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

Matfyz.cz

Aktuality z fyziky XIV

I když do Země uhodí každý den více než čtyři miliony blesků, mnoho z fyziky tohoto jevu stále ještě zůstává záhadou. (foto Freeimages)

Supravodiče mají jak z teoretického, tak i z praktického hlediska ve fyzice mimořádné postavení. Až se podaří objevit materiál, který bude mít při pokojové teplotě spolehlivě nulový elektrický odpor, bude to znamenat převrat v řadě oborů, hlavně v energetice. A tak je každá i sebemenší novinka z oboru supravodičů pozoruhodná. S jarem začaly první bouřky a my stále nevíme, jak to s těmi blesky vlastně je. A tak se fyzici snaží. A nakonec přijde zase něco zajímavého pro lékaře.

Nový stav hmoty v supravodiči

Mezinárodní tým fyziků objevil nový typ kovového stavu hmoty v supravodiči složeném z uhlíkových fulerenů. Podařilo se ho nalézt při dopování materiálu malým množstvím rubidia, které způsobilo změnu vzdálenosti mezi sousedními molekulami. Dosud neznámý stav hmoty nazvali fyzici jako „Jahn-Tellerův kov“. Supravodiče představují velkou a velmi diverzifikovanou skupinu materiálů, které mají nulový elektrický odpor pod určitou kritickou teplotou. Podle dosavadních znalostí je podstatou supravodivosti párování elektronů. Elektrony spolu interagují prostřednictvím krystalové mřížky, letící elektron ovlivňuje kmitání atomů mřížky v blízkosti své dráhy a ostatní elektrony na tuto změnu reagují. Nejcitlivěji reaguje nejbližší elektron s opačným spinem. Vazbu elektronů tak zprostředkovávají dynamické vlastnosti krystalové mřížky.

Zajímavým objektem ke zkoumání supravodivosti jsou už po dvě dekády tak zvané fuleridy. Fulereny jsou velké molekuly, tvořené pravidelnými mnohostěny ve tvaru koule nebo elipsoidu. Nejstabilnější je fuleren C60, který vytváří isokaedr, tj. 12 pravidelných pětiúhelníků a 20 pravidelných šestiúhelníků. Má 32 stěn a tvar odpovídá tvaru kopacího míče. Do dutin uzavřených molekul je možno zabudovat další atomy (K, Rb) a vzniknou fuleridy. Příkladem je cesium-fulerid (Cs3C60) s plošně centrovanou kubickou mřížkou. Substitucí některých cesiových atomů atomy rubidia se molekuly navzájem přiblíží a v mřížce vzroste tlak.

Při nízkých tlacích je materiál izolátor a elektronové stavy molekul jsou deformovány. Podle Jahn-Tellerova pravidla jsou totiž některá geometrická uspořádání stabilnější než jejich možné alternativy. Fuleren C60 má normálně tvar míče na kopanou, zatímco fulerid s atomy cesia připomíná spíše míč ragbyový.

S rostoucím tlakem se vlivem přidávání atomů rubidia začínají elektronové stavy molekul překrývat a materiál přejde do kovového stavu. Překvapující na tomto přechodu z nevodivé do vodivé fáze je to, že vykazuje mezilehlý stav, který nebyl nikdy předtím pozorován. Fyzici ho nazvali Jahn-Tellerův kov. Infračervenou spektroskopií se potvrdilo, že molekuly fuleridu vykazují jasně deformaci směrem ke tvaru ragbyového míče, který je ovšem charakteristický pouze pro izolátory. Nukleární magnetická rezonance ale prokazuje, že elektrony jsou schopny přeskakovat z jedné molekuly na druhou, což je ale typické pro vodivý kov.

A tady vzniká zásadní problém. Jak může mít zkoumaný materiál Jahn-Tellerovu deformaci a zároveň být kovem?

Když se normální kov ochlazuje, stane se z něj konvenční supravodič, v němž dochází k mechanismu párování elektronů. Ten je dnes už dobře prostudován. Když se ale chladí Jahn-Tellerův kov, stane se supravodičem, ve kterém je mechanismus párování zatím neprozkoumaný. Zatím se ukázalo, že materiály s nejvyšší teplotou přechodu do supravodivé oblasti se nacházejí v oblasti přechodu mezi Jahn-Tellerovým kovem a normálním kovem. Mechanismus, který způsobuje párování elektronů, je tedy nejsilnější tam, kde je bod přechodu co nejvyšší. Rozhodující roli tedy hraje vzájemné působení mezi tendencí elektronů zůstat v molekule a snahou pohybovat se volně materiálem.

Pozoruhodné výsledky poskytuje porovnání těchto molekulárních supravodičů a kuprátů, vysokoteplotních supravodičů, známých už 30 let. Vypadá to, že ionty mědi v některých kuprátech jsou také Jahn-Tellerovy kovy, a studium molekulárních materiálů, v nichž může být Jahn-Tellerův efekt podle potřeby řízen, poskytne cenné poznatky o vysokoteplotních supravodičích. Může být vodítkem pro vysvětlení vlivu, vzájemného působení mezi elektronovou strukturou molekul a jejich rozmístění uvnitř mřížky na zesílení interakce mezi elektrony, které způsobují supravodivost.

První zobrazení zahřmění

I když do Země uhodí každý den více než čtyři miliony blesků, mnoho z fyziky tohoto jevu stále ještě zůstává záhadou. Nahání nám větší strach vlastní elektrický výboj nebo prakticky neškodné zahřmění? To, jak tyto dva jevy souvisí, zkoumal teď mezinárodní vědecký tým. Američtí a australští fyzici vymysleli novou metodu studia tohoto přírodního jevu a soustředili se při tom hlavně na akustický projev, tedy ono strašidelné zahřmění. Podle nich stále chybí mnoho odpovědí na to, co elektrický výboj spouští, co řídí jeho průchod atmosférou, jak jsou zasaženy objekty blízko země a hlavně jak přesně souvisí elektrický výboj se vznikem intenzivnívh akustických vln.

Blesky vznikají, když se v bouřkových mracích nahromadí elektrostatický náboj a vytvoří se kanály záporně nabitého ionizovaného vzduchu, které se směrem dolů rozvětvují. Když dosáhnou zemského povrchu, vytvoří se můstky s nízkým elektrickým odporem, přes které může nastat výboj. Když někde uhodí blesk, proteče tam obrovský proud a kanál se ohřeje až na 30 000 oC (proto blesk často způsobuje požáry). Horký kanál se rychle rozpíná a přitom vzniká hřmění, které slyšíme a které se dá měřit. Protože hřmění vzniká těsně po elektrickém výboji, může prozradit hodně o dějích, které probíhají při samotném výboji.

Přírodní blesky nelze předpovídat, a tak provedli fyzici experimenty na uměle spouštěném výboji. Aby vyvolali blesk, vypustili do bouřkových mraků malou raketu s dlouhými, měděnými vlečnými lanky. Ty představovaly vodivý kanál, kterým by měl výboj projít. Rakety byly vysílány na Floridě, kde je podnebí příznivé pro vznik bouřkových mraků ve velkých výškách. Aby mohli zaznamenat akustické vlny způsobující zahřmění, rozestavěli ve vzdálenosti 95 m od startovací rampy pole citlivých mikrofonů. Vzdálenost mezi mikrofony byla jeden metr. Technikou následného zpracování a směrového zesílení se jim podařilo převést záznam zahřmění do vertikálního akustického profilu úderu blesku. Protože zvukovým vlnám, vznikajícím ve větších výškách v atmosféře, trvá déle, než dosáhnou mikrofonu, má akustický signál každého úderu jiný charakteristický průběh. Rozborem akustického profilu se zjistilo, že nejintenzivnější zvuk pochází z místa, kde se blesk setká se zemí.

Fyzici věří, že tyto experimenty jsou novou cestou ke studiu jevů spojených s bouřkami. Teď se pracuje na zpřesnění metody. Jednou z potenciálních možností je spustit blesk po dráze, která není přímá, ale klikatá – tak, jak to bývá obvyklé v přírodě. To by umožňovalo zkoumat akustické signály jednotlivých částí blesku samostatně a zjistit, jak se například dělí proudové pulsy, a získat další informace.

Jehličky

Biokompatibilní křemíkové nanojehličky, které mohou efektivně dopravovat nukleové kyseliny a nanočástice do živých buněk, aniž by je poškodily, vyvinul mezinárodní vědecký tým. Porézní jehličky jsou schopny dopravovat různé látky přímo do živých buněk a nová technika by mohla pomoci samoopravování poškozench orgánů a nervů. Mohla by také sloužit jako nitrobuněčné čidlo pH.

Fyzici z Londýna a z Texasu vyrobili nanojehličky použitím fotolitografie na standardním křemíkovém čipu. Délka a šířka jehliček se dá přitom nastavit. Protože jsou jehličky porézní, mohou pojmout relativně velké množství nukleových kyselin, nanočástic nebo jiných léčivých látek. Důležité je, že porézní křemík je na rozdíl od normálního křemíku biokompatibilní a opustí organismus přibližně za dva dny, aniž by zanechal jakékoliv toxické zbytky.

Plasmová membrána a vnitřní lysosomální přepážka v buňce jsou hlavními bariérami, které omezují terapeutickou účinnost různých prostředků pro dopravu léků, protože zamezují vniknutí nanostruktury dovnitř buňky. Nové nanojehličky jsou schopny obě překážky obejít a buňku přitom nepoškodit. Nanojehličky dovedou nejen přenášet nukleové kyseliny DNA a kvantové tečky do živých lidských buněk v laboratoři, podařilo se je zavést i do zádových svalů myši. Přibližně po týdnu vědci zjistili, že ve svalech začaly růst nové krevní cesty a tyto cévy rostly po další dva týdny. Přitom nevznikal žádný zánět ani jiné škodlivé vedlejší efekty.

Nukleové kyseliny jsou stavebním kamenem živých organismů, kódují, přenášejí a vyjadřují genetickou informaci. Pokud by byly dopraveny do živé buňky pomocí nanojehliček, mohly by přeprogramovat buňky a změnit jejich funkci. Takové genetické programování může v budoucnu umožnit zcela nové léčebné postupy.

Nanojehličky jsou schopny zavést do živé buňky i kvantové tečky, malé shluky polovodičového materiálu o rozměrech pouhých několika molekul, které se dají využít k mikroskopickému monitorování procesů uvnitř buněk. Dají se snadno sledovat, protože mají výraznou fluorescenci, ale jejich zavedení do buňky nebylo snadné. A právě nové nanojehličky mohou tento problém usnadnit.

Tým doufá, že se v budoucnu budou nanojehličky moci použít pro léčení poškozených nervů a pomáhat při jejich rekonstrukci. Teď se chystají kombinovat nanojehličky s různými biomateriály a vytvořit flexibilní bandáž, která se bude moci aplikovat na různé vnitřní tkáně i na kůži. Tyto bandáže by mohly dodávat do příslušných tkání nukleové kyseliny, potřebné k obnově a novému naprogramování poškozené tkáně. Mohly by být dokonce dopovány různými kovy, aby se staly vodivými a mohly vytvářet dokonce i potřebné elektronické prvky.

Původní materiály byly uveřejněny ve Science Advances, Geophysical Research Letters a nanotechweb.org.


Další díly:

Aktuality z fyziky XVII
Aktuality z fyziky XVI
Aktuality z fyziky XV
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 IV
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