Od roku 2000 je společným jmenovatelem většiny výzkumných aktivit Laboratoře NMR spektroskopie pevného stavu rozvoj a aplikace technik „separace lokálních polí“. Nejprve jsme rozvíjeli postupy popisu heterogenních polymerních směsí a sítí se zaměřením na určení velikosti polymerních domén o rozměrech 1-20 nm [ref. 22, 34, 39, 41]. Později jsme se začali věnovat přesnému měření dipolárních interakčních konstant pro určení meziatomových vzdáleností a stanovení lokální struktury částečně uspořádaných polymerních nanokompozitů [ref. 43, 49]. Dnes se zaměřujeme na modifikaci těchto přístupů pro popis dynamiky polymerních segmentů v semikrystalických polymerech a nanokompozitech, a to především pro pochopení vztahů s materiálovými vlastnostmi [ref. 58, 60, 74, 76, 87]. Současně s tím se intenzivně věnujeme rozvoji NMR krystalografie tedy rozpracování a zobecnění experimentálních postupů dvou- a tří-dimenzionální dipolární NMR spektroskopie pevného stavu pro popis úplné struktury (konformace a pakování) farmaceuticky aktivních mikrokrystalických látek [ref. 53]. Tytopostupu se pak snažíme aplikovat i na anorganické polymerní systémy známé jako geopolymery [ref. 85] nebo termoresponzivní hydrogely na bázi oligopeptidových domén [ref. 79]. 
 
 

Hlavní směry našeho výzkumu
lze rozdělit do třech oblastí, které se vzájemně překrývají:

• Rozvoj NMR krystalografie pro farmaceutické aplikace
• Studium segmentové dynamiky polymerních nanokompozitů a hledaní vztahů s materiálovými vlastnostmi
• Studium struktury, stability a chemické aktivity anorganických systémů na bázi geopolymerů a zeolitů“

Záběr a rozsah našeho výzkume lze nejlépe demonstrovat rozsáhlým seznamem publikací.

Vedle tohoto badatelského základního výzkumu, ale nesmíme zapomenout také na výzkum na zakázku, kdy poskytujeme služby, analýzy a poradenství našim partnerům z akademické i průmyslové sféry.

   Současný farmaceutický průmysl se při vývoji a výrobě nových typů léčiv potýká s problémem obtížně předpověditelného polymorfismu. Biologická dostupnost farmaceutických ingrediencí (API) je totiž silně závislá na vzniklé krystalové struktuře. Tento fakt je snadno pochopitelný, když si uvědomíme, že diamat a grafit jsou též polymorfy, jejichž vlastnosti jsou zcela rozdílné. Cílem našeho výzkumu je učinit zásadní kroky při řešení tohoto problému a přispět k rozvoji nového vědního oboru, NMR krystalografie. Podstatou je spojení NMR spektroskopie pevného stavu, práškové RTG difrakce a molekulárního modelování pro identifikaci a strukturní analýzu aktivních substancí a pochopení jevu polymorfie s ohledem na nalezení vztahů s biodostupností. Nezbytnou podmínkou k dosažení těchto cílů je vyvinutí metodických postupů NMR krystalografie, vedoucí k monitorování výroby farmaceutických produktů a k detailnímu strukturnímu popisu použitých API.

  Řešení této problematiky je v současné době podporováno grantovým projektem MŠMT ČR v projektu Národního programu výzkumu II v programu Zdravý a kvalitní život. Název projektu je NMR krystalografie aktivních farmaceutických substancí pro průmyslové aplikace a detailní informace o projektu a jeho řešení lze nalézt zde

   Podstatou tohoto výzkumu je vývoj a aplikace selektivních technik NMR spektroskopie pevného stavu určených k měření pohybově zprůměrovaných dipolárních ¹ H- ¹³ C interakcí, které otvírají nové cesty pro popis segmentálních pohybů v heterogenních polymerních nanokompozitech, a následně k nalezení vztahů mezi pohyblivostí polymerních řetězců s materiálovými vlastnostmi. Vývoj těchto postupů je motivován znalostí, že řada vlastností nanokompozitů, jako je houževnatost nebo tažnost, je spojena s pohyblivostí polymerních řetězců. Tento badatelský záměr je od roku 2006 podporován grantem Grantové Agentury Akademie Věd ČR - Vývoj a aplikace NMR technik měření dipolárních interakcí v pevné fázi – určování tří-dimenzionální struktury a amplitudy vnitrních pohybu mikrokrystalických a polymerních systémů s vysokým stupněm uspořádání, IAA400500602.

  V rámci řešení projektu jsme v letech 25006-2007 zoptimalizovali a následně aplikovali výše zmiňované experimentální NMR techniky, jejichž základem je kombinace relaxačních filtrů s amplitudově modulovanou PISEMA pulsní sekvencí. To umožnilo posoudit pohyblivost polymerních segmentů selektivně v amorfní anebo krystalické fázi, navíc získané parametry lze snadno interpretovat ve smyslu geometrie pohybu. Tyto parametry navíc nejsou citlivé na přítomnost paramagnetických center nanoplniva tedy přírodního jílu. Tyto metody lze tak použít i k analýze průmyslově vyráběných nanokompozitů. Mimo to lze ze získaných dat získat některé termodynamické parametry, jako je např. změna Gibbsovi energie způsobená změnou konformační entropie, a ty pak vztahovat k materiálovým vlastnostem. To jsme ověřili na nanokompozitních systémech na bázi polyamidu-6 (PA-6) a montmorilonitu (MMT) [ref. 76]. Vzhledem k tomu, že tyto systémy se běžně nacházejí pod teplotou skelného přechodu, v následujícím kroku jsme optimalizovali navržené techniky pro aplikace pro kaučukovité nanokompozity, jež se nachází nad T_g.

  V této etapě projektu jsme posuzovali strukturu a dynamiku nanokompozitních sítí na bázi poly(propylen oxidu) a polysilsesquioxanů (POSS), jež podléhají auto-organizačním procesům, kdy část polymerní matrice se nachází v kaučukovitém stavu, zatímco POSS jednotky se organizují až do krystalických domén. Mimo jiné jsme v krystalitech POSS bloků nalezli vysoce-amplitudové pohyby molekulárních segmentů, které jsou odpovědné za zvýšenou termální stabilitu. Tím jsme demonstrovali, že navržené postupy NMR pevného stavu, jsou schopné popsat vztahy v polymerních nanokompozitech s hierarchickou architekturou. Prokázali jsme navíc, že získané NMR parametry lze korelovat s mechanickými vlastnostmi a nalezli jsme jejich molekulární podstatu. S využitím těchto technik jsme navrhli strukturní motivy komplikovaných polymerních systémů, které nebylo možno jinými metodami popsat [ref. 87].

   Klesající množství přírodních zdrojů vede progresivní společnosti k hledání alternativních zdrojů energie a surovin. Současnou snahu při zpracování minerálních surovin tak charakterizuje snižování energetické náročnosti výrob a především úsilí o bezodpadové hospodářství. Proto jsme mohli zaznamenat zvýšený zájem o nové energeticky nenáročné konstrukční materiály, jejichž základem jsou přepracované průmyslové odpady (např. struska či popílky) nebo nevyužívané suroviny jílového charakteru. Existuje reálná možnost, že tyto suroviny poskytnou nový typ anorganických materiálů známý jako geopolymery. Jednoduchá chemická podstata těchto geopolymerů (jsou to hlinitokřemičitany tvořené nekonečnou sítí Si-O-Al vazeb) je základem jejich proklamované vynikající chemické a mechanické odolnosti, přičemž snadnost jejich přípravy při laboratorní teplotě je až zarážející. Díky tomu se těmto materiálům předvídá využitelnost v řadě průmyslových oblastí.

  Využitelnost přepracovaných odpadů na bázi geopolymerů se odvíjí v prvé řadě od receptury přípravy a procesu výroby. Mimo to však také souvisí s jejich strukturou a morfologií, tedy lokálním uspořádání atomů, které přímo určují mechanické a fyzikální vlastnosti. Proto je znalost základních strukturních motivů a jejich vztah s mechanickými vlastnostmi nezbytnou součástí vývoje těchto konstrukčních a speciálních materiálů. V odborné literatuře dnes existuje jen několik velmi triviálních strukturních předpovědí a hypotéz. Jednoznačné experimentální potvrzení zatím neexistuje a nalezení klíčových vztahů a zákonitostí mezi strukturou a aplikovatelností je věnována jen malá pozornost. Zvláště v případě, kdy vstupními surovinami jsou odpadní materiály, které již ze své povahy nelze považovat za chemická individua, je nutno strukturní charakterizaci a z ní vyplývajícím zákonitostem, věnovat maximální pozornost. Je to především vztah k dlouhodobé stabilitě a odolnosti povětrnostním podmínkám, zrychlenému stárnutí a celkovému namáhání. A právě hledání těchto zákonitostí je podstatou našeho výzkumu v této oblasti.

  Vzhledem k tomu, že geopolymery jsou se své podstaty velmi komplikované nanostrukturní kompozity, vyvíjíme speciální metody NMR spektroskopie pevného stavu založené na kombinaci více-dimenzionálních vícekvantových koorelačních technik ²³ Na a ²⁷ Al 3Q MAS NMR s technikami dipolárního recouplingu či coss-polarizace ( ¹ H- ²⁷ Al, ²⁷ Al- ²⁹ Si CP/MAS, REDOR). Již nyní jsme dokázali identifikovat nejrůznější strukturní jednotky z nichž je tento konstrukční materiál sestaven a díky těmto znalostem jsme navrhli alternativní způsob jeho přípravy [ref. 85]. V současné době pak pracujeme na rozpoznání role vody v těchto systémech s ohledem na jejich dlouhodobou stabilitu a vysokou mechanickou pevnost.

   Ačkoli naše přístrojové kapacity a lidské zdroje nejsou neomezené, snažíme se nalézt dostatek prostoru, abychom případným zájemcům z akademické sféry nebo z řad průmyslových společností mohli poskytnout služby v oblasti specifického výzkumu na zakázku, analýz jejich produktů či poradenství. V rozsahu omezeném ekonomickou výhodností jsme schopni analyzovat téměř veškeré látky, které se nacházejí v tuhém stavu. Výjimku tvoří látky extrémně nebezpečné (explozivní, biologicky nakažlivé), toxické a radioaktivní. Veškerý tento výzkum provádíme na smluvním základě a kontakt v případě zájmu je následující:

  Ing. Jiří Brus, PhD
  e-mail: brus@imc.cas.cz
  tel: +420 296 809 380