Kvantové tečky: jak rozměr mění fyziku materiálu

Co se stane, když se dvourozměrný materiál zmenší na částice velké jen jeden až dva nanometry? Nová studie Miroslava Kolose ze Skupiny fyziky nanostruktur Katedry fyziky ukazuje, že samotné zmenšení může změnit atomovou i elektronovou strukturu materiálu – a s ní i to, jak reaguje s okolím a jaké má vlastnosti. Výsledky publikoval časopis Small.

Výzkum se zaměřil na MXeny – karbidy nebo nitridy přechodných kovů, které tvoří vrstvy silné jen několik atomů. Dobře vedou elektrický proud, jejich povrch lze chemicky upravovat, a proto se zkoumají i jako možní pomocníci při čištění životního prostředí.

„Představte si MXeny třeba nějakou síť nebo síťku. Když z ní vystřihneme tečku (kolečko), budou její okraje všude blízko a atomy tím získají více prostoru změnit své uspořádání a spojí se do trojúhelníku. Díky tomu se změní rozložení elektronů v materiálu, což usnadní rozpojení vazby mezi uhlíkem a chlorem,“ vysvětluje autor studie RNDr. Miroslav Kolos, Ph.D., z Katedry fyziky Přírodovědecké fakulty OU a ze Skupiny fyziky nanostruktur.

Tečky, které modeloval, měří asi jeden až dva nanometry – desítky tisíckrát méně, než je tloušťka lidského vlasu. V tak malé částici, navíc nového tvaru, jsou okraje všude blízko a atomy mají víc volnosti. Uhlíková kostra materiálu se proto může lokálně přestavět, což je ve větších strukturách, jako jsou rozlehlé vrstvy nebo úzké pásky, energeticky silně nevýhodné.

„Z fyzikálního pohledu je pro mě nejzajímavější, že jsme vůbec nemuseli měnit chemické složení materiálu. Změnili jsme jeho rozměr, a tím otevřeli skryté stupně volnosti jeho uhlíkové podsítě, což umožnilo materiálu přejít do jiného strukturního a elektronového stavu. Tato změna se pak výrazně projevila v jeho reaktivitě,“ dodává Miroslav Kolos.

Příklad: odstranění škodlivin z podzemních vod

Co tato změna znamená pro chemické chování materiálu, ukázal Kolos na trichlorethylenu – průmyslovém rozpouštědle, které dlouhodobě znečišťuje životní prostředí. Nejběžnější MXeny s povrchem pokrytým kyslíkem jsou vůči štěpení vazby mezi uhlíkem a chlorem v jeho molekule málo aktivní. Přestavěná kvantová tečka ale tuto reakci výrazně usnadňuje a mění ji na energeticky výhodnou.

Podobný účinek ukázaly výpočty i u dalších chlorovaných ethenů, například u vinylchloridu, který vzniká při postupném rozkladu trichlorethylenu. Popsaný mechanismus tedy není omezen jen na jednu látku.

Princip, který čeká na experiment

Studie tak ukazuje obecnější princip: samotná změna rozměru nanomateriálu může zpřístupnit nová uspořádání atomů a elektronové stavy, které zásadně změní jeho vlastnosti. Výsledky mohou být zajímavé pro základní fyziku materiálů o velmi malých rozměrech i pro budoucí návrh nanomateriálů určených například k odstraňování znečištění z podzemních vod.

Jde o výsledky výpočtů. Zda se popsané uspořádání tvoří i ve skutečně vyrobených kvantových tečkách, musí ověřit experimenty. Studie proto navrhuje znaky, podle nichž ho lze v laboratoři hledat.

Navazuje na dlouholetý výzkum

Výzkum navazuje na jednu z dlouhodobějších linií Katedry fyziky, zaměřenou na teoretické studium materiálů pro dechloraci trichlorethylenu a dalších chlorovaných látek, tedy pro odstraňování chloru z jejich molekul. Toto zaměření se začalo rozvíjet také ve spolupráci s doc. Danielem Tunegou z vídeňské univerzity BOKU a v uplynulých letech vedlo k několika publikacím, například o reaktivitě trichlorethylenu na sulfidech železa, nanočásticích nitridů železa nebo na MXenech. Doc. Daniel Tunega od srpna 2026 působí na Katedře fyziky Ostravské univerzity na plný úvazek.

Studie vyšla v časopise Small jako jednoautorská práce Miroslava Kolose. Výpočty proběhly v Národním superpočítačovém centru IT4Innovations.

Výzkum vznikl v rámci strategického projektu Life Environment Research Center Ostrava (LERCO), registrační číslo CZ.10.03.01/00/22_003/0000003, financovaného Evropskou unií prostřednictvím Operačního programu Spravedlivá transformace.

Studie: Kolos, M.: Dimensionality-Driven Carbon Reconstruction Activates MXene Quantum Dots for Dechlorination. Small (2026), e74898. DOI: 10.1002/smll.74898

Zveřejněno / aktualizováno: 19. 10. 2026