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

Matfyz.cz

Aktuality z fyziky XX

Předpovídání zemětřesení je "svatým grálem" geofyziků. Možnost takovou událost předpovědět by pomohla předejít mnoha nebezpečím (foto Freeimages)

Stále ještě trochu přetrvává okurková sezóna, během níž se málo publikuje, vědci se připravují na velké objevy, nebo v to alespoň doufají. Se železnou pravidelností se v tomto období objevují témata „pro praktický život“, která jsou ovšem nedílnou a důležitou součástí fyziky. Dá se spolehlivě předpovídat zemětřesení? Jak se oči různých zvířecích druhů řídí složitými zákony optiky? A co náš oblíbený grafen, může být vedle všech svých neuvěřitelných vlastností také supravodičem? To jsou některé vybrané příklady uveřejněných prací.

Může radon spolehlivě předpovídat zemětřesení?

Silné zemětřesení je sice v našem okolí velmi nepravděpodobné, svět je však dnes natolik globální, že každá katastrofa nějakým způsobem zasáhne i velmi vzdálené oblasti. Proto by nás mělo zajímat, jestli lze takovým katastrofám předcházet.

Dobrá zpráva teď přichází od korejských fyziků. Analýza koncentrace radonu a jednoho z jeho radioaktivních izotopů, který se nazývá thoron, může podle jejich nové práce umožnit předpovídat přicházející zemětřesení. Tým fyziků monitoroval koncentraci obou izotopů po dobu jednoho roku a zjistil mimořádně výrazná maxima v koncentraci thoronu v únoru 2011, což předcházelo zemětřesení v Tohoku v Japonsku, ke kterému došlo 11. 3. 2011.

Předpovídání zemětřesení je „svatým grálem“ geofyziků. Velké množství různých metod se točí kolem detekce mimořádně vysokého množství různých stopových plynů v půdě a spodních vodách. Má se za to, že se uvolňují během různých tlaků a vznikajících mikrotrhlinek, které se tvoří těsně před zemětřesením. Podobných předzvěstí zemětřesení byla navržena celá řada, na příklad uvolňování chloridů a sulfátů. K předpovědím zemětřesení ale nebyly nikdy použity, protože jejich zvýšenou koncentraci mohou způsobit i jiné přírodní jevy než zemětřesení.

I signál z uvolněného radonu (222Rn), což je snadno zjistitelný radioaktivní plyn s poločasem rozpadu 3,82 dne, je citlivý na krátkodobé fluktuace a může být překryt různými meteorologickými jevy nebo slapovými silami. Radon sice nemá stabilní izotopy, zato má ale řadu radioaktivních izotopů včetně thoronu (220Rn) s poločasem rozpadu pouhých 55,6 s, který by se k tomuto účelu využít dal.

V nové studii navrhují korejští fyzici použít podzemní analýzu radonu i thoronu, to by totiž mohlo řadu dosavadních problémů odstranit. Ve stojatém vzduchu podzemní jeskyně proto měřili aktivitu thoronu. Pokud je detektor dostatečně vzdálen ode dna jeskyně a vyloučí se tak vliv difúzního proudění, je koncentrace thoronu velmi nízká. V optimální pozici detektoru se k němu dostane jen ta část thoronu, která je právě předzvěstí zemětřesení.

Aby tuto koncepci otestovali, měřili každou hodinu koncentraci radonu a thoronu po dobu 13 měsíců. Měření byla prováděna v části jeskyně, ve které bylo vyloučeno jakékoliv proudění zvenku. Neobvykle velký pík (vrchol) v koncentraci thoronu, který se nedal vysvětlit žádným vedlejším efektem, byl zjištěn v únoru 2011 před zemětřesením Tohoku v Japonsku, které mělo sílu 9 stupňů Richterovy stupnice. K zemětřesení došlo za měsíc od zjištění anomálie ve vzdálenosti 1 200 km od detektoru. Naproti tomu byly velké píky v koncentraci radonu zjištěny nejen v únoru, ale i v celé letní periodě předcházející zemětřesení. I když by k předpovědi zemětřesení stačil sám thoron, spolehlivější je podle zúčastněných fyziků kombinace měření obou, radonu i thoronu.

Jedna stanice ovšem nestačí k určení místa nebo síly přicházejícího zemětřesení, autoři proto navrhují vytvořit síť detektorů. Detektory mohou být umístěny v přírodních nebo i umělých dutinách, které odpovídají požadavkům experimentu. Pochopitelně, že se metoda musí prověřit na více případech, ale zdá se nadějná.

Znají zvířata základy optiky?

Američtí a britští fyzici a biologové s nadsázkou tvrdí, že ano. Studovali totiž souvislost mezi tvarem zornice a způsobem opatřování si potravy u 214 živočišných druhů a došli k závěru, že tvar zornice – tedy otvoru, kterým světlo vniká do oka – je závislý na tom, jestli je zvíře spíše lovcem nebo převážně kořistí. Studie odhalila, že býložravci, jako jsou třeba zebry nebo vysoká lesní zvěř, mají zornice vodorovné, zatímco lovci, kteří loví přes den (například gepardi a kojoti) mají zornice většinou kulaté. A nakonec ti, kteří loví v noci nebo ve dne i v noci, mají zornice spíše svislé. Patří sem třeba lišky, kočky nebo hadi.

Aby porozuměli tomu, jak může být různý tvar zornic výhodný pro různá zvířata, vypracovala skupina fyziků, psychologů a biologů počítačový model optických vlastností zornic různých tvarů. Model ukazuje, že vodorovně prodloužené zornice umístěné po stranách hlavy umožňují býložravcům panoramatické vidění jejich okolí. To jim pomáhá sledovat chování predátorů a případný útok ze všech stran a dává jim možnost zvolit nejvýhodnější únikovou cestu. Zornice prodloužená do stran navíc dovoluje, aby do oka vniklo světlo pouze z těch směrů, které jsou nutné pro vytvoření panoramatického obrazu, a vylučuje oslnění z oblohy, odkud nehrozí nebezpečí. Prodloužení zornic v horizontálním směru také efektivně optimalizuje množství světla přicházejícího do oka a vytváří lepší obraz terénu, který je horizontální. Když musí zvíře utíkat pryč, musí mít terén zaostřený.

Tým pozoroval, že když některá zvířata při pastvě sklánějí hlavu k zemi, otáčejí oči. Jsou to na příklad ovce, kozy, koně i vysoká zvěř. Je to podle nich proto, aby zornice při sklonění hlavy zůstaly v horizontální poloze a zůstala tak možnost panoramatického vidění okolí.

Když tým studoval vertikálně prodloužené zornice, zjistilo se, že takové zornice poskytují výhodu predátorům, kteří útočí skrytě ze zálohy a často zůstávají na místě a tiše a velmi dlouho číhají na kořist. Vertikální zornice jim dovolují provést očima obrácenýma dopředu velmi přesné měření vzdálenosti ke kořisti, aniž by hnuli hlavou nebo změnili své výhodné postavení a přitom se prozradili.

Někteří biologové zabývající se optickými vlastnostmi zvířecích očí s těmito závěry nesouhlasí a tvrdí, že existuje spousta příkladů, kdy je vztah tvaru zornice a chování živočicha zcela jiné. Autoři studie ale oponují tím, že tyto nesrovnalosti závisí na velikosti zvířete. Když se zvíře dívá podél terénu, závisí hloubka ostrosti nebo ohnisková vzdálenost jeho oka na jeho výšce. Vyšší zvířata mají zorné pole méně rozmazané než ta menší. Třeba domácí nebo divoké kočky mají vertikální zornice, zatímco lvi nebo tygři je nepotřebují.

Pokud by někomu tento druh výzkumu připadal příliš jednoduchý nebo snad nedůstojný, vězte, že poučení z přírody není nikdy dost a vždy se vyplácí.

Grafen může být supravodičem

Kanadští a němečtí fyzici objevili další pozoruhodnou vlastnost grafenu, navíc k jeho už tak šokujícímu seznamu elektrických a mechanických vlastností. Grafen se totiž může stát supravodičem, když se k němu přidají atomy lithia. Tento výsledek by mohl vést k vývoji nové generace supravodivých nanokomponent.

Grafen vykazuje řadu pozoruhodných vlastností díky své zvláštní struktuře, která je tvořena pouze jeden atom silnou vrstvou uhlíkových atomů. Je to dosud nejpevnější známý materiál, pevnější než na příklad ocel. Je propustný pro světlo, takže by mohl být vhodným materiálem pro displeje. Je výborným elektrickým vodičem a elektrony v něm dosahují dosud nejvyšší známé hodnoty pohyblivosti. Je výborným tepelným vodičem a díky elektronové struktuře a malé tloušťce by se z něj daly vyrobit tranzistory, které by teoreticky mohly pracovat až do frekvence 1 THz a tak dále. Supravodivý ale není.

V roce 2005 fyzici zjistili, že grafit může být supravodivý, když se objemový materiál vytvoří tak, že se střídají vrstvy grafenu a jiného prvku. Nejlepší takto vytvořený materiál byl kalcium-grafit (CaC6), který měl supravodivý přechod na teplotě 11,5 K. Teoretici určili mechanismus zodpovědný za takovou supravodivost, jde o vazbu elektronů prostřednictvím fononů. Fonony jsou vibrace v krystalové mřížce materiálu, které umožňují, aby se dva elektrony, které se normálně odpuzují, vázaly do Cooperových párů, které se mohou pohybovat materiálem bez odporu, což je jeden z hlavních znaků supravodivosti.

Později bylo zjištěno, že takové vazby elektronů se mohou uskutečnit nejen v objemovém materiálu, ale po přidání vhodných atomů i v jednovrstvém grafenu. V roce 2012 použili italští fyzici počítačovou simulaci, která ukázala, že zvláště vhodným kandidátem pro takové dopování by mohlo být lithium. Bylo to překvapení, protože objemový LiC6 žádnou supravodivost nevykazoval. Nicméně fyzici brzy zjistili, že materiál, složený pouze z jedné vrstvy atomů, může podporovat supravodivost dvěma způsoby. Mřížkové vibrace generované atomy lithia mohou zvýšit hustotu fononů a elektrony, přecházející z lithia do grafenu, by mohly posilovat vazbu fononů a elektronů (a ovlivňovat tvorbu Cooperových párů).

Kanadští fyzici připravili vzorky tak, že vrstvy grafenu rostly na substrátu ze silikon-karbidu. Pak byly velmi přesně na grafen umístěny lithiové atomy. Vše probíhalo ve vakuu při teplotě 8K. Vlastnosti vzorku pak studovali fotoemisní spektroskopií, která využívá fotoelektrický jev k měření hybnosti a kinetické energie elektronů v pevné látce. Zjistili, že se elektrony při průchodu mřížkou zpomalují, a přičítají to zesílené vazbě mezi elektrony a fonony. Podstatné je, že výsledky ukazují, že tato zesílená vazba vede k supravodivosti. Fyzici totiž identifikovali energetický pás mezi vodivostními a nevodivostními elektrony, jehož velikost odpovídá právě rozbití Cooperových párů. Při hodnotě 0,9 meV ukazuje změřená šířka tohoto pásu na teplotu supravodivého přechodu kolem 5,9 K. Teoreticky předpověděná hodnota byla kolem 8 K.

Fyzici věří, že by tato práce mohla vést k výrobě supravodivých nanokomponent, jako jsou například jednoelektronové supravodivé kvantové tečky. Výsledky musí být pochopitelně potvrzeny ještě dvěma přídavnými efekty, kterými jsou vymizení elektrického odporu u grafenu a vymizení externího magnetického pole, když se vzorek dostane pod teplotu supravodivého přechodu (Meissnerův efekt, který je jedním ze dvou kriterií určujících, jestli je látka supravodivá).

Pozoruhodné je, že ve stejné době pozorovali fyzici z Jižní Koreje supravodivost ve vzorcích, sestávajících z několika vrstev grafenu dopovaného lithiem. Pomocí Meissnerova jevu určili teplotu supravodivého přechodu na 7,4 K.

Nejbližším cílem všech je prokázat známky supravodivosti v jedné vrstvě grafenu. A ještě jedna zajímavost: Právě, když se tato práce chystala do tisku, objevil se preprint práce Andre Geima, který dostal za grafen v roce 2010 Nobelovu cenu. Nejnovější práce se týká také supravodivosti grafenu, v tomto případě grafeni dopovaného vápníkem. Takže se supravodivý grafen zase stává lokálním hitem.

Původní materiály byly uveřejněny v časopisech Scientific Report, Science Advanced, a preprint práce o grafenu na arXiv.


Další díly:

Aktuality z fyziky XIX
Aktuality z fyziky XVIII
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 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