A tudósok rezgették a körmolekulákat, amelyek összekuszálódtak és egy csomót képeztek, amelyben megakadályozták a mozgást. Az eredmény egy szilárd üveg volt. Az anyagot eddig számítógépen szimulálták.
Tudja, mi köti össze az ablakban lévő üvegtáblát és a PET-palackot? Mindkét anyag üvegből készül. Pontosan. A PET-palack üvegnek is tekinthető, mivel szilárd, nem kristályos anyag.
"A PET-palack üveg abban az értelemben, hogy ugyanolyan rendezetlen molekulái vannak, mint egy folyadéknak, de szilárd anyag. A folyadékkal ellentétben azonban a szilárd anyagban lévő molekulák nagyjából a helyükön maradnak "- mondta Ján Smrek, a Bécsi Egyetem fizikusa a Denník N-nek.
Ebben a hónapban kollégáival cikket publikált a Nature Communications magas színvonalú tudományos folyóiratban, ahol egy új típusú üveg felfedezését írta le. Eddig azonban csak egy számítógép mintájára készült, és mások feladata lesz kísérletileg elkészíteni.
Az anyag több száz hosszú kör alakú molekulából állt, amelyek üvegszerűen viselkedtek - szilárd anyag rendezett kristályrács nélkül -, miután a tudósok egy számítógépes szimulációban eléggé megrázta őket, hogy összefonódjanak. A kapott "csomókban" a molekulák megakadályozták egymás mozgását, ezért fizikailag viselkedtek, mint ez a szilárd anyag.
A fagyasztás nem működött
A kör alakú polimerek (ismétlődő egységekből álló nagy kör alakú molekulák, monomerek) az 1980-as évek óta érdeklik a tudósokat. Hátrányuk, hogy a lineáris polimerekkel ellentétben - amelyek szálnak tűnnek - matematikailag nagyon nehéz nagy sűrűséggel leírni. Ez bonyolítja a velük való munkát.
"Az emberek tapasztalataik szerint a hajukban lévő gumiszalagok a zsebükben gömböcskévé gurulnak. De a leghosszabb gyűrűs molekulák számára, amelyeket manapság elő tudunk állítani, az ilyen kusza nem elegendő szilárd anyag kialakításához "- magyarázza Smrek. A kutatók ezért keresték a módját a molekulák összefonódásának fokozására.
Nobel-díjas Szlovákiában: Úgy érzem magam, mint egy kisfiú, aki lábbal játszik
A múltban számos elméleti munka született, miszerint a polimerek úgy kezdenek viselkedni, mint az üveg, amikor egyes kör alakú molekulák mozdulatlanná válnak vagy megfagynak. Spruce két gumiszalagot húz be a hajba, és összefonja őket, hogy megmutassa, mire gondol: „Ha lefagyasztanánk ezt a gumiszalagot, hogy az ne mozduljon el, akkor korlátozná a vele összefonódott második gumiszalag mozgását. Ha nagyobb számú ilyen gyűrűmolekula fagyna le, akkor a fennmaradó molekulák mozgása olyan mértékben korlátozódna, hogy egészében szilárd anyagként, azaz üvegként viselkedne. "
Noha a számítógépes szimulációk szerint ilyen anyag létezhet, soha nem készítették kísérletileg. "Bizonyos szempontból ez egy elég nem fizikai eljárás, mert ha valaminek nulla hőmérséklete van, akkor az megrázza és felmelegíti a környezetet. Ezért nehéz elképzelni, hogyan lehet egy molekulát kísérletileg immobilizálni az űrben, de a másodlagosat nem. "- magyarázta a probléma lényegét Smrek.
Hajszalagok, mint kerek polimerek. A molekulák nincsenek hurokként megkötve egy láncon, hanem összefűzhetők (jobbra). Fotó - J. S.
A rezgés által kötött molekulák
A fizikus és munkatársai ezért más megközelítést választottak, és ahelyett, hogy megpróbálták volna rögzíteni a gyűrűmolekulákat, inkább rezgették őket.
A lucfenyő csomókká változtatja a gumidombokat, és azt mondja: "Azáltal, hogy egyes molekulákat jobban mozgat, mint másokat, az egész molekulák összefonódnak. Csomó képződött, amelyben a molekulák megakadályozták szomszédaik elmozdulását. Az eredmény egy szilárd üveg volt "- mondta Smrek az általuk választott elvről.
Az egyik polimer, amellyel a tudósok dolgoztak, 400 monomer hosszú volt. Olyan erővel hattak egymásra, amely jellemző sok kémiailag különböző monomerre.
"A polimerlánc minden egyes monomerjére a körülötte lévő monomerekből meghatározhatjuk a rá ható teljes erőt. Abból tudjuk meghatározni a gyorsulást, belőle a sebességet, és onnan, ahol a monomer mozog. Ezt a folyamatot sokszor megismételjük a szimulációk során "- mondta Smrek, hozzátéve:" Rendszereink több mint félmillió monomert tartalmaztak, ezért szuperszámítógépekre volt szükségünk, hogy képesek legyünk feldolgozni az egész folyamatot. "Egy szimuláció egy 500 processzoros számítógépen futott.
Eddig az anyag csak számítógépes modellként létezik, de a tudósok úgy gondolják, hogy kísérletileg elkészíthető lenne, és ennek két módját javasolják. Az elsők az úgynevezett molekuláris motorok, vagyis egyfajta fehérje, amely lokálisan képes erőt kifejteni a kémiai energia rovására, ezáltal rezegve a polimereket. "A második módszer az lenne, ha a gyűrűmolekula egy része több fényt nyelne el, mint egy másik, tehát jobban felmelegszik" - mondja Smrek, hozzátéve, hogy ily módon a molekulák rezgést okoznak, amelyek jobban belegabalyodnak mindegyikbe. más, így mozdulatlanná válnak, és az eredmény szilárd, üveg lesz.
A molekuláris motorok helyi aktivitása meghúzhatja a húrozást (balra). A molekulák "csomója" (jobbra) összetartozik a "molekulák" kölcsönös befűzésének köszönhetően. Fotó - J. S.
Lehetséges felhasználás a gyakorlatban
Ennek a kutatásnak az volt a célja, hogy megértsük azokat a fizikai törvényszerűségeket, amelyeknek a hosszú körkörös molekulák molekuláris motorok vannak kitéve, de Spruce Denník N-nek kifejtette, hogy a DNS (valószínűleg a legismertebb polimer) hasonló tulajdonságokat mutat, mint a körkörös molekulák.
Az ezen a területen végzett kutatások egy napon kibővíthetik az élő rendszerek megértését. "Az a módszer, ahogyan a DNS az emberi sejtben térben összecsukódik, nagyon hasonlít a kör alakú polimerek tipikus elrendezésére, bár a DNS-nek telomereknek nevezett végei vannak" - tette hozzá Smrek.
Ez a kutatás alapvető, ezért nem elsősorban az ismeretek azonnali alkalmazásáról szól a gyakorlatban. Kizárólag a dolgok, ebben az esetben a kör alakú polimerek megértésére összpontosít. "Túlmutatunk azon, amit jelenleg tudunk. Felfedezésünk az, hogy üveg létrehozása lehetséges egy kör alakú alak és a polimer aktivitás kombinálásával. "- mondja Spruce, és arra tippel, hogy a jövőben a polimer aktivitás be- vagy kikapcsolása megváltoztathatja egy olyan anyag állapotát, amely egyszer folyadékként viselkedne, de aztán szilárd (üveg).
Pozsony - New York - Mainz - Bécs
Smrek megszerzése után (Matematikai, Fizikai és Informatikai Kar, Pozsonyi Károly Egyetem) Smrek fizika doktorátust szerzett a New York-i Egyetemen. Több év után a tengerentúlon visszatért Európába, és posztdoktori munkatársként dolgozott a németországi Mainzban, a Max Planck Polimer Kutató Intézetben.
Most a Bécsi Egyetemen dolgozik Christos Likos számítógépes fizika és lágyanyag fizika nevű csoportjában. "Közelebb akartam lenni az otthonhoz. Támogatásért folyamodtam, amelyet megnyertem, így Ausztriába kerültem "- mondta Smrek.
Helyzetét az Osztrák Tudományos Kutatási Támogatási Alap (FWF) fedezi. "Ez egy olyan alap, amely külföldi kutatókat vonz az osztrák tudomány gazdagítására."
A cikk első szerzői. Iuria Chubak (balra) és Ján Smrek (jobbra). Fotó - J. S.
A fiatal fizikus még nem tudja, mi fog történni a jövőben, mivel bécsi pozíciója egy év múlva véget ér. "A tudományban az álláspontok szándékosan rövid életűek, hogy ösztönözzék az ötletek és gondolatok cseréjét. Ez jó a tudomány számára, bár nem teljesen a családtagokkal rendelkező tudósoknak "- mondta Smrek a tudós hivatásával kapcsolatos bizonytalanságról.
A fizikus a hazatérést is fontolgatja, de külföldön gazdaságilag előnyösebb. "A posztdoktori hallgatók fizetése itthon és külföldön még a megélhetési költségek figyelembevételével sem hasonlítható össze. Szlovákiában az alapfizetésük nettó 700-800 euró körül van "- mondja Smrek, hozzátéve:" Ha a tudósok elakadnak, és nem kutatnak semmit, sok embernek kár lenne, ami kár. A következmények azonban néhány évvel később érezhetők lennének. Képzelje el, hogy ma nem tudtunk a klímaváltozásról vagy az ibuprofenről. Az embereket azonban gyakran elsősorban a rövid távú perspektíva érdekli. De még hazánk sem szerelhet örökre autókat. Az autógyártók néhány év múlva nem lesznek itt, és mit fogunk tenni?.
A nem ideális körülmények ellenére azonban Szlovákiában sok minőségi tudós áll - mondja a tudós. "Sok olyan embert ismerek, akik rendkívül ügyesek és lelkesek. Nekik köszönhetően az akadémiai környezet nem annyira nyomasztó, mint amilyennek néha a médiában tűnhet "- tette hozzá.