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

Matfyz.cz

Aktuality z fyziky IV

Fyzici ze Stanfordu vyvinuli novou metodu fluorescenčního zobrazování. (foto: Morguefile)

Fyzika se v současnosti ubírá dvěma hlavními směry. Jednak do vesmírných dálek a světa gigantických energií a jednak k těm nejmenším a nejniternějším uspořádáním, které příroda nabízí. Dnes se budeme věnovat převážně té druhé části.

Křemíkové nanotyčinky umožňují obcházet zákony klasické optiky

Už v roce 2012 vyvinuli američtí fyzici první ploché optické čočky. Teď přesměrovali své úsilí od čoček k ultratenkým povrchovým vrstvám, které libovolně mění fázi a polarizaci elektromagnetického vlnění a nahrazují běžné čočky.

Fermatův princip říká, že se světlo šíří po nejkratší možné dráze, na níž získá nejmenší zpoždění (tedy nejmenší hodnotu fáze). Můžete si to představit jako situaci, kdy stojíte na pláži a vpravo od vás se někdo topí. Abyste mu pomohli, poběžíte po pláži a teprve na úrovni tonoucího začnete plavat, protože běh je rychlejší než plavání.

V běžných optických prvcích se fáze vlny zvětšuje plynule. Pokud by bylo možno měnit fázi vlny skokem na povrchu, z něhož vlna vychází, potom by se vlna mohla chovat zcela jinak než v konvenční optice.

I když je to teoreticky snadné, pro fyziky bylo velkou výzvou vytvořit materiály, které by takovou diskontinuitu fáze dovolily. Už v roce 2011 něco podobného zkoušeli na Harvardu pomocí zlatých antén ve tvaru písmene V, narazilil ale na nevýhody v podobě ztrát světla. Velké potíže navíc působily kovové prvky v CMOS technologiích.

Fyzici na Stanfordu teď proto zkusili něco jiného. Použili bezeztrátové křemíkové optické antény. Když je anténa osvětlena světlem určité frekvence, začne rezonovat. To způsobí, že světelná vlna získá fázový posun, který závisí na relativní orientaci její polarizační osy vzhledem k anténě. Správným nastavením orientace a vzdálenosti mezi anténami může takový povrch způsobit požadovaný fázový posuv.

To vše se podařilo realizovat pomocí jediné vrstvy nanotyčinek o průměru 100 nm. Ta je skutečně schopna nahradit funkci zakřivených čoček. Vznikly tak různé typy optických prvků, nahrazujících tradiční fokusační čočky, a dokonce i specializované typy kuželovitých čoček, které transformují laserové paprsky na tak zvané Besselovy paprsky, které se používají v optických pinzetách a oční chirurgii.

Experti na optiku jsou nadšeni. Pokud se podaří spojit technologii těchto nových metapovrchů s běžnými křemíkovými technologiemi, znamená to skutečné vítězství. Vystačí totiž s komerčně dostupnými technologiemi, jako je fotolitografie. Velké společnosti, které pracují s CMOS technologiemi, mohou zařadit tyto nové metapovrchy prakticky okamžitě. Umožní vývoj optických prvků, které umí zpracovávat světlo způsobem, jenž není pomocí normálních čoček možný.

(Zdroj)

Nanočástice otevírají nové okno do mozku

Fyzici ze Stanfordu vyvinuli první neinvazivní zobrazovací techniku, pomocí níž se dají v mozku identifikovat cizí struktury o velikosti pouhého mikrometru. Metoda je založena na detekci fluorescenčního záření v blízké infračervené oblasti, které pochází z uhlíkových nanotrubic zavedených do krevního oběhu. Schopnost monitorovat strukturu krevních cest a krve, která jimi protéká, je extrémně důležitá pro léčení závažných onemocnění, jakými jsou mozkové příhody, demence i nádory.

Dnes se mozek vyšetřuje převážně rentgenovou počítačovou tomografií a magnetickou rezonancí. Tyto metody ale nejsou schopny indikovat malé objekty o velikosti v řádu mikrometrů. Získat obrázek těmito metodami navíc trvá konečnou dobu, takže nezaručují pozorování v reálném čase. Zobrazování mozku založené na fluorescenci ve viditelné a blízké infračervené oblasti elektromagnetického spektra (400 – 900 nm) má jeden podstatný háček. Záření těchto frekvencí dokáže projít pouze tenkou kostí, a tak je v případě mozku potřeba zásah do lebky.

Teď přijde to podstatné: fyzici ze Stanfordu nabízejí řešení. Vyvinuli novou metodu fluorescenčního zobrazování, kterému silná kost vadí méně. Metoda využívá vlastní fluorescenci jednostěnných uhlíkových nanotrubic v oblasti 1,3 – 1,4 mikrometrů. Fotony, které mají tuto vlnovou délku, jsou při průchodu biologickými tkáněmi daleko méně rozptylovány než fotony obvyklých vlnových délek 400 – 900 nm a nejsou absorbovány vodou. To všechno dovoluje vidět hlouběji do mozku skrz neporušenou kůži a kost.

V porovnání se všemi ostatními technikami pro zobrazování in vivo poskytuje tato technika větší prostorové rozlišení. Umožňuje zobrazit průtok krve jednotlivými kapilárami, které mají průřez v řádu mikrometrů a nacházejí se 3 mm hluboko v mozku. Nová technika je navíc rychlá, na jeden obrázek stačí 200 ms, takže je možno monitorovat průtok krve v reálném čase. To je velmi důležité u pacientů s mozkovými příhodami, kdy je průtok krve silně omezen.

Tým testoval techniku zavedením uhlíkových nanotrubic myším. Hlava myši byla osvětlena infračerveným laserem. Fluorescence byla detekována polem fotodiod, které vytvořily 2D obraz mozku. Teď je na řadě vytvoření 3D obrázku. Vyvíjejí se zobrazovací činidla pro ještě delší vlnové délky, aby se dále zmenšil rozptyl fotonů. A hlavně se pracuje na rychlém zavedení metody do humánní medicíny.

(Zdroj)

Poučení z přírody

Američtí výzkumníci využili schopnost samosestavování virů a molekul DNA k tomu, aby přesně rozmístili téměř 200 fluorescenčních molekul vzhledem k několik nanometrů velké zlaté nanočástici a tím podstatně zvýšili celkovou fluorescenci. Metoda by mohla najít aplikace v oboru zpracování informací nebo získávání energie ze slunečního světla.

Pokud jsou vystaveny působení světla určité frekvence, vykazují elektrony v kovových nanočásticích povrchové kolektivní oscilace známé jako povrchové plasmony. A pokud jsou v blízkosti nanočástice umístěny fluorescenční molekuly, zesílí se za určitých okolností velmi podstatě celkový fluorescenční výstup. Čím více fluorescenčních molekul, tím lépe.

Proces je ale velmi silně závislý na celkovém uspořádání. Aby bylo možno kolem nanočástice umístit stovky flourescenčních molekul, zkombinoval mezinárodní tým fyziků dva samosestavovací procesy, okopírované z přírody. Jako první přišly na řadu obaly virů tvořené proteiny, které se samouspořádávají a vytvářejí skořápku. Na vnitřním povrchu skořápky byla po několika krocích nakonec zachycena jedna fluorescenční molekula přibližně na každých 14 nm2. Na povrchu byla skořápka pokryta řetězci DNA.

Procesem, který se nazývá DNA origami, se několik stovek syntetických řezězců DNA samouspořádává do útvarů o velikosti 100 nm. Vytvoří se molekulární destička se dvěma úchyty. DNA řetězce na vnější straně skořápky rozpoznávají polohu v origami, a proto mohly být navrženy tak, aby byly zachyceny na správných místech a ve správných vzdálenostech. Účinnost systému je možno optimalizovat velikostí nanočástic, volbou fluorescenčních molekul, jejich uspořádáním i tvarem proteinové skořápky.

Primárním cílem týmu je vytvořit takové technologie, které napodobují nejúčinnější procesy, pomocí kterých využívají živé organismy energii Slunce. Výzkum je zaměřen hlavně na aplikace spojené s využíváním sluneční energie a zpracování informací. Když totiž člověk sleduje dokonalost některých přírodních procesů, má přirozenou touhu je napodobovat. Otázkou je, zda vůbec nebo do jaké míry nám to matka příroda dovolí.

(Zdroj)

Podle Physicsworld.com


Další díly:

Aktuality z fyziky XVII
Aktuality z fyziky XVI
Aktuality z fyziky XV
Aktuality z fyziky XIV
Aktuality z fyziky XIII
Aktuality z fyziky XII
Aktuality z fyziky XI
Aktuality z fyziky X
Aktuality z fyziky IX
Aktuality z fyziky VIII
„Top ten“ fyziky v roce 2014
Aktuality z fyziky VII
Aktuality z fyziky VI
Aktuality z fyziky V
Aktuality z fyziky III
Aktuality z fyziky II
Aktuality z fyziky I

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