy. Nabízené služby a technologie zahrnují zejména:

a) Přípravu nanočástic a nanostrukturních materiálů ve vysoké čistotě, dostatečném množství a v širokém rozsahu složení s přesně definovanými vlastnostmi.

b) Vývoj účinných technologií pro degradaci polutantů obsažených v ovzduší, ve vodě i v půdě a ke snížení obsahu škodlivin v emisích z průmyslových procesů i z dopravy s využitím nových typů heterogenních katalyzátorů, fotokatalyzátorů a filtračních medií na bázi nanovlákenných materiálů.

c) Vývoj nanomateriálů pro fotoelektrochemické aplikace umožňujících transformaci sluneční energie pro produkci vodíku.

d) Vývoj, přípravu a testování nových nízko-dimenzionálních zejména uhlíkových systémů (grafen, trubice, kvantové tečky) pro účinná nanoelektronická a optoelektronická zařízení s nízkou spotřebou energie a pro biosenzory s optickou/elektrochemickou detekcí. Vývoj biosenzitivních médií a biosenzických přístrojů pro detekci pesticidů a persistentních polutantů. Metamateriály a jiné kompositní materiály (3D nanoprinting) pro průmyslové aplikace v oborech jako je tkáňové inženýrství, fotonika, mikrooptika.

e) Vývoj nanomateriálů použitelných pro katalytické procesy, které budou nezbytné pro výrobu nové generace paliv a chemických produktů pro udržitelnou chemickou výrobu včetně využití zemního plynu a obnovitelných zdrojů.

f) Objektivní posouzení ekotoxikologických vlastností (nano)částic, vytvoření prediktivních modelů vlivů nanomateriálů na životní prostředí a využití těchto modelů k navržení nanomateriálů šetrných k životnímu prostředí.

II. Význam výzkumné infrastruktury

Vědecké zaměření nové VI zahrnuje problémy globálního charakteru, jejichž řešení je v zájmu celé společnosti a prioritou ve všech vyspělých zemích. Patří sem bezpochyby otázky ochrany životního prostředí, tedy ochrana vod, půdy a ovzduší, snížení výskytu polutantů v přírodě či řešení dlouhodobých ekologických zátěží. Aplikace nanomateriálů vyvíjených v rámci VI umožní ekologicky šetrnější a efektivnější průmyslové procesy (např. s použitím nových katalyzátorů a fotokatalyzátorů) včetně technologií pro transformaci a uchování energie. V neposlední řadě, VI bude akcentovat témata jako je výzkum biosensorů, kontrastních a diagnostických nanosystémů, či výzkum toxicity materiálů směřující k ochraně lidského zdraví.

Aby bylo možné řešit výše zmíněná témata, je třeba mít okamžitý přístup k nejnovějším výsledkům v oboru materiálových a environmentálních věd, jejichž vývoj zaznamenal v posledních letech značný pokrok. Spojením organizací, které jsou na vysoké odborné úrovni a v této oblasti dlouhodobě aktivní, vznikne VI splňující tyto požadavky, schopné nabízet kvalitní výzkum srovnatelný s úrovní předních světových pracovišť s ohledem na jedinečnost a kvalitu a výsledně bude mít i kladný dopad na uživatele v rámci celé komunity. Uvedené výzkumné zaměření je součástí dlouhodobých výzkumných záměrů a strategických rozvojových plánů členů VI, což zaručuje udržení trvale vysoké úrovně vědeckovýzkumných aktivit a poskytovaných služeb.

Zaměření navrhované VI je vysoce relevantní pro výzkum v ČR a přispěje k dosažení konkurenceschopnosti české vědy. Partneři zapojení do činnosti VI spolupracují s desítkami předních světových laboratoří a desítkami tuzemských, zahraničních i nadnárodních firem. VI bude přímo začleněna do již existujících projektů a velkých evropských infrastruktur jako je např. The European Research Institute of Catalysis (dále jen „ERIC“) (www.eric-aisbl.eu), nebo Graphene Flagship, což významně zlepší pozici české vědy v rámci evropských infrastruktur, a tím i v rámci světové vědecké komunity. V oblasti bezpečnosti nanotechnologií VI naváže na VI s názvem QualityNano (www.qualitynano.eu), se kterou je nyní propojena prostřednictvím IEM. Toto uspořádání významně urychlí výzkum zejména v oblasti environmentálních věd a nanotechnologií, čímž přispěje ke zvýšení významu české vědy s očekávaným pozitivním dopadem na českou ekonomiku.

Přínosem VI je, že se bude zabývat dosud neřešenými tématy a zúčastní se celosvětového diskusního fóra v daném oboru. VI bude poskytovat kompletní servis v kombinaci se základním výzkumem v oblasti materiálové chemie (zahrnující matematické modelování), nanotechnologií a environmentálních věd. Dalším přínosem založení navrhované VI je posílení současných spoluprací mezi jednotlivými organizacemi, společné zapojení do mezinárodních vědeckých programů, platforem a infrastruktur a zvýšená mobilita zejména mladých výzkumných pracovníků a studentů napříč VI.