Profesor emeritus Keith Johnson, průkopník teorie materiálové vědy a nezávislý filmař, zemřel ve věku 89 let

Emeritní profesor MIT Keith H. Johnson, kvantový fyzik, který byl průkopníkem v používání teoretických metod v materiálové vědě a později aplikoval své znalosti do nezávislé tvorby filmů, zemřel v červnu v Cambridge v Massachusetts. Bylo mu 89 let.

Jako profesor na katedře materiálové vědy a inženýrství (DMSE) na MIT používal Johnson principy prvních principů k pochopení chování elektronů v materiálech – to znamená, že se obracel k základním zákonům přírody, aby vypočítal jejich chování, místo aby se spoléhal pouze na experimentální data. Tento přístup poskytl vědcům hlubší vhled do materiálů ještě předtím, než byly vyrobeny v laboratoři – a pomohl tak položit základ pro dnešní počítačově řízené metody objevování materiálů.

Profesor DMSE Harry Tuller, který s Johnsonem spolupracoval na začátku 80. let, poznamenává, že zatímco výpočty z prvních principů jsou dnes běžné, v té době byly neobvyklé.

„Fyzici pevných látek se většinou zaměřovali na modelování elektronické struktury materiálů, jako jsou polovodiče a kovy, pomocí rozšířených vlnových funkcí,“ říká Tuller a odkazuje na matematické popisy chování elektronů v krystalech – mnohem rychlejší metodu. „Keith patřil k menšině, která zvolila lokalizovanější chemický přístup.“

Tento lokalizovaný přístup umožnil Johnsonovi lépe zkoumat materiály s drobnými nedokonalostmi zvanými defekty, například v oxidu zinečnatém. Jeho metody zlepšily pochopení materiálů používaných v zařízeních, jako jsou čidla plynu a systémy štěpení vody pro vodíkové palivo. Dal mu také hlubší vhled do komplexních systémů, jako jsou supravodiče – materiály, které vedou elektřinu bez odporu – a molekulární materiály, jako jsou „buckybaly“.

Johnsonova zvědavost dostala kreativní podobu v roce 2001 filmem „Breaking Symmetry“, sci-fi thrilleru, který napsal, produkoval a režíroval. Film byl zveřejněn na YouTube v roce 2020 a má více než 4 miliony zhlédnutí.

Průkopnický teoretik na DMSE

Johnson se narodil v Readingu v Pensylvánii v roce 1936 a projevoval zájem o vědu již od dětství. „Po obdržení chemické sady jako dítě si postavil laboratoř v suterénu svých rodičů,“ říká jeho manželka Franziska Amacher-Johnsonová. „Jeho rané experimenty byly intenzivní – jednou dokonce vyvolaly evakuaci domu kvůli chemickým výparům.“

Bakalářský titul v oboru fyziky získal na Princetonské univerzitě a doktorát na Temple University v roce 1965. V roce 1967 nastoupil na MIT na tehdejší katedru metalurgie a materiálové vědy, kde pracoval téměř 30 let.

Jeho rané použití teorie v materiálové vědě vedlo k dalším průkopnickým objevům. K modelování chování elektronů v malých shlucích atomů – jako jsou povrchy materiálů, hranice mezi různými materiály zvané rozhraní a defekty – Johnson používal shlukové molekulární orbitální výpočty, kvantově mechanickou techniku, která se zaměřuje na to, jak se elektrony chovají v těsně seskupených atomových strukturách. Tyto výpočty poskytly vhled do toho, jak defekty a hranice ovlivňují výkon materiálu.

„To se velmi pěkně spojilo s našimi zájmy o pochopení rolí objemových defektů, energetických stavů rozhraní a povrchu na zrnitých hranicích a površích v kovových oxidech, které ovlivňují jejich výkon v různých zařízeních,“ říká Tuller.

V jednom projektu Johnson a Tuller společně vedli doktoranda, který prováděl jak experimentální testování zařízení z oxidu zinečnatého, tak teoretické modelování pomocí Johnsonových metod. V té době byla taková úzká spolupráce mezi experimentátory a teoretiky vzácná. Jejich práce vedla k „mnohem jasnějšímu a pokročilejšímu pochopení toho, jak povaha defektních stavů tvořených na rozhraních ovlivňuje jejich výkon, dávno předtím, než se tento typ spolupráce mezi experimentátory a teoretiky stal normou,“ řekl Tuller.

Johnsonovým hlavním výpočetním nástrojem byla další inovace zvaná metoda rozptýlených vln (také známá jako Xα multiple scattering). Ačkoli tato technika má kořeny v kvantové chemii a fyzice kondenzovaných látek z poloviny 20. století, Johnson byl přední osobností v jejím přizpůsobení pro materiálové aplikace.

Brian Ahern PhD ’84, jeden z Johnsonových bývalých studentů, vzpomíná na sílu jeho přístupu. V roce 1988, při hodnocení toho, zda lze určité supravodivé materiály použít v superpočítači nové generace pro Ministerstvo obrany, Ahern zpovídal přední vědce z celé země. Většina z nich sdílela optimistické hodnocení – s výjimkou Johnsona. Na základě hlubokých teoretických výpočtů Johnson ukázal, že podmínky nulového odporu potřebné pro takový stroj nejsou u dostupných materiálů realisticky dosažitelné.

„Nahlásil jsem Johnsonovy nálezy a program Pentagonu byl zrušen, čímž se ušetřily miliony dolarů,“ říká Ahern.

Od supravodičů k scénářům

Johnson zůstal fascinován supravodiči. Tyto materiály mohou vést elektřinu bez ztráty energie, což je činí klíčovými pro technologie, jako jsou přístroje MRI a kvantové počítače. Obvykle však pracují při kryogenních teplotách, které vyžadují drahé vybavení. Když vědci objevili takzvané vysokoteplotní supravodiče – materiály, které fungovaly při relativně teplejších, ale stále velmi nízkých (-300 stupňů Fahrenheita), teplotách – začal celosvětový závod o pochopení jejich chování a hledání supravodičů, které by mohly fungovat při pokojové teplotě.

Pomocí teoretických nástrojů, které dříve vyvinul, Johnson navrhl, že za supravodivost jsou zodpovědné vibrace malých molekulárních jednotek – odklon od konvenčního myšlení o tom, co způsobuje supravodivost. V článku z roku 1992 ukazoval, že tento model lze aplikovat na řadu materiálů, včetně keramiky a buckminsterfullerenů, přezdívaných buckybaly, protože jejich molekuly připomínají geodetické kopule architekta Buckminstera Fullera. Johnson předpověděl, že supravodivost při pokojové teplotě je nepravděpodobná, protože materiály potřebné k její podpoře by byly příliš nestabilní na to, aby spolehlivě fungovaly.

To ho však nezastavilo v představování vědeckých průlomů v beletrii. Konzultační cesta do Ruska po pádu Sovětského svazu vzbudila Johnsonův zájem o psaní scénářů. Mezi jeho scénáře patřil „Breaking Symmetry“, o mladém astrofyzikovi na fiktivní MIT, který objeví tajný výzkum radikálně nové energetické technologie. Když se dohoda o hollywoodské produkci nezdařila, Johnson se rozhodl film sám financovat a režírovat – a dokonce vytvořil i jeho speciální efekty.

I po svém předčasném odchodu do důchodu z MIT v roce 1996 Johnson pokračoval ve výzkumu. V roce 2021 publikoval článek o vodních nanoclusterech v kosmu a jejich možné roli v původu života, přičemž naznačoval, že jejich vlastnosti by mohly pomoci vysvětlit kosmické jevy. Používal také své analytické nástroje k navrhování vizuálních, vodních modelů pro temnou hmotu a temnou energii – to, co nazval „kvinteziální voda“.

V pozdějších letech se Johnson stále více zajímal o prezentování vědeckých myšlenek prostřednictvím obrazů a intuice spíše než hustých rovnic, protože věřil, že příroda by měla být srozumitelná bez složité matematiky, říká Amacher-Johnsonová. Přijal multimediální a nové digitální nástroje – včetně umělé inteligence – ke sdílení svých myšlenek. Několik jeho prezentací najdete na jeho YouTube kanálu.

„Nikdy se neomezoval na jediné pole,“ vysvětluje Amacher-Johnsonová. „Fyzika, chemie, biologie, kosmologie – to vše bylo součástí jeho jednotného vidění pochopení vesmíru.“

Kromě Amacher-Johnsonové Johnsona přežila jeho dcera.