Denník N

Opísal objav nového typu skla. Slovensko nemôže večne len montovať autá, vraví fyzik

„Chuchvalec“ kruhových molekúl vizualizovaný pomocou počítačovej simulácie. Každá guľôčka je jeden monomér a rozdielne polyméry sú farebne odlíšené. Foto – Ján Smrek/Viedenská univerzita
„Chuchvalec“ kruhových molekúl vizualizovaný pomocou počítačovej simulácie. Každá guľôčka je jeden monomér a rozdielne polyméry sú farebne odlíšené. Foto – Ján Smrek/Viedenská univerzita

Vedci rozkmitali kruhové molekuly, ktoré sa do seba zamotali a vytvorili chuchvalec, v ktorom si bránili v pohybe. Výsledkom bola pevná látka, sklo. Materiál zatiaľ simulovali v počítači.

Viete, čo spája sklenenú tabuľu vo vašom okne a PET fľašu? Oba materiály sú vyrobené zo skla. Presne tak. Aj na PET fľašu sa dá pozerať ako na sklo, keďže ide o pevný nekryštalický materiál.

„PET fľaša je sklom v tom zmysle, že má podobne neusporiadané molekuly ako tekutina, no ide o pevnú látku. Na rozdiel od tekutiny však v pevnej látke zostávajú molekuly viac-menej na svojich miestach,“ povedal pre Denník N fyzik Ján Smrek z Viedenskej univerzity.

Tento mesiac vydal s kolegami článok v kvalitnom vedeckom časopise Nature Communications, kde opísal objav nového typu skla. Zatiaľ ho však iba modelovali v počítači a bude na iných, aby ho aj experimentálne pripravili.

Materiál tvorilo niekoľko stoviek dlhých kruhových molekúl, ktoré sa začali správať ako sklo – čiže pevná látka bez usporiadanej kryštalickej mriežky – po tom, čo ich vedci pri počítačovej simulácii rozkmitali natoľko, že sa do seba zaplietli. Vo vzniknutých „chuchvalcoch“ si molekuly navzájom bránili v pohybe, takže sa z fyzikálneho hľadiska správali ako táto pevná látka.

Fyzici „natiahli“ na každú molekulu vrstvu s minimálnym povrchom, aby v počítačovej simulácii detegovali prevlečenie molekúl. Prepichnutie jedného povrchu druhým signalizuje miesto prevlečenia molekúl. Foto – Ján Smrek/Viedenská univerzita

Zmrazenie nefungovalo

O kruhové polyméry (veľké molekuly kružnicového tvaru zložené z opakujúcich sa jednotiek, monomérov) sa vedci zaujímajú zhruba od 80. rokov minulého storočia. Ich nevýhodou je, že na rozdiel od lineárnych polymérov – ktoré vyzerajú ako nitka – sa pri vysokej hustote veľmi ťažko matematicky opisujú. To komplikuje prácu s nimi.

„Ľudia majú skúsenosť, že gumičky do vlasov sa im vo vrecku zmotajú do chuchvalca. No pre najdlhšie kruhové molekuly, ktoré dnes vieme vyrobiť, takéto zmotanie nestačí, aby vznikla pevná látka,“ vysvetľuje Smrek. Vedci preto hľadali spôsob, ako zamotanie molekúl zväčšiť.

V minulosti vzniklo niekoľko teoretických prác, podľa ktorých sa polyméry začnú správať ako sklo, keď sa niektoré kruhové molekuly znehybnia či zmrazia. Smrek vytiahne dve gumičky do vlasov a prepletie ich, aby ukázal, čo má na mysli: „Ak by sme zmrazili túto gumičku tak, aby sa nehýbala, obmedzovala by pohyb druhej gumičky, ktorá je s ňou prepletená. Ak by sa zmrazil väčší počet takýchto kruhových molekúl, obmedzil by sa tým pohyb zvyšných molekúl natoľko, že by sa to ako celok správalo ako pevná látka, teda sklo.“

Počítačové simulácie síce naznačili, že takáto látka by mohla existovať, no experimentálne sa ju nikdy nepodarilo pripraviť. „Svojím spôsobom je to dosť nefyzikálny postup, lebo ak má niečo nenulovú teplotu, trasie sa to a ohrieva okolie. Preto si možno iba ťažko predstaviť, ako experimentálne znehybniť jednu molekulu v priestore, no vedľajšiu nie,“ vysvetlil Smrek podstatu problému.

Gumičky do vlasov ako kruhové polyméry. Molekuly nie sú zviazané ako oká na reťazi, no môžu sa navzájom navliekať jedna do druhej (vpravo). Foto – J. S.

Rozkmitaním sa molekuly zviazali

Fyzik a jeho kolegovia preto zvolili iný prístup a namiesto toho, aby sa kruhové molekuly snažili znehybniť, ich viac rozkmitali.

Smrek spraví z gumičiek chuchvalec a povie: „Tým, že sme časti molekúl rozhýbali viac ako iné, sa do seba celé molekuly nahusto zaplietli. Vznikol chuchvalec, v ktorom molekuly bránili tým susedným v pohybe. Výsledkom bola pevná látka, sklo,“ povedal Smrek o princípe, ktorý si zvolili.

Jeden polymér, s ktorým vedci pracovali, mal dĺžku 400 monomérov. Navzájom na seba pôsobili silou, ktorá je typická pre veľa chemicky rôznych monomérov.

„Pre každý monomér z polymérneho reťazca vieme podľa monomérov naokolo určiť celkovú silu, aká na neho pôsobí. Z nej vieme stanoviť zrýchlenie, z neho rýchlosť a z nej to, kam sa monomér pohne. Tento proces pri simuláciách mnohokrát opakujeme,“ povedal Smrek a dodal: „Naše systémy obsahovali viac ako pol milióna monomérov, preto sme potrebovali superpočítače, aby sme celý proces dokázali spracovať.“ Jedna simulácia bežala na 500-procesorovom počítači.

Látka zatiaľ existuje len ako počítačový model, no vedci si myslia, že by sa dala experimentálne pripraviť, a navrhujú dva spôsoby, ako na to. Prvým sú takzvané molekulárne motory, čiže akési bielkoviny, ktoré dokážu lokálne vyvinúť silu na úkor chemickej energie, čím rozkmitajú polyméry. „Druhým spôsobom by bolo, že by časť kruhovej molekuly absorbovala viac svetla ako iná, takže by sa aj viac ohriala,“ hovorí Smrek a dodáva, že týmto spôsobom by dosiahli rozkmitanie molekúl, ktoré by sa do seba viac zamotali, takže by sa navzájom znehybnili a výsledkom by bola pevná látka, sklo.

Lokálna aktivita molekulárnych motorov môže navlečenie zatiahnuť (vľavo). „Chuchvalec“ molekúl (vpravo) drží pokope vďaka vzájomným navlečeniam „molekúl“. Foto – J. S.

Možné využitie v praxi

Cieľom tohto výskumu bolo pochopiť fyzikálne zákonitosti, ktorým podliehajú dlhé kruhové molekuly, ktorými trasú molekulárne motory, no Smrek pre Denník N vysvetlil, že podobné znaky ako kruhové molekuly vykazuje aj DNA (asi najznámejší polymér).

Výskum v tejto oblasti by jedného dňa mohol rozšíriť aj chápanie živých systémov. „To, ako je DNA v ľudskej bunke poskladaná v priestore, sa veľmi podobá na typické usporiadanie kruhových polymérov, hoci DNA má konce, ktoré sa volajú teloméry,“ dodal Smrek.

Uvedený výskum je základný, takže mu primárne nejde o okamžité uplatnenie poznatkov v praxi. Zameriava sa výhradne na pochopenie toho, ako veci fungujú, v tomto prípade kruhové polyméry. „Pátrame za hranicu toho, čo v tejto chvíli vieme. Náš objav tkvie v tom, že je možné vytvoriť sklo kombináciou kruhového tvaru a aktivity polymérov,“ hovorí Smrek a špekuluje, že v budúcnosti by sa zapnutím alebo vypnutím aktivity polymérov dalo meniť skupenstvo materiálu, ktorý by sa raz správal ako tekutina, no potom ako pevná látka (sklo).

Bratislava – New York – Mainz – Viedeň

Po zisku magisterského titulu (Fakulta matematiky, fyziky a informatiky UK v Bratislave) si Smrek spravil doktorát z fyziky na univerzite v New Yorku. Po niekoľkých rokoch v zámorí sa vrátil do Európy a ako postdoktor pôsobil na Inštitúte Maxa Plancka pre polymérový výskum v nemeckom Mainzi.

Teraz pracuje na Viedenskej univerzite v skupine Christosa Likosa s názvom Počítačová fyzika a fyzika mäkkej hmoty. „Chcel som byť bližšie k domovu. Podal som si žiadosť o grant, ktorý som vyhral, a tak som sa dostal do Rakúska,“ povedal Smrek.

Jeho pozícia je hradená z rakúskeho Fondu na podporu vedeckého výskumu (FWF). „Ide o fond, ktorým lákajú výskumníkov zo zahraničia, aby obohatili rakúsku vedu.“

Prví autori článku. Iurii Chubak (vľavo) a Ján Smrek (vpravo). Foto – J. S.

Čo bude v budúcnosti, zatiaľ mladý fyzik nevie, keďže pozícia vo Viedni mu o rok skončí. „Vo vede sú posty naschvál krátkodobé, aby sa tak stimulovala výmena nápadov a myšlienok. To je dobré pre vedu, hoci nie celkom pre vedcov s rodinou,“ povedal Smrek o neistote, ktorá je spojená s výkonom povolania vedca.

Fyzik zvažuje aj návrat domov, no zahraničie je ekonomicky výhodnejšie. „Platy postdoktorandov u nás a v zahraničí sú neporovnateľné aj pri zohľadnení životných nákladov. Na Slovensku majú základný plat okolo 700 až 800 eur v čistom,“ hovorí Smrek a dodáva: „Ak by sa vedci zaťali a na truc nič nevyskúmali, bolo by to veľa ľuďom možno fuk, čo je škoda. Dôsledky by sa však prejavili o niekoľko rokov neskôr. Predstavte si, že by sme dnes nevedeli o klimatickej zmene či nepoznali ibuprofén. Ľudí však často zaujíma hlavne krátkodobá perspektíva. No ani naša krajina nemôže večne len montovať autá. O pár rokov tu automobilky nebudú a čo budeme robiť?“ pýta sa fyzik a naznačuje, že cestou sú investície do vedy a výskumu, ktoré generujú v dlhodobom horizonte veľkú pridanú hodnotu.

Napriek podmienkam, ktoré nie sú ideálne, je však na Slovensku veľa kvalitných vedcov a vedkýň, hovorí vedec. „Poznám veľa ľudí, ktorí sú nesmierne šikovní a nadšení. Práve vďaka nim nie je akademické prostredie také depresívne, ako sa niekedy môže zdať z médií,“ dodal.

Dostupné z: doi:10.1038/s41467-019-13696-z

Technológie

Teraz najčítanejšie