Viktor Holubec: Snažím se pochopit, jak věci fungují

Viktor Holubec: Snažím se pochopit, jak věci fungují

Fyzika / rozhovor

„Zatímco u nás jdou na doktorát hlavně srdcaři, kteří se plánují živit výzkumem v akademické sféře, v Německu jde spousta studentů s podobným vzděláním do praxe,“ říká humboldtista a teoretický fyzik Viktor Holubec, který strávil tři a půl roku jako postdoktorand na Univerzitě v Lipsku.

Specializací dr. Viktora Holubce je termodynamika, obor fyziky, který zkoumá tepelné vlastnosti látek a procesy jejich přeměny (foto: archiv V. Holubce)
Specializací dr. Viktora Holubce je termodynamika, obor fyziky, který zkoumá tepelné vlastnosti látek a procesy jejich přeměny (foto: archiv V. Holubce)

Čtyři roky po obhájení doktorského titulu zamířil společně s manželkou a dvěma malými syny na zkušenou do Německa. Jako držitel prestižního Humboldtova stipendia dostal dr. Viktor Holubec příležitost spolupracovat s týmy teoretických a experimentálních fyziků Lipské univerzity. Během postdoktorského pobytu se podílel na vývoji nové experimentální metody, která umožňuje přesné řízení brownovských částic, tzv. mikroplavců. Jde o objekty mnohonásobně menší, než je průměr vlasu, které se dokáží pohybovat kapalinou a jednou by mohly sloužit jako chytré stroje transportující léčiva v lidském organismu.

Jak vypadá a funguje svět mikročástic?

Zabývám se hlavně tzv. brownovským světem, kde je pohyb jeho obyvatel už výrazně ovlivněn molekulárním charakterem světa, ale ještě ne jeho kvantově-mechanickým charakterem. Typickým obyvatelem Brownova světa jsou například bakterie. V každém okamžiku do bakterie naráží ze všech stran desetitisíce molekul vody konajících tepelný pohyb. Pokud bakterie aktivně neplave, je v důsledku těchto nárazů náhodně vláčena prostorem. Dalším důsledkem nárazů molekul je velké tření, které převládá nad inerciálními efekty. Usměrněný pohyb v důsledku plavání tedy přechází v pohyb náhodný prakticky okamžitě po posledním „tempu“.

Na tomto světě je fascinující zejména to, že je to svět biologických procesů probíhajících uvnitř našich buněk. Z teoretického hlediska pak to, že umožňuje intuitivní pochopení zákonů termodynamiky a statistické fyziky.

Co přesně se jako teoretický fyzik snažíte zjistit?

Jednak se snažím lépe porozumět procesům přeměny energie, což je důležité nejen pro pochopení některých buněčných dějů, ale i k prohloubení základů termodynamiky. Dále mě zajímá dynamika těchto systémů pod vlivem vnějších sil, vytvořených laboratorními přístroji, i těch vnitřních, způsobujících plavání samotných brownovských objektů. Tyto síly jsou často poměrně složité a vedou k bohaté dynamice, která je navíc zpestřena neoddělitelnou náhodností pohybu v Brownově světě.

Jaké přístroje a metody k výzkumu používáte?

Věnuji se tvorbě a řešení modelů, které popisují konkrétní situace. Z matematického hlediska jde o aplikaci teorie náhodných procesů a řešení příslušných stochastických a parciálních diferenciálních rovnic. V některých případech si tak při práci vystačím jen s tužkou a papírem. Kromě toho využívám i numerické a simulační metody na počítači. Moji experimentální kolegové používají ke kontrole a zkoumání Brownova světa hlavně optické systémy s lasery. Mezi takové přístroje patří třeba optická pinzeta, za jejíž objev byla v roce 2018 udělena Nobelova cena za fyziku Arthuru Ashkinovi.

Ačkoli jste teoretik, vaše výzkumy slibují praktické využití…

Modely, které vytvářím, slouží hlavně pro interpretaci experimentálních dat a obecných teoretických předpovědí. Právě na základě modelů je možné z experimentálních dat vyvodit, které efekty hrají klíčovou roli v daném systému. Tak například v naší poslední práci se nám povedlo prokázat důležitost zpoždění mezi zpracováním signálu a následnou reakcí pro pohyb v Brownově světě. Toto zpoždění ustanovuje určitou optimální rychlost pohybu v mikrosvětě. To je poznatek, který umožní nejen optimální kontrolu umělých brownovských částic, ale i novou interpretaci biologických experimentálních dat. Starší experimenty, na kterých jsem se podílel, pak kombinují neuvěřitelně přesnou kontrolu nad brownovskými částicemi s algoritmy strojového učení, což je důležitý krok ve vývoji autonomních mikroskopických robotů.

K čemu by jednou takoví miniaturní roboti mohli sloužit?

Krátkodobějším cílem je tvorba zařízení schopných lokálně dávkovat léčiva či opravovat poškozenou tkáň. Tady už jsme zaznamenali řadu úspěchů. Tato zařízení jsou inspirovaná chemickými procesy v lidském těle – reagují na pH či jiné indikátory stavu tkáně a pohybují se díky cirkulaci krve. Nejvyšší metou je sestrojení inteligentních a autonomních nanobotů, kteří budou umět adaptivně reagovat na své okolí a v koordinovaných skupinách plnit složité úkoly na základě stávajícího naprogramování.

Naznačujete, že věda má už celkem dobře nakročeno. Proč nás tedy nanoboti ještě neléčí? Co je hlavním problémem?

Hlavním problémem je miniaturizace zařízení, která by nanobotům umožnila vidět, myslet a případně se i pohybovat. Všechny tyto úkony zatím za naše nanoboty provádějí přístroje v laboratoři. Skutečně inteligentní nanoboti by do budoucna měli být schopni zpracovávat signál a aktivně reagovat, podobně jako to v přírodě umí třeba bakterie. Proto je teď naším dalším úkolem lépe pochopit, jak bakterie fungují, a pokusit se je napodobit.

Patříte mezi takzvané „humboldtisty“. V roce 2017 jste získal prestižní stipendium Humboldtovy nadace a odešel na tři roky bádat do Německa. Jak tuto zkušenost hodnotíte?

Myslím, že postdoktorandská stipendia od Humboldtovy nadace patří k tomu nejlepšímu, co je možné v Evropě získat. Nadace se o svoje „ovečky“ stará v době stipendia, ale i po něm. Poskytuje třeba různé cestovní granty nebo granty na vybavení laboratoře. Navíc jako humboldtista můžete po návratu domů žádat také o grant pro pobyt německého postdoktoranda na vaší domovské instituci. Pro mě osobně bylo nejdůležitější, že mi pobyt umožnil navázat dlouhodobou a plodnou spolupráci s kolegy v Lipsku. Zkušenost z několikaletého života mimo Českou republiku je také cenná.

V čem vás pobyt v zahraničí proškolil?

Můj hostitel v Lipsku, Klaus Kroy, mi dal velkou volnost a v podstatě mě nechal vést část jeho skupiny včetně několika doktorandů. Fungování skupiny teoretické fyziky na německé univerzitě jsem si tedy zažil z první ruky. Skvělá zkušenost byla a je i úzká spolupráce s experimentátory. Z běžného života má pravděpodobně nejsilnější zkušenost náš syn, který dva roky chodil do německé školky a teď je moc rád v té české. Snad mu ji brzy zase otevřou. Já jen dělil čas mezi práci, rodinu a občas fotbal, a žena se většinu času starala o děti. Obrovský rozdíl je samozřejmě v platech.

Proč jste se rozhodl odejít za zkušenostmi zrovna do Německa?

Ze zcela praktických důvodů. Zrovna se nám narodil druhý potomek a nechtěli jsme být příliš vzdáleni od rodiny. Z Lovosic, kde bydlím, je to do Lipska dvě hodiny autem. Navíc úzká spolupráce mezi teorií a experimentem, jaká existuje mezi skupinami v Lipsku, poskytuje ideální prostředí k výzkumu.

Jak jste se vlastně dostal k tématu svého výzkumu?

Skupinu Klause Kroye mi doporučil Philipp Maass z univerzity v Osnabrücku, se kterým spolupracuje můj školitel na MFF UK Petr Chvosta. Petr mě také zasvětil do výzkumu energetiky a dynamiky v Brownově světě. Moje současné zaměření na tzv. aktivní hmotu, což jsou jednak obyvatelé Brownova světa schopní samostatně „plavat“, ale také například ptáci, vzešlo ze spolupráce s kolegy v Lipsku.

Od chvíle, kdy jsem nastoupil na Matfyz, mám neustále nějakou nedodělanou práci, která mi brání v zaječích úmyslech. A tak už to asi bude napořád.

Panují mezi vědou u nás a bádáním v Německu velké rozdíly?

Mohu mluvit pouze o teoretické fyzice, kde vidím hlavní rozdíl v počtu studentů v doktorském studiu. U nás jdou na doktorát hlavně „srdcaři“, kteří se plánují živit výzkumem v akademické sféře. Až na výjimky není pro praktické uplatnění v Čechách doktorát z teoretické fyziky velkou výhodou. Naopak v Německu jde spousta studentů s podobným vzděláním do praxe. To má dva efekty. Za prvé, že v průmyslu jsou v Německu lidé s průměrně vyšším dosaženým vzděláním, a dá se tedy předpokládat, že výsledné produkty budou mít větší přidanou hodnotu. Za druhé, že ve vědě je hodně mladých lidí, kteří zastanou spoustu práce, což umožňuje tamním výzkumníkům řešit několik náročných projektů najednou. U nás jsme rádi za každého doktoranda.

Co by podle vás mohlo situaci zlepšit, abychom u nás měli více doktorandů? Jde hlavně o finance?

Finance samy o sobě překvapivě nejsou hlavním problémem. Mluvím z vlastní zkušenosti. Před nedávnem nás s Klausem kontaktoval zájemce o doktorské studium. V Lipsku zrovna nebyla volná pozice, a tak jsme mu nabídli místo v Praze, pro kterou jsem měl v té době adekvátní finanční krytí s tím, že by bylo stejné téma i školitelský tým. Zájemce ale odmítl.

Hlavní problém vidím jednak v malém uplatnění držitelů velkého doktorátu v praxi mimo akademickou sféru a dále ve stále ještě nedostatečné prestiži České republiky ve světě. Na tom druhém musíme pracovat my, vědci, a myslím, že jsme na dobré cestě. V tom prvním je potřeba změnit základ hospodářství tak, aby v něm měl větší podíl výzkum, vývoj a konstrukce nových technologií.

Vy sám jste měl vždycky jasno v tom, že se stanete fyzikem?

Neměl. Krátce jsem zvažoval studium informatiky. Pak jsem se ale rozhodl jít na fyziku, protože jsem chtěl lépe pochopit, jak věci fungují. A o to se snažím stále.

Co vás přimělo zůstat v akademické sféře? Spousta absolventů dá raději přednost lukrativnějšímu komerčnímu sektoru…

Od chvíle, kdy jsem nastoupil na Matfyz, mám neustále nějakou nedodělanou práci, která mi brání v zaječích úmyslech. A tak už to asi bude napořád. Práci v soukromém sektoru jsem si vyzkoušel během studia na MFF UK a těsně po něm v jiné firmě. I když jsem měl na obou pozicích velkou volnost, přece jen byla omezena zaměřením na konkrétní výsledek. To se s volností v akademické sféře, kde mohu zkoumat cokoli, co mě zrovna zajímá, nedá srovnávat.

Těšíte se každé ráno do práce, nebo někdy zažíváte také chvíle frustrace?

To je zvlášť v této nešťastné době vtipná otázka. Od začátku doby koronavirové pracuji převážně z domova a moje kancelář se tedy nachází deset kroků od mé postele. Chvíle frustrace zažívám pouze, když musím řešit nadbytečnou administrativu, psát grantové přihlášky, případně plnit termíny. Jinak je pro mě práce i koníčkem.

Ze stáže v Lipsku jste se vrátil v minulém roce. Co plánujete dál?

Momentálně řešíme s kolegy z Lipska a kolegou Ryabovem z MFF UK bilaterální grant GAČR-DFG zabývající se vlivem zpožděných interakcí na dynamiku a termodynamiku brownovských systémů. Paralelně se snažím o rozběhnutí a stabilizaci několika dalších zahraničních spoluprací zaměřených na nerovnovážnou statistickou fyziku a termodynamiku. Stále hledáme motivované a talentované studenty a přemýšlíme, co bude téma naší příští grantové aplikace – tak jako každý vědecký pracovník.


Mohlo by vás také zajímat:

Jan Hubička: Spousta nápadů vznikne u piva
Petr Hadrava: Kromě dobrých přístrojů jsou potřeba i dobré nápady
Michaela Valachová: K meteorologii mě přivedla skautská výzva

RNDr. Viktor Holubec, Ph.D. (* 1985)

Vystudoval teoretickou fyziku na Matematicko-fyzikální fakultě UK. Téměř čtyři roky strávil jako postdoktorand a držitel Humboldtova stipendia na Lipské univerzitě. V současnosti působí jako vědecký pracovník na Katedře makromolekulární fyziky MFF UK. Zabývá se výzkumem termodynamiky molekulárních systémů, statistickou fyzikou a tvorbou numerických a simulačních metod.