Věříte, že nám nad hlavou v atmosféře tečou „řeky“ obsahující tolik vody, jako je třeba v Amazonce? Už je to tak. A že fyzici znají cestu, jak změřit teplotu takových objektů, jako je živá buňka s prostorovým rozlišením 200 nm? To je také pravda. A nakonec přijde na řadu stále ještě zázračný materiál grafen, tentokrát v roli hypotetického zdroje světla.
Povodně způsobené atmosférickými řekami?
Španělští a švýcarští fyzici a klimatologové přišli na to, že se vzdušná vlhkost z tropických oblastí může transportovat v podobě souvislých struktur, tvořených relativně úzkými koridory. Tyto „atmosférické řeky“ mohou být propojeny s celosvětovou sítí pravidelných větrů a jejich podrobné studium a poznání zákonitostí jejich tvorby by mohlo přispět ke zpřesnění předpovědí řady extrémních jevů, jako jsou třeba povodně.
Přesun vodní páry z tropických oblastí do vyšších zeměpisných šířek není plošný proces, 90 % vlhkosti se vyskytuje právě ve formě atmosférických řek. To jsou úzké koridory vlhkosti, typicky několik tisíc kilometrů dlouhé, ale pouze 400 až 600 km široké. Často ale přenášejí více vody než třeba Amazonka. Na každé polokouli existuje v daném období čtyři až pět takových řek. Známým příkladem je řeka s názvem „Ananasový expres“, která přenáší vlhkost z oblasti Havajských ostrovů k západnímu pobřeží Severní Ameriky. Pokud taková řeka dosáhne pobřeží, může dojít k extrémním srážkám a k následným povodním. A právě zákonitosti těchto jevů jsou problémem, který je třeba prozkoumat.
Jako způsob nahlížení na transport uvnitř mohutných toků tekutiny se nedávno vynořily „Lagrangian Coherent Strustures“ (LCS), což jsou numerické simulace proudění, používající k výpočtům Navier-Stokesovy rovnice. Ty popisují proudění nestlačitelné newtonovské tekutiny a odvodili je už v první polovině 19. století Francouz Navier a Ir Stokes. Tyto struktury tvoří hranice trajektorií toků a vytvářejí základní kostru většího dynamického systému. Důležité je, že vytvářejí oddělené oblasti tekutiny s odlišnými transportními vlastnostmi. Poznatky z jejich studia umožnily pokrok ve znalostech proudění nejen vody, ale i například mraků vulkanického prachu a dokonce i ropných skvrn u pobřeží nebo shluků planktonu.
Animace atmosférického řeky z února 2015 (zdroj: NOAA/ESRL Physical
Sciences Division)
Vzhledem k tomu, že atmosférické řeky nad Atlantikem a Pacifikem představují souvislé toky vodní páry trvající až týdny a že „Lagrangian coherent structures“ pomohly vysvětlit vznik jiných geofyzikálních toků, LCS budou pravděpodobně hrát určitou roli i při formování atmosférických řek. Španělští fyzici proto studovali údaje o rychlosti větru a proudění vodní páry v atmosférických řekách tekoucích nad Atlantikem z Karibské oblasti do jihozápadního Španělska a získané údaje porovnali s výsledky vyplývajícími z počítačového modelu. Odhalili tak nápadnou podobnost mezi LCS vytvořenými počítačovou simulací a skutečnými tvary atmosférických řek, které se formují v oblasti Atlantiku v zimních měsících. LCS tak ve skutečnosti slouží jako druh dočasné kostry, kolem níž se atmosférická řeka může vytvářet, to znamená zvětšovat svojí šířku i délku pomocí větrem formovaných silných proudů, které působí jako bariéry a oddělují oblasti silného a slabého horizontálního toku vlhkosti.
Žádné mohutné LCS nebyly naopak nalezeny ve spojení s kratšími, hůře definovanými a méně trvalými atmosférickými řekami, které vznikají převážně v létě. Fyzici předpokládají, že v těchto řekách je rovnováha mezi vodou a párou ovlivněna převážně lokálními zdroji. Pravděpodobně je to způsobeno tím, že silnější, trvalejší a rovnoměrnější větry, které vanou v zimních měsících, vedou k homogennějšímu transportu vlhkosti.
Tento výzkum má důležité praktické důsledky. Atmosférické řeky se pohybují po různých drahách a přenášejí různá množství vlhkosti a lepší porozumění podmínkám jejich formování může významně pomoci při předpovídání různých extrémních atmosférických a meteorologických jevů.
Kvantový teploměr v praxi
Britští a španělští fyzici vypracovali teoretický základ pro vytvoření prakticky použitelného kvantového teploměru. Ten je určen pro měření teploty velmi malých objektů, jako jsou živé buňky.
Když máte zvýšenou teplotu, prostě uvedete vaše tělo do kontaktu s teploměrem a teplotu si jednoduše změříte. Jenže přece jen o trochu obtížnější úloha je změřit teplotu extrémně malého nebo extrémně chladného objektu. Teplo totiž v takovém případě přechází mezi objektem a teploměrem a měření je tím silně ovlivněno. Rostoucí zájem o vytváření a používání objektů nanometrových rozměrů ve výpočetní technice, metrologii a dalších aplikacích znamená, že fyzici potřebují porozumět termodynamice těchto systémů. To ale vyžaduje schopnost měřit jejich teplotu s vysokou přesností.
Prvním šokujícím krokem v této oblasti bylo, když v roce 2013 fyzici z Harvardu změřili změny teploty v živých buňkách. Použili teploměr s diamantovým nanokrystalem o průměru 100 nm, který zavedli pomocí nanodrátu dovnitř živé buňky a byli schopni detekovat teplotní fluktuace o velikosti 1,8 milikelvinu s nanometrovým prostorovým rozlišením. Jiná skupina fyziků ukázala, že k měření teploty elektronů ve vzorcích, ochlazených pod 1Kelvin, mohou být použity kvantové tečky. Fyzika prostě letí kupředu neuvěřitelným tempem a její vliv na náš každodenní život ani nestačíme vnímat.
O zmíněných kvantových sondách se dá uvažovat jako o „kvantových teploměrech“, protože „cítí“ vliv tepelné energie na nestabilní kvantové stavy jiného izolovaného systému. Takové systémy jsou velmi citlivé na externí podněty, jako je třeba teplo, a to z nich dělá velmi vhodná teplotní čidla. Jejich výzkum je zatím v plenkách, první výsledkyuž ale jsou na světě.
Fyzici z Barcelony a z Nottinghamu teď vypracovali teoretickou studii týkající se kvantových systémů, které by se hodily jako nejlepší teplotní čidla. Spočítali dokonce, jak by takové teploměry mohly fungovat.
Tým se zabýval teploměry, které jsou v teplotní rovnováze se systémem, jehož teplotu měří. Což není nic zvláštního, naopak to připomíná běžný rtuťový nebo lihový teploměr, ponořený do kádinky s vodou. Výpočty ukázaly, že důležitým parametrem při vývoji kvantových teploměrů je tepelná kapacita takového prvku. To je množství energie potřebné ke zvýšení jeho teploty o jeden stupeň. Tepelná kapacita je úzce spojená s různými způsoby, kterými může být systém excitován ze základního stavu, což jsou jeho stupně volnosti. Výpočty ukazují, že zvýšení počtu stupňů volnosti zvyšuje přesnost měření. Z modelu ale také vyplývá, že zvyšování počtu stupňů volnosti zužuje interval teplot, ve kterém je sonda účinná. To znamená, že navrhování praktických čidel bude vyžadovat kompromis mezi přesností a oblastí použitelnosti.
V případě diamantového teploměru, kterým změřili na Harvardu teplotu v živé buňce, může tepelná energie excitovat základní stav systému do jednoho nebo dvou degenerovaných excitovaných stavů (jeho stupňů volnosti). Kdyby bylo možných více degenerovaných stavů, diamantový teploměr by byl přesnější, ale fungoval by pouze v menším rozsahu teplot. Jiné kvantové systémy, které nemají větší počet degenerovaných excitovaných stavů (jako je třeba harmonický oscilátor) mohou být použity jako teplotní čidla, která pracují v širokém rozmezí teplot. Ze všech těchto poznatků vyplynulo, že efektivní cestou k měření teploty miniaturních objektů by mohlo být nejdříve použití méně přesného širokopásmového čidla, kterým by se provedlo hrubé měření, a následně by se používala stále přesnější čidla pro zvýšení přesnosti konečného výsledku.
Tým vyšetřoval i systémy, které nejsou v dokonalé teplotní rovnováze. Jsou tedy nestabilní a doba, po kterou existují, je daleko kratší než doba potřebná k dosažení rovnováhy. V takovém případě přesnost s rostoucím počtem stupňů volnosti roste, teplotní rozsah čidla ale zůstává stejný.
Členové týmu doufají, že jejich práce pomůže zdokonalit experimenty, které měří rozptyl tepla v obvodech nanometrových rozměrů a které povedou k vývoji nových způsobů změření přenosu tepla v živých buňkách. To je totiž mimo jiné velmi důležité z hlediska tepelné terapie nádorových nebo jinak poškozených buněk v živých organismech.
A zase jednou grafen, tentokrát v roli žárovky
Mezinárodní vědecký tým vytvořil poprvé na čipu zdroj viditelného světla, který jako „vlákno“ používá „zázračný materiál“ grafen. Pro připomenutí: Grafen je dosud nejpevnějším známým materiálem tvořeným jedinou vrstvou uhlíkových atomů. Tým zjistil, že malé proužky grafenu, volně zavěšeného mezi dvěma kovovými elektrodami, mohou dosáhnout teploty až 2 800 Kelvinů, což umožňuje emitovat viditelné světlo. Výzkum je sice zatím jen předběžný, ale otevírá fascinující úvahy a možnou aplikaci displejů o síle v řádu atomů, které jsou průhledné, ohebné a je možné jejich optické propojení s jinými elektronickými obvody.
Generování světla na povrchu čipu je klíčem k vývoji plně integrovaných fotonických obvodů, které by mohly používat světlo k přenosu informací. Uvažovaný zdroj světla s grafenem by pracoval podobně jako žárovka s vláknem, které se průchodem elektrického proudu zahřívá a emituje světlo. Jenže grafen má kromě jiných pozoruhodných vlastností vysokou tepelnou vodivost, která zabraňuje ohřátí materiálu na vysokou teplotu, protože teplo je zde nepřetržitě odváděno. Tepelná vodivost grafenu naštěstí prudce klesá u vyšších teplot, protože fonony se začínají navzájem rozptylovat.
Grafen volně zavěšený mezi dvěma elektrodami poprvé použili fyzici z Cambridge v roce 2006. Napřed se nejednalo o produkování světelného záření, zavěšený grafen měl sloužit jako nanomechanický oscilátor. Skupina fyziků z New Yorku zkoušela, jak se frekvence oscilací grafenu mění přikládáním různě velkého napětí, které způsobuje různě velké ohřátí grafenu. Během těchto experimentů zahlédl jeden z nich „cosi zablikat“. Ukázalo se, že je to emise viditelného světla z grafenu.
Členové týmu zkoumali použitelnost grafenu jedno- i vícevrstvého, grafenu vyrobeného napařováním i grafenu získaného klasickým způsobem odtržení jedné vrstvy atomů uhlíku z grafitu. Všechny prvky produkovaly viditelné světlo a na základě teoretického modelu a analýzy emisních spekter odhadli, že teplota ve středu zavěšených plátků dosahuje hodnot kolem 2 800 Kelvinů.
Umístěním vrstvy křemíku za grafen vznikne interference mezi světlem, emitovaným grafenem a světlem emitovaným a odraženým od křemíku. Na určitých frekvencích vznikne interference konstruktivní, dojde tedy k zesílení světelného signálu. Na jiných frekvencích je interfence destruktivní. Tím se může ladit barva emitovaného světla. Účinnost takových zdrojů světla je zatím velmi malá, ale přece jen až 1 000x větší než použitím grafenu připojeného na substrát. Grafen na substrátu navíc nemohl emitovat frekvence vyšší než infračervené, protože jeho teplota byla podstatně snižována právě substrátem. Takže teď fyzici usilovně pracují na zvýšení účinnosti grafenových zdrojů světla.
Nové prvky by mohly mít řadu aplikací včetně průhledných a ohebných světelných displejů. Grafen je zatím známý jako průhledný a ohebný materiál na elektrody – a teď by mohl zároveň fungovat i jako zdroj světla! Další obrovskou předností by mohlo být využití schopnosti grafenu fungovat jako propojení elektronických a optických obvodů. To je zásadní pro aplikace v logistice, protože ohřev i chlazení grafenu je velmi rychlé. Fyzici předpokládají přepnutí v době do 10 pikosekund, čímž by se dala dosáhnout rychlost přenosu dat 100 gigabitů.
Výsledky jsou to zcela nové, ale nikoliv tak docela překvapivé. Technika produkování „zavěšeného“ grafenu je ale velmi složitá, a tak zůstává otázkou, jestli a kdy dosáhne masového rozvoje. Pokud se to podaří, bude to znamenat technologickou revoluci.
Původní materiély byly uveřejněny v časopisech Chaos, Physics World, Physical Review Letters , Nature a Nature Nanotechnology.
Další díly:
Aktuality z fyziky XVII
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