Feed aggregator

Mezinárodní tým vědců, jehož součástí jsou i odborníci z výzkumného institutu CATRIN Univerzity Palackého, vyvinul nový typ plazmonického fotokatalyzátoru, jenž dokáže s využitím sluneční energie velmi účinně a selektivně přeměňovat biomasu na klíčové suroviny pro výrobu bioplastů. Výsledky výzkumu, které představují významný krok směrem k udržitelnější chemické výrobě, zveřejnil prestižní vědecký časopis Nature Catalysis.

Biomasa, tedy organický materiál rostlinného či živočišného původu, patří mezi nejperspektivnější obnovitelné zdroje pro výrobu chemikálií a materiálů s vysokou přidanou hodnotou. Výzkum se zaměřil na molekulu 5-hydroxymethylfurfuralu, která vzniká z cukrů obsažených v rostlinné biomase a je považována za jeden z klíčových meziproduktů moderních biorafinerií. Její řízenou oxidací lze získat 2,5-furandikarboxylovou kyselinu, sloučeninu využitelnou jako základní stavební jednotku biopolymerů, například plastu PEF, který je ekologickou alternativou běžně používaného PET. Dosavadní průmyslové postupy výroby této látky jsou však technologicky náročné. Často vyžadují silně zásadité prostředí, zvýšené teploty nebo tlak. Přesto trpí nízkou selektivitou, což vede ke vzniku nežádoucích vedlejších produktů a vyšší energetické náročnosti. Současný výzkum se proto snaží nalézt nové přístupy, které by umožnily tuto chemickou přeměnu řídit pomocí světelné energie za mírnějších a ekologicky šetrnějších podmínek.

Dokonalá souhra

Nově vyvinutý katalyzátor je založen na kombinaci nanostrukturovaného nitridu titanu a extrémně malých nanočástic slitiny ruthenia a platiny. Nitrid titanu slouží jako materiál, který velmi účinně pohlcuje světlo, zejména jeho infračervenou složku, a přeměňuje jej na energeticky bohaté elektrony a lokální teplo. Tyto efekty následně podporují aktivaci molekulárního kyslíku na povrchu katalyticky aktivních nanočástic, kde probíhá vlastní chemická reakce.

„Klíčové je, že jednotlivé složky katalyzátoru spolupracují v dokonalé součinnosti. Díky tomu dokážeme velmi přesně řídit oxidaci 5-hydroxymethylfurfuralu a dosáhnout téměř úplné přeměny na cílový produkt bez použití silných chemických přísad nebo extrémních reakčních podmínek. Ve srovnání s dosavadními technologiemi je proces výrazně selektivnější, energeticky úspornější a produkuje podstatně méně odpadu,“ uvedl jeden z korespondenčních autorů studie Štěpán Kment z Univerzity Palackého.

Jde o nový koncept pro přeměnu biomasy

Autoři studie zdůrazňují, že tento přístup umožňuje aktivovat kyslík zcela odlišným způsobem než u běžných katalytických systémů. Díky tomu lze reakci vést ve vodném prostředí bez přídavku zásad a zároveň se vyhnout neselektivním reakcím, které by vedly ke ztrátám materiálu. Výsledkem je vysoce účinný a přesně řízený proces vhodný pro budoucí aplikace.

Podle vědců představuje tato plazmonická katalytická platforma dosud nevyužitý koncept v oblasti přeměny biomasy. „Otevírá nové možnosti pro budoucí biorafinerie, které by mohly ze sluneční energie a obnovitelných surovin vyrábět plasty, rozpouštědla a další chemické produkty s výrazně nižší uhlíkovou stopou než současné průmyslové technologie,“ uzavřel Kment.

Na výzkumu se podíleli vědci z CATRIN Univerzity Palackého a Centra energetických a environmentálních technologií i národního superpočítačového centra IT4Innovations na VŠB-TUO ve spolupráci s partnery z Číny, Itálie a Spojených států amerických.

 

 

Mezinárodní tým vědců, jehož součástí jsou i odborníci z výzkumného institutu CATRIN Univerzity Palackého, vyvinul nový typ plazmonického fotokatalyzátoru, jenž dokáže s využitím sluneční energie velmi účinně a selektivně přeměňovat biomasu na klíčové suroviny pro výrobu bioplastů. Výsledky výzkumu, které představují významný krok směrem k udržitelnější chemické výrobě, zveřejnil prestižní vědecký časopis Nature Catalysis.

Biomasa, tedy organický materiál rostlinného či živočišného původu, patří mezi nejperspektivnější obnovitelné zdroje pro výrobu chemikálií a materiálů s vysokou přidanou hodnotou. Výzkum se zaměřil na molekulu 5-hydroxymethylfurfuralu, která vzniká z cukrů obsažených v rostlinné biomase a je považována za jeden z klíčových meziproduktů moderních biorafinerií. Její řízenou oxidací lze získat 2,5-furandikarboxylovou kyselinu, sloučeninu využitelnou jako základní stavební jednotku biopolymerů, například plastu PEF, který je ekologickou alternativou běžně používaného PET. Dosavadní průmyslové postupy výroby této látky jsou však technologicky náročné. Často vyžadují silně zásadité prostředí, zvýšené teploty nebo tlak. Přesto trpí nízkou selektivitou, což vede ke vzniku nežádoucích vedlejších produktů a vyšší energetické náročnosti. Současný výzkum se proto snaží nalézt nové přístupy, které by umožnily tuto chemickou přeměnu řídit pomocí světelné energie za mírnějších a ekologicky šetrnějších podmínek.

Dokonalá souhra

Nově vyvinutý katalyzátor je založen na kombinaci nanostrukturovaného nitridu titanu a extrémně malých nanočástic slitiny ruthenia a platiny. Nitrid titanu slouží jako materiál, který velmi účinně pohlcuje světlo, zejména jeho infračervenou složku, a přeměňuje jej na energeticky bohaté elektrony a lokální teplo. Tyto efekty následně podporují aktivaci molekulárního kyslíku na povrchu katalyticky aktivních nanočástic, kde probíhá vlastní chemická reakce.

„Klíčové je, že jednotlivé složky katalyzátoru spolupracují v dokonalé součinnosti. Díky tomu dokážeme velmi přesně řídit oxidaci 5-hydroxymethylfurfuralu a dosáhnout téměř úplné přeměny na cílový produkt bez použití silných chemických přísad nebo extrémních reakčních podmínek. Ve srovnání s dosavadními technologiemi je proces výrazně selektivnější, energeticky úspornější a produkuje podstatně méně odpadu,“ uvedl jeden z korespondenčních autorů studie Štěpán Kment z Univerzity Palackého.

Jde o nový koncept pro přeměnu biomasy

Autoři studie zdůrazňují, že tento přístup umožňuje aktivovat kyslík zcela odlišným způsobem než u běžných katalytických systémů. Díky tomu lze reakci vést ve vodném prostředí bez přídavku zásad a zároveň se vyhnout neselektivním reakcím, které by vedly ke ztrátám materiálu. Výsledkem je vysoce účinný a přesně řízený proces vhodný pro budoucí aplikace.

Podle vědců představuje tato plazmonická katalytická platforma dosud nevyužitý koncept v oblasti přeměny biomasy. „Otevírá nové možnosti pro budoucí biorafinerie, které by mohly ze sluneční energie a obnovitelných surovin vyrábět plasty, rozpouštědla a další chemické produkty s výrazně nižší uhlíkovou stopou než současné průmyslové technologie,“ uzavřel Kment.

Na výzkumu se podíleli vědci z CATRIN Univerzity Palackého a Centra energetických a environmentálních technologií i národního superpočítačového centra IT4Innovations na VŠB-TUO ve spolupráci s partnery z Číny, Itálie a Spojených států amerických.

 

 

 

 

 

 

 

Nejprve cena za nejlepší dětskou knihu veletrhu v Havlíčkově Brodě. Pak beznadějně vyprodaný první náklad a vydání očekávaného dotisku. A nyní oficiální „razítko“ ministerstva školství. Hravá a interaktivní učebnice Filmouka si už více než dva roky získává čtenářské sympatie učitelů, rodičů i dětí a nejnověji ji také ministerstvo školství doporučuje jako vstupenku do světa filmu pro žáky 2. stupně základních škol a nižších ročníků víceletých gymnázií. Schvalovací doložku ve všech Filmoukách avizuje komiksová samolepka.

Filmouka. Průvodce světem filmu a audiovize je unikátní publikací na pomezí hravé, komiksové učebnice a populárně-naučné literatury, která zábavnou formou přibližuje dětským čtenářům svět filmu ze všech úhlů pohledu. Důraz na interaktivní pojetí, vlastní aktivity, pestré texty i grafiky a propojení s multimediálním webem z ní činí komplexní materiál, který je vhodný jak k individuálnímu čtení v dětském pokoji, tak ke skupinové práci ve výuce.

„Udělení doložky od MŠMT je pro nás definitivním stvrzením, že jsme skutečně vytvořili učebnici. A ještě k tomu natolik kvalitní, že ji doporučuje jako vhodnou do výuky naše nejvyšší školská instituce. Nezbývá než si přát, aby se s ní učilo co nejvíce žákyň a žáků. Určitě si to zaslouží,“ říká Petr Pláteník, editor knihy a člen Asociace pro filmovou a audiovizuální výchovu, která za nápadem i autorským zpracováním Filmouky stojí.

„O kvalitě Filmouky jsme byli přesvědčeni od samého začátku. Získání schvalovací doložky to jen potvrdilo. Jestli to pro učebnici znamená svatý grál, uvidíme. Ředitelé základních škol mohou učebnici nakoupit a půjčovat žákům k výuce. Stále však platí, že klíčový je postoj učitelů. Musí vzít audiovizuální výchovu za svou, protože většina komunikace jejich žáků už dnes probíhá audiovizuálně a je dobré ji kultivovat a učit se navzájem,“ doplňuje Aleš Prstek, ředitel Vydavatelství Univerzity Palackého, které učebnici vydalo a je jejím hlavním distributorem.

Zájemci si mohou Filmouku pořídit na e-shopu Vydavatelství UP a u dobrých knihkupců. Více informací o Filmouce nabízí web www.filmouka.cz. Jeho součástí je mj. také bezplatná metodická příručka pro učitele.

Asociace pro filmovou a audiovizuální výchovu rovněž nabízí skrze své regionální ambasadory workshopy či ukázkové hodiny pro učitele, které přibližují, jak se dá zábavnou formou film a audiovizuální svět obecně ve školách vyučovat (ať už samostatně, nebo jakou součást jiných předmětů).

Nejprve cena za nejlepší dětskou knihu veletrhu v Havlíčkově Brodě. Pak beznadějně vyprodaný první náklad a vydání očekávaného dotisku. A nyní oficiální „razítko“ ministerstva školství. Hravá a interaktivní učebnice Filmouka si už více než dva roky získává čtenářské sympatie učitelů, rodičů i dětí a nejnověji ji také ministerstvo školství doporučuje jako vstupenku do světa filmu pro žáky 2. stupně základních škol a nižších ročníků víceletých gymnázií. Schvalovací doložku ve všech Filmoukách avizuje komiksová samolepka.

Filmouka. Průvodce světem filmu a audiovize je unikátní publikací na pomezí hravé, komiksové učebnice a populárně-naučné literatury, která zábavnou formou přibližuje dětským čtenářům svět filmu ze všech úhlů pohledu. Důraz na interaktivní pojetí, vlastní aktivity, pestré texty i grafiky a propojení s multimediálním webem z ní činí komplexní materiál, který je vhodný jak k individuálnímu čtení v dětském pokoji, tak ke skupinové práci ve výuce.

„Udělení doložky od MŠMT je pro nás definitivním stvrzením, že jsme skutečně vytvořili učebnici. A ještě k tomu natolik kvalitní, že ji doporučuje jako vhodnou do výuky naše nejvyšší školská instituce. Nezbývá než si přát, aby se s ní učilo co nejvíce žákyň a žáků. Určitě si to zaslouží,“ říká Petr Pláteník, editor knihy a člen Asociace pro filmovou a audiovizuální výchovu, která za nápadem i autorským zpracováním Filmouky stojí.

„O kvalitě Filmouky jsme byli přesvědčeni od samého začátku. Získání schvalovací doložky to jen potvrdilo. Jestli to pro učebnici znamená svatý grál, uvidíme. Ředitelé základních škol mohou učebnici nakoupit a půjčovat žákům k výuce. Stále však platí, že klíčový je postoj učitelů. Musí vzít audiovizuální výchovu za svou, protože většina komunikace jejich žáků už dnes probíhá audiovizuálně a je dobré ji kultivovat a učit se navzájem,“ doplňuje Aleš Prstek, ředitel Vydavatelství Univerzity Palackého, které učebnici vydalo a je jejím hlavním distributorem.

Zájemci si mohou Filmouku pořídit na e-shopu Vydavatelství UP a u dobrých knihkupců. Více informací o Filmouce nabízí web www.filmouka.cz. Jeho součástí je mj. také bezplatná metodická příručka pro učitele.

Asociace pro filmovou a audiovizuální výchovu rovněž nabízí skrze své regionální ambasadory workshopy či ukázkové hodiny pro učitele, které přibližují, jak se dá zábavnou formou film a audiovizuální svět obecně ve školách vyučovat (ať už samostatně, nebo jakou součást jiných předmětů).

V době geopolitické nejistoty, rostoucích kybernetických hrozeb a rychlého nástupu kvantových počítačů se bezpečná komunikace stává jedním z klíčových témat současnosti. Systémy, na nichž stojí státní správa, finanční sektor i kritická infrastruktura, jsou čím dál zranitelnější. Právě touto výzvou se inspiruje nový výzkum vědců z katedry optiky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého, kteří ve spolupráci s Dánskou technickou univerzitou (DTU) navrhli nový přístup ke kvantové distribuci klíčů (QKD).

Mechanismus QKD využívá principy kvantové fyziky k bezpečnému sdílení šifrovacích klíčů pomocí kvantových stavů světla. Jakýkoli pokus o odposlech se v takovém systému projeví a lze jej odhalit. Dosavadní QKD systémy však fungují převážně bod–bod: jeden odesílatel, jeden příjemce, jedno spojení. To se v dnešních hustých a dynamických komunikačních sítích ukazuje jako zásadní omezení. Tým z Olomouce a DTU proto přišel s řešením typu „jeden k mnoha“. Navržený protokol umožňuje z centrálního zdroje současně a nezávisle distribuovat kvantové šifrovací klíče více uživatelům. Tento koncept je součástí širší architektury nazvané continuous-variable quantum passive optical network (CV-QPON) – pasivní optické kvantové sítě založené na spojitých proměnných.

Poslední míle

Jedním z hlavních cílů CV-QPON je řešení tzv. problému poslední míle. Zatímco páteřní optické sítě lze relativně dobře zabezpečit, připojení jednotlivých uživatelů – domácností, institucí či firem – je technologicky i ekonomicky náročné. V kvantové komunikaci je tento problém ještě vyhrocenější: kvantové signály jsou křehké a tradiční řešení vyžadují drahé a specializované vybavení pro každý jednotlivý spoj. CV-QPON tento přístup zásadně mění. Místo budování samostatných kvantových spojení propojuje více uživatelů jedním sdíleným kvantovým signálem a využívá standardní telekomunikační hardware. Díky tomu nabízí praktičtější a lépe škálovatelné řešení, zejména pro městské a metropolitní sítě.

„Pokud si kvantovou komunikaci představíte jako řeku, současné protokoly fungují jako posílání zpráv v lahvích,“ vysvětluje jeden z hlavních autorů studie Ivan Derkach z katedry optiky. „Každá lahev je jeden foton, jeden spoj, jeden klíč. My jsme si položili otázku: co kdybychom místo toho dokázali číst samotnou řeku?“

Bezpečnost ve sdíleném světě

Tímto přístupem se vědci dostávají ke kvantové distribuci klíčů založené na spojitých proměnných (CV-QKD). Informace se zde nekóduje do jednotlivých fotonů, ale do spojitých fluktuací kvantového světelného pole – například jeho amplitudy a fáze. Jeden zdroj tak může obsluhovat více příjemců, kteří si ze stejného signálu odvozují své vlastní, vzájemně nezávislé a soukromé klíče.

„Upřednostňujeme jednoduchost, rychlost a kapacitu přenosu informaci, které jsou pro reálné sítě klíčové.“ Vladyslav Usenko

Sdílený signál ale přirozeně vyvolává otázky důvěry mezi uživateli. Autoři protokolu je řeší pragmaticky: bezpečnost není založena na složitých předpokladech o chování ostatních uživatelů, ale na fyzikálně měřitelných veličinách, zejména na amplitudě přijímaného optického signálu. Uživatelé si mohou sami nastavit míru důvěry a úroveň zabezpečení svých klíčů podle konkrétní situace.

„Je to vědomý kompromis,“ říká Vladyslav Usenko z katedry optiky, který vede tým teorie kvantové komunikace. „Upřednostňujeme jednoduchost, rychlost a kapacitu přenosu informaci, které jsou pro reálné sítě klíčové.“

Spolupráce s Dánskou technickou univerzitou

Výzkum vznikl v rámci dvou významných evropských iniciativ, v nichž je Vladyslav Usenko hlavním řešitelem za Univerzitu Palackého: projektu CVStar programu QuantERA, podpořeného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy ČR, a vlajkového projektu Evropské unie v oblasti kvantových technologií QSNP. Klíčovou roli sehrála také spolupráce s Dánskou technickou univerzitou, dodatečně podpořená grantem GA ČR Outgoing Fellowship Ivana Derkacha, která umožnila propojit teoretické návrhy s reálnými možnostmi současných telekomunikačních sítí.

„Pomohli nám udržet návrh při zemi,“ říká Radim Filip, vedoucí skupiny teorie kvantové optiky na UP. „Cílem bylo vytvořit základní protokol, který nebude fungovat jen na papíře, ale bude respektovat omezení skutečné optické komunikace.“

Silnou stránkou CV-QPON je jeho kompatibilita se stávající optickou síťovou infrastrukturou. Nevyžaduje exotické zdroje ani speciální detektory, což výrazně zvyšuje šanci na jeho budoucí využití v praxi.

Jak se kvantové technologie postupně přesouvají z laboratoří do reálného světa, bude řešení problémů, jako je bezpečná a škálovatelná „poslední míle“, čím dál naléhavější. Práce vědců z katedry optiky Přírodovědecké fakulty UP, publikovaná v prestižním časopise Light: Science & Applications od Nature, ukazuje, že kvantová komunikace nemusí být jen výsadou izolovaných spojů – může být sdílená, praktická a připravená pro skutečné sítě.

V době geopolitické nejistoty, rostoucích kybernetických hrozeb a rychlého nástupu kvantových počítačů se bezpečná komunikace stává jedním z klíčových témat současnosti. Systémy, na nichž stojí státní správa, finanční sektor i kritická infrastruktura, jsou čím dál zranitelnější. Právě touto výzvou se inspiruje nový výzkum vědců z katedry optiky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého, kteří ve spolupráci s Dánskou technickou univerzitou (DTU) navrhli nový přístup ke kvantové distribuci klíčů (QKD).

Mechanismus QKD využívá principy kvantové fyziky k bezpečnému sdílení šifrovacích klíčů pomocí kvantových stavů světla. Jakýkoli pokus o odposlech se v takovém systému projeví a lze jej odhalit. Dosavadní QKD systémy však fungují převážně bod–bod: jeden odesílatel, jeden příjemce, jedno spojení. To se v dnešních hustých a dynamických komunikačních sítích ukazuje jako zásadní omezení. Tým z Olomouce a DTU proto přišel s řešením typu „jeden k mnoha“. Navržený protokol umožňuje z centrálního zdroje současně a nezávisle distribuovat kvantové šifrovací klíče více uživatelům. Tento koncept je součástí širší architektury nazvané continuous-variable quantum passive optical network (CV-QPON) – pasivní optické kvantové sítě založené na spojitých proměnných.

Poslední míle

Jedním z hlavních cílů CV-QPON je řešení tzv. problému poslední míle. Zatímco páteřní optické sítě lze relativně dobře zabezpečit, připojení jednotlivých uživatelů – domácností, institucí či firem – je technologicky i ekonomicky náročné. V kvantové komunikaci je tento problém ještě vyhrocenější: kvantové signály jsou křehké a tradiční řešení vyžadují drahé a specializované vybavení pro každý jednotlivý spoj. CV-QPON tento přístup zásadně mění. Místo budování samostatných kvantových spojení propojuje více uživatelů jedním sdíleným kvantovým signálem a využívá standardní telekomunikační hardware. Díky tomu nabízí praktičtější a lépe škálovatelné řešení, zejména pro městské a metropolitní sítě.

„Pokud si kvantovou komunikaci představíte jako řeku, současné protokoly fungují jako posílání zpráv v lahvích,“ vysvětluje jeden z hlavních autorů studie Ivan Derkach z katedry optiky. „Každá lahev je jeden foton, jeden spoj, jeden klíč. My jsme si položili otázku: co kdybychom místo toho dokázali číst samotnou řeku?“

Bezpečnost ve sdíleném světě

Tímto přístupem se vědci dostávají ke kvantové distribuci klíčů založené na spojitých proměnných (CV-QKD). Informace se zde nekóduje do jednotlivých fotonů, ale do spojitých fluktuací kvantového světelného pole – například jeho amplitudy a fáze. Jeden zdroj tak může obsluhovat více příjemců, kteří si ze stejného signálu odvozují své vlastní, vzájemně nezávislé a soukromé klíče.

„Upřednostňujeme jednoduchost, rychlost a kapacitu přenosu informaci, které jsou pro reálné sítě klíčové.“ Vladyslav Usenko

Sdílený signál ale přirozeně vyvolává otázky důvěry mezi uživateli. Autoři protokolu je řeší pragmaticky: bezpečnost není založena na složitých předpokladech o chování ostatních uživatelů, ale na fyzikálně měřitelných veličinách, zejména na amplitudě přijímaného optického signálu. Uživatelé si mohou sami nastavit míru důvěry a úroveň zabezpečení svých klíčů podle konkrétní situace.

„Je to vědomý kompromis,“ říká Vladyslav Usenko z katedry optiky, který vede tým teorie kvantové komunikace. „Upřednostňujeme jednoduchost, rychlost a kapacitu přenosu informaci, které jsou pro reálné sítě klíčové.“

Spolupráce s Dánskou technickou univerzitou

Výzkum vznikl v rámci dvou významných evropských iniciativ, v nichž je Vladyslav Usenko hlavním řešitelem za Univerzitu Palackého: projektu CVStar programu QuantERA, podpořeného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy ČR, a vlajkového projektu Evropské unie v oblasti kvantových technologií QSNP. Klíčovou roli sehrála také spolupráce s Dánskou technickou univerzitou, dodatečně podpořená grantem GA ČR Outgoing Fellowship Ivana Derkacha, která umožnila propojit teoretické návrhy s reálnými možnostmi současných telekomunikačních sítí.

„Pomohli nám udržet návrh při zemi,“ říká Radim Filip, vedoucí skupiny teorie kvantové optiky na UP. „Cílem bylo vytvořit základní protokol, který nebude fungovat jen na papíře, ale bude respektovat omezení skutečné optické komunikace.“

Silnou stránkou CV-QPON je jeho kompatibilita se stávající optickou síťovou infrastrukturou. Nevyžaduje exotické zdroje ani speciální detektory, což výrazně zvyšuje šanci na jeho budoucí využití v praxi.

Jak se kvantové technologie postupně přesouvají z laboratoří do reálného světa, bude řešení problémů, jako je bezpečná a škálovatelná „poslední míle“, čím dál naléhavější. Práce vědců z katedry optiky Přírodovědecké fakulty UP, publikovaná v prestižním časopise Light: Science & Applications od Nature, ukazuje, že kvantová komunikace nemusí být jen výsadou izolovaných spojů – může být sdílená, praktická a připravená pro skutečné sítě.