Pozor! Používáte zastaralý prohlížeč, stránka se nemusí zobrazovat správně. Aktualizujte jej a zlepšete tak svůj uživatelský zážitek.

Matfyz.cz

Fyzikální TOP 10 roku 2018 – část 2

Američtí vědci dali základy novému oboru, v němž se vlastnosti materiálu mohou měnit pouhým vzájemným pootočením vrstev (obrázek: Columbia University)

První polovinu fyzikální Top 10 jsme vám představili v minulém příspěvku. Se zbylými pěti objevy se seznámíme dnes.

Vybrané práce nejsou uváděny v pořadí, které by mělo hodnotit jejich konkrétní pozici na žebříčku. Za neoficiálního vítěze soutěže se však obecně považuje společná práce vědců z Columbia University a z MIT, která dala základy zcela novému oboru zvanému twistronika.

Magický úhel v grafenu

Fyzici z Columbia University a z MIT vyvinuli nový prvek, pomocí kterého je možné měnit velikost úhlu mezi vrstvami 2D materiálů, jako je grafen, a tak ovlivňovat jejich vlastnosti.

Twistronika je zcela nový obor, v jehož základu stojí zjištění, že slabou vazbu mezi jednotlivými vrstvami 2D materiálů je možné využít tak, aby se u těchto materiálů změnily elektronické vlastnosti. Jde především o grafen. Ten standardně nemá zakázaný pás, je však možné vytvořit takový typ, v němž se po uvedení do kontaktu s jiným 2D materiálem, například s hexagonálním nitridem bóru s velmi podobnou mřížkovou strukturou, zakázaný pás objeví.

Jednoduchá změna úhlu mezi vrstvami 2D materiálu tedy znamená, že grafen se může měnit z kovového materiálu až na polovodič. Na to, jak se to dá prakticky udělat, teď přišel tým z Columbijské univerzity.

Jejich technika využívá skutečnosti, že mezi vrstvami 2D materiálů není silná vazba, takže po sobě mohou snadno klouzat (to je také důvod, proč se grafit používá jako tuha v tužkách a nitrid bóru jako suché mazivo v průmyslu). Vědci vytvořili nanometrový prvek ve tvaru ozubeného soukolí. Pomocí speciální techniky umístili ozubené kolečko vyrobené z nitridu bóru nad povrch aktivní oblasti z grafenu. Potom využili mikroskop atomární síly, aby postrčili jeden zub kolečka a to se začalo otáčet.

Vědci prokázali, že v uvedených heterostrukturách je možné dosáhnout rotace, řídit ji, a tak dynamicky měnit elektrické, optické i mechanické vlastnosti u zařízení vyrobených z těchto struktur. Důležité je zejména to, že zakázaný pás pozorovaný v grafenu je laditelný a může být podle potřeby vytvořen nebo zrušen pouhou změnou orientace mezi vrstvami.

Poznatky amerických vědců by mohly najít uplatnění při vývoji nových druhů spínacích technologií, jako jsou laditelná čidla a laditelné elektromechanické a elektrooptické prvky. Fyzici teď studují další jevy, které v důsledku interakce mezi vrstvami 2D materiálů vznikají.

Objev supravodivosti v pootočené dvojvrstvě grafenu je výsledkem interakce mezi jednotlivými vrstvami, i když žádná z nich sama o sobě supravodivá není. Existuje ale ještě řada podobných jevů jako spontánní magnetické uspořádání nebo topologicky chráněné zakázané pásy, které při určitém pootočení vrstev vznikají. Na fyziky navíc teď čeká úkol prostudovat další 2D materiály, které mohou interagovat obdobným způsobem jako grafen a nitrid bóru.

Multifunkční uhlíková vlákna mohou sloužit jako baterie

Uhlíková vlákna, která se používají při konstrukci automobilů a letadel, v sobě dokáží udržet elektrickou energii stejně jako baterie. Zjistil to mezinárodní tým vědců vedený švédským fyzikem Leifem Aspem.

U běžně používaných zařízení, jako jsou třeba laptopy, tvoří baterie podstatnou část hmotnosti. Pokud by se podařilo využít elektrochemických vlastností uhlíkových vláken, mohla by se hmotnost takových zařízení snížit až o 50 %.

O slibných vlastnostech uhlíkových vláken se mluví přibližně od roku 2000. Výzkum však dosud příliš nepostoupil, vlákna totiž musí být dostatečně pevná a tvrdá a zároveň vykazovat dostatečné elektrochemické vlastnosti.

Mezinárodní tým porovnal mikrostrukturní a elektrochemické vlastnosti dvou typů komerčních uhlíkových vláken. Je známo, že elektrochemické vlastnosti se zlepšují u mikrostruktur s menšími volněji orientovanými krystaly, zatímco ty mechanické se vylepšují s dokonalejším krystalickým uspořádáním. Vědci proto předpokládali, že vhodným řešením bude určitý kompromis. Středně pevná uhlíková vlákna se však k jejich překvapení ukázala jako méně organizovaná. V praxi by tedy mělo být možné používat vlákna s daleko menšími krystaly, než se původně myslelo.

Uhlíková vlákna jsou velmi citlivá na podmínky při výrobě. Fyzici studovali tři typy vláken, z nichž dva byly vyrobeny při podobné teplotě pyrolýzou polyakrylonitrilu, třetí při teplotě dvojnásobné. Výsledkem bylo zjištění, že první dva typy mají tuhost podobnou jako ocel, zatímco třetí typ má tuhost dvojnásobnou.

Třetí typ má velmi jemně rozvrstvenou strukturu. Chová se jako grafit, zatímco první dva se chovají jako amorfní struktury s mírně se lišícími rozměry krystalů. Vysoce amorfní struktury prvních dvou typů umožňují zdvojnásobení elektrochemické kapacity a přitom zachování dobrých mechanických vlastností. Otázkou však zůstává, jak daleko je možné s amorfní mikrostrukturou jít, než se to příliš projeví na mechanických vlastnostech.

Z hlediska používání baterií z uhlíkových vláken jde o velmi slibné výsledky. Přestože výkonnost takových baterií se nedá porovnat se stávajícími bateriemi, výsledná redukce hmotnosti by byla velkým přínosem pro systém jako celek.

Kompenzátory usnadňují přístup k pokročilé radioterapii

Fyzici z University of Washington Medical Center vyvinuli levnou metodu pro realizaci radioterapie s modulovanou intenzitou (IMRT).

IMRT je léčebná technika, která používá komplexní vícelistové kolimátory (MLCs) k profilování fotonového svazku tak, aby se co nejvíce chránila zdravá tkáň. Tato metoda je běžně dostupná pouze ve vyspělých zemích. Vědci se proto zaměřili na to, jak radioterapii rozšířit i do méně rozvinutých oblastí.

Americkému týmu se nyní podařilo vyvinout levnější variantu metody IMRT. Vícelistové kolimátory nahradili prstencem kompenzátorů vytvořených z lehkých plastických formiček naplněných tlumicími kuličkami z wolframu.

Navržené řešení nevyžaduje nákup drahých přístrojů, zařízení je totiž možné dodatečně namontovat na stávající terapeutické jednotky. Kompenzátory se umísťují do prstence kolem pacienta. Konstrukce s léčebným zařízením pak okolo pacienta rotuje a posílá každý paprsek střídavě každým kompenzátorem. Po provedení všech kroků radioterapie může být tlumicí materiál nahrazen novým.

Kompenzátory se ukázaly jako velice efektivní a ve srovnání s MLC také daleko levnější a jednodušší, nový výzkum by tedy měl významně usnadnit přístup k pokročilé radioterapii i v méně rozvinutých zemích.

První scan celého těla

EXPLORER PET/CT je medicínský zobrazovací systém, který jako první na světě umí poskytnout 3D zobrazení celého těla pacienta najednou. Vyvinuli ho vědci na University of California.

Explorer dokáže skenovat až čtyřicetkrát rychleji než současné systémy a přitom použít čtyřicetkrát menší dávku radioaktivity. To umožňuje provedení opakovaných studií jednoho pacienta i vyšetřování dětí.

Kompromis mezi kvalitou zobrazení, časem potřebným pro získání obrázku a velikostí radioaktivní dávky se liší podle jednotlivých aplikací. Ve všech případech však nové zařízení dokáže skenovat lépe, rychleji a s menší dávkou ozáření.

Boj s globálním oteplováním

Do TOP TEN ve fyzice za uplynulý rok byla poněkud netradičně zařazena i zpráva Mezivládního panelu pro změnu klimatu (IPCC). Dokument, který byl zveřejněn v říjnu, apeluje na udržení globálního oteplování na hodnotě menší než 1,5 °C. Autoři zprávy důsledně varují před překročením tohoto limitu, které by podle nich mělo z následek vymizení určitých ekosystémů a další dlouhodobé a nevratné změny.

Dokument vcelku očekávaně vyvolal intenzivní diskuse. Většina kritiků přitom poukazovala na fakt, že daleko více než o boj za záchranu planetu jde o záležitost politickou. Jakkoli může být sporné už jen zařazení zprávy do fyzikálního top ten, jednu část je nutné uznat bez výhrad, a to že přírodu je třeba chránit všemi dostupnými prostředky.


Mohlo by vás zajímat:

Fyzikální TOP 10 roku 2018 – část 1
Vědci vyvinuli chytrou pěnu, která dokáže rozpoznat vlastní deformace
Nová definice kilogramu
Neutrina vrhají nové světlo na fúzní reakce uvnitř Slunce

Kompletní archiv Aktualit z fyziky

Další obrázky
comments powered by Disqus

Matfyz.cz

Univerzita Karlova
Matematicko-fyzikální fakulta
Ke Karlovu 3
121 16  Praha 2
IČ: 00216208
DIČ: CZ00216208
web fakulty
studuj na Matfyzu
e-shop