New York, Londýn, Madrid, Moskva, Minsk – ve všech těchto městech udeřily během posledních let pumové útoky teroristů.  Hrozba útoků však vyprovokovala i protitah na straně vědců, kteří se snaží vyvinout pokud možno jednoduchou a účinnou metodu včasného odhalení přítomnosti výbušnin. O nový objev přispívající ke světovému bezpečí se postarali i čeští vědci.

V pomyslných »závodech ve zbrojení« s organizovaným zločinem tahají kriminalisté vždy za ten kratší konec. Zatímco teroristé či pašeráci drog dobře vědí, čeho se hodlají dopustit, kriminalistům nezbývá nic jiného, než se pokoušet jejich záměry odhadnout předem.

Pomocnou ruku jim naštěstí nabízí rozsáhlý vědecký výzkum. Po nové, levné a účinné metodě včasné detekce výbušnin pátrají ve spolupráci s pardubickou firmou Explosia i vědci z Oddělení spektroskopie pražského Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského.

A pátrání je to skutečně dobrodružné. I přesto, nebo spíše právě proto, se během něj musí projít po řadě slepých cest.

Nemalý seznam nároků

Zabránit tomu, aby se na palubu letadla či důležitého vládního úřadu nedostaly trhaviny, je úkol velmi složitý. Vědci totiž musejí vyhovět skutečně velkému množství požadavků. V první řadě je důležité, aby byl takový přístroj dostatečně efektivní a přesný. Zdržování provozu na letišti je totiž cena, kterou by chtěl platit jen málokdo.

Dalším úkolem pro vědce je, aby byl výsledný přístroj levný natolik, aby se mohl stát zcela běžnou součástí každodenního života. Neměl by také být náročný na obsluhu. Jen málokteré letiště si totiž může dovolit platit množství vlastních kvalifikovaných fyziků.

Tím však výčet zdaleka nekončí – řada z nároků má charakter již vysloveně vědecký. Přístroj musí dobře fungovat za běžných atmosférických podmínek (tedy zejména při běžných teplotách a tlacích), měl by být schopen detekovat i stopové množství podezřelých látek, a to i v případě, že budou dobře zabaleny.

Zdá se vám výčet úkolů kladených na vědce, až příliš velký? Ano, máte pravdu. Není proto divu, že na jejich splnění pracuje řada vědeckých týmů v oblasti základního i aplikovaného výzkumu.

Spektroskopie se představuje

Hozenou rukavici se před několika lety rozhodli zvednout vědci z Laboratoře laserové spektroskopie Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského pod vedením doc. RNDr. Svatopluka Civiše, CSc. Právě spektroskopie, která zahrnuje několik metod fyzikální analytické chemie, je totiž jedním z velmi efektivních způsobů, jak zjistit složení látek v zadaném vzorku.

A proč vlastně hovoříme o spektroskopii? Jak již název napovídá, je většina spektroskopických metod zkoumáním toho, jak jisté látky reagují na přítomnost elektromagnetického vlnění. Výhodou laboratorních spektroskopických metod je, že vědci mohou na jednotlivé molekuly »svítit« nejen viditelným světlem, ale i nejrůznějšími typy vlnění o různé energii a vlnové délce (např. UV zářením či rádiovými vlnami.).

21. STOLETÍ vysvětluje:

Abychom složitou věc ilustrovali příkladem – takovým přirozeným »spektroskopem« je vlastně i naše oko. Oči totiž fungují tak, že registrují interakci viditelného světla s objekty kolem nás. Některé látky například odrážejí světlo o vlnové délce 520 až 565 nm.

Nesmírně složitá kaskáda biochemických procesů v našich světločivných orgánech a v mozku nakonec způsobí, že vnímáme zelenou barvu. Naše oko tak vlastně spektroskopicky určilo, že v rostlině je přítomno zelené barvivo, chlorofyl.

Z Pardubic do Prahy

Než však vznikne přístroj, s nímž se budeme setkávat při svých návštěvách letišť, je třeba nejprve zjistit, po čem by měl vlastně pátrat.

To se však mnohem snadněji řekne, než udělá. K vytvoření databáze produktů rozkladu výbušnin je totiž kromě analýzy odparu výbušniny třeba i nějakým způsobem nasimulovat skutečný výbuch. K něčemu tak obtížnému však není každé pracoviště vybaveno.

V průběhu svých výzkumů se vědci pod vedením docenta Civiše proto spojili s pardubickou firmou Explosia, která je pro simulování výbuchů v explozních komorách dobře vybavená. „Ukázalo se však, že převážení vzorku mezi Pardubicemi, kde vznikl, a Prahou, kde se nachází náš spektrometr, mělo své nevýhody.

Po návratu do Prahy bylo zplodin ve vzorku již příliš málo,“ přibližuje porodní bolesti projektu Svatopluk Civiš. Vědci proto obrátili svou pozornost k i jiným metodám.

Laser a tableta

Jednou z možností, jak se dopátrat obsahu vzorku, je práce s laserem. Konkrétně jde o metodu, během níž se krátkými pulzy laserového paprsku »odstřelují« látky a vzniká plazma (tzv. emisní spektroskopie laserem indukovaného plazmatu – LIBS).

A jak takový pokus vypadá? Sledovaná látka se nanese na destičku, do níž postupně „pálí“ laser. Díky těmto krátkým energetickým dotacím vznikne vysokoteplotní plazma (teplota závisí jak na intenzitě pulzu, tak na složení vzorku), které existuje po dobu 10–100 miliontin sekundy (pro srovnání:

mrknutí oka trvá přibližně 3–4 desetiny sekundy). I tato kraťoučká doba však vědcům stačí na to, aby byli schopni určit její složení.

Překonání problému

K tomu slouží spektrometry, které naleznou světlo generované vzniklou plazmou ve viditelné a ultrafialové časti spektra (UV/VIS). I zde se však vědci museli potýkat s jistým problémem. „Časem jsme zjistili, že nám ve vzorku »svítí« spektrum hliníku, který měl původ v podložce, na níž byl vzorek nanesen.

Nakonec jsme tedy museli vylisovat dostatečně silnou tabletu tak, aby byla schopná pojmout velké množství laserových pulzů, aniž by laser odpařoval i podložní hliníkovou destičku,“ dodává spoluúčastník výzkumů a pokračovatel vědecké tradice rodiny Civišů, Mgr. Martin Civiš, Ph.D.

Ionty v trubici

Potíže stavějící se vědcům během bádání do cesty však jako by nikdy nekončily. Rozložit výbušninu pomocí laserových impulzů je jistě úžasný a efektivní nástroj. Problém ovšem nastává v momentě, kdy je třeba přesně zjistit, co vlastně díky této »střelbě« vzniklo.

Metodě založené na detekci emisního záření ze vzniklé plazmy totiž ledasjaká látka »uteče«, a je proto třeba tuto metodu doplnit metodou další. Vědci soustředění okolo docenta Civiše měli štěstí, že přímo v budově jejich ústavu pracuje tým profesora Patrika Španěla, kterému se podařilo sestrojit již relativně malý přístroj využívající další spektrometrickou metodu, známou pod zkratkou SIFT-MS.

Tento relativně nový přístup umožňuje nalézt různé látky (efektivní je zejména vůči látkám organickým) ve velmi malém množství, které vznikají pomocí ionizačních reakcí s třemi »pomocnými« ionty: H3O+, NO+  a O2+.

Běžně se používá např. pro odhalení látek vznikajících při spalování pohonných hmot či k analýze složek lidského dechu (o výzkumech týmu prof. Španěla jsme informovali ve 21. STOLETÍ č. 5/2011). Pro výzkum výbušnin však čeští vědci využili tuto metodu úplně poprvé.

Náhrada za policejního psa

Při svém hledání ideální metody k »vyčenichání« výbušniny se čeští vědci dostali nakonec až k metodě, která se mezi analytickými chemiky dostává čím dál více do kurzu, k takzvané nukleární kvadrupólové rezonanci (NQR).

Má totiž jednu velkou výhodu – látky není třeba přeměnit v plyn ani plazma, ale bohatě postačí, zůstanou-li v pevném stavu.

Stačí jí navíc malé množství látky a celá procedura netrvá déle než několik desítek vteřin. Její využití se tedy nabízí nejen pro hledání výbušnin, ale i jiných ilegálních látek, třeba pašovaných drog.

Přístroj využívá elektromagnetického impulzu v oblasti nízkých frekvencí rádiových vln. Ten bez problémů projde nejrůznějšími obaly. Když se tento impulz navrátí do detektoru (tzv. echo), dokážou vědci na základě polohy signálu ve frekvenčním spektru určit neznámou látku.

Vyhledávají se zejména takové obsahující jádro atomu dusíku 14N, který je součástí řady výbušnin (pentrit, hexogen, TNT) a také právě narkotik.

Pátrání po spolupráci

Na papíře vypadá celá věc jednoduše, ale zrealizovat myšlenku využití této úžasné metody v praxi je již jiná věc. Přístroje s vhodnými charakteristikami totiž nejsou standardně k dispozici, a vědci si tak musejí vyrobit přístroje vlastní.

„Naše možnosti jsou při konstruování složité techniky omezené. Jsme přece jen chemici a složitá elektronika je poněkud nad naše možnosti,“ vysvětluje další ze členů vědeckého týmu Ústavu fyzikální chemie, Ing. Jiří Kubišta.

Ph.D. „V současné době proto hledáme firmu, která by se ujala výroby podle prototypu. Ten jsme vybudovali v našem ústavu. Nejslibněji dnes vypadá jednání s brněnskou firmou Prototypa,“ dodává Jiří Kubišta.

Výsledkem společného snažení vědeckých týmů by pak měla být »krabička«, která bude relativně levná, přenosná a samozřejmě také rychlá. Půjde-li vše tak, jak si vědci představují, mohl by se výsledek objevit během několika málo příštích let.

Jak značkovat výbušninu?

*Pro lidi, kteří se věnují pátrání po přítomnosti výbušnin, je většinou důležité, aby mohli stopy po nich nalézt i ve vzduchu za zcela běžných atmosférických podmínek.

*Aby bylo něco takového možné, musí být hledaná látka alespoň do nějaké významné míry těkavá.

*Tato míra se většinou vyjadřuje prostřednictvím parametru, nazývajícího se tenze par. *Problémem však je, jak zjistit přítomnost látek (např. pentritu či hexogenu), které se za běžných podmínek prakticky neodpařují. I na to však myslí naše zákony.

*Součástí našeho Leteckého zákona jsou totiž požadavky, kladené tzv. Montrealskou dohodou. (Upozornění: nezaměňovat s tzv. »Montrealským protokolem« z roku 1987, který omezuje nakládání s látkami poškozujícími ozonovou vrstvu.).

*Z hlediska chemika nalezneme ve smlouvě důležité paragrafy o tom, že všechny plastické výbušniny musejí být označeny jakýmsi »chemickým podpisem«, tedy jednou ze 4 dohodnutých dobře se odpařujících látek (ethylenglykol dinitrát, dimethyl dinitrobutan, para-mononitrotoluen, ortho-mononitrotoluen).

*Teroristům však hraje do ruky to, že po celém světě stále ještě existuje velké množství starších výbušnin, které označkovány nejsou.

Co je vlastně výbušnina?

*Házení imaginárním granátem či detonování skryté výbušniny si v dětství vyzkoušel snad každý kluk. Zvuk výbuchu, pro který se jen těžko hledá adekvátní citoslovce, lze také krásně napodobit ústy. Co to vlastně ale ústa napodobují? Jinými slovy – co se vlastně děje při výbuchu?

*Výbuch vlastně není nic jiného, než velmi prudká chemická reakce, spojená s uvolněním energie ve formě tepla a světla. Uvolněná energie je příčinou přeměny látek z pevného či kapalného skupenství na skupenství plynné.

Uvolněné plyny velmi rychle expandují a vytvářejí tlakové rozdíly, které jsou pak vlastní příčinou detonace. V závěsu za rázovou vlnou se šíří stlačený vzduch, plameny a výbuchové zplodiny.

*Většina průmyslově vyráběných exploziv je složena z látek organického charakteru. Většina zplodin, které při výbuchu vzniknou, je proto výsledkem jejich »rozbití« na jednouché látky plynného skupenství, nejčastěji na CO, CO2, H2O, H2, O2, N2, NO, NH3, CH4, O, H, N či OH.

Vyslýchání molekul

*Když v roce 1880 slavný americký fyzik a fyziolog Alexandr Graham Bell pomocí pokusů se slunečním světlem poprvé pozoroval tzv. fotoakustický jev, zapsal si do svého diáře: „Slyšel jsem hlas Slunce“. A na jakém principu tedy fotoakustika, která se mezi tím stala díky práci řady velikánů experimentální fyziky relativně běžnou metodou, funguje?

*Jak již název napovídá, je to metoda založená na interakci elektromagnetických vln (tedy ona »foto« složka z názvu jevu) s hmotou. Akustická část spočívá v tom, že díky ozáření molekuly může vzniknout akustická vibrace.

Jak je to možné? Energie fotonu totiž molekulu »excituje« na vyšší vibrační hladinu. Jak se molekula snaží navrátit do svého základního stavu, vydá kinetickou energii, která způsobí ohřátí plynu, zvětšení jeho objemu a nakonec pro lidské ucho neslyšitelné »prasknutí«.

Supercitlivé mikrofony tento zvuk zachytí a následná analýza odhalí, jaká konkrétní molekula zvuk vydala.

*I tuto vynikající metodu vědci pro detekci výbušnin vyzkoušeli. Ukázalo se však, že pro jejich účely je doposud nedosažitelná – museli by totiž použít laditelný širokospektrální výkonný laser, který v té době neměli k dispozici.