Kapky tekutiny se mohou samosestavovat a mohou dokonce tvořit optické komponenty nebo logické obvody. Je k tomu potřeba jen smíchat dvě běžně používané kapaliny. Gravitace je univerzální silové působení mezi všemi formami hmoty. Jenže fyzikální podstatu tohoto působení nikdo zatím pořádně nevysvětlil. Pomohou gravitační vlny? A nakonec něco o zdokonalené protonové terapii.

Kapky tekutiny tvoří logické obvody

Američtí fyzici udělali pozoruhodný objev – i když to na první pohled vypadá, že se vrátili do dětských let a jen tak si hráli. Všimli si totiž, že když se vhodně smísí dvě kapaliny, pak se kapky mohou pohybovat jedna za druhou po určité dráze a mohou se dokonce samosestavovat a vytvářet různé součástky. Za všechny tyto podivuhodnosti může jev, který popsal už v roce 1865 italský fyzik Carlo Marangoni. Všiml si, že v kapalině s gradientem povrchového napětí je kapalina přitahována směrem k oblasti vyššího povrchového napětí.

Důvod, že se kapky udrží pohromadě a nerozlejí, vyplývá také z tohoto prastarého objevu. Jde jen o to dvě kapaliny vhodně smíchat. Příkladem může být voda smíchaná s potravinářským barvivem. Propylen glykol, který se v potravinářských barvivech používá, se při pokojové teplotě vypařuje pomaleji než voda. To znamená, že jak se kapka rozlévá po čistém povrchu, ze zvětšujícího se povrchu kapky se vypařuje více vody než propylen glykolu. Koncentrace vody je tedy u povrchu kapky nižší než uprostřed. Propylen glykol má mnohem nižší povrchové napětí než voda a to znamená, že kraj kapky má také nižší povrchové napětí než její střed. Kapalina je tedy přitahována do středu kapky a kapka se nerozteče. Jeden z fyziků ze Stanfordu to formulovat tak, že „kapky mají uvnitř miniaturní tornádo a tyto neustálé změny chrání kapku před roztečením“.

Teď se k tomuto zajímavému jevu američtí fyzici vrátili. Použili magnetickou kapalinu a zkoušeli, jak se kapky budou chovat pod vlivem magnetického pole. K překvapení všech se kapky spořádaně pohybovaly matricí propojených drah a dokázaly vytvořit všechny základní logické obvody, které se nacházejí v počítači. A k čemu je dobré, když uspořádané kapky elektronické obvody určitě nenahradí? Odpověď zní, že může vzniknout základna pro vytvoření nových technologií, a výzkum může navíc poskytnout nové informace o kolektivním chování částic, takže zasahuje do základní fyziky.

I když počítače většinou zpracovávají abstraktní informace, často je jejich hlavní funkcí řízení reálných procesů. A teď fyzici ze Stanfordovy univerzity vytvořili systém, který právě pomocí zmíněných kapek magnetické tekutiny kombinuje zpracování informací a řízení hmotných částic najednou. Obvody jsou vytvořeny kapkami vody, která obsahuje magnetické nanočástice. Ty jsou sevřeny mezi tenkou vrstvou oleje a sklem, na kterém jsou vryté železné dráhy. Po přiložení rotačního magnetického pole se vytvoří soustava rotačních energetických minim.

Pokud by základnou byl pouze železný povrch bez vyznačených drah, kapky by se pohybovaly v kruzích a sledovaly by energetická minima vytvářená polem. Správným tvarem a umístěním drah se vytvoří spirálový efekt a kapka se posune do přilehlého energetického minima. Místo pohybu v kruzích se kapka pohybuje obvodem určeným směrem. Vytvořením dvou vzájemně zrcadlových drah budou dvě kapky rotovat v opačném směru. Přitom jde o odezvu na stejné pole.

V důsledku kombinace hydrodynamických a magnetických sil se kapky budou také vzájemně odpuzovat. Tato odpudivá síla umožňuje vytvořit „kapkový ekvivalent tranzistoru“, v němž bude přítomnost nebo nepřítomnost jedné kapky určovat dráhu druhé kapky. Přiřazením binárních čísel 1 a 0 přítomnosti (respektive nepřítomnosti) kapky je možno vytvořit kapkové logické hradlo. Taková hradla mohou provádět úplný soubor Booleovských logických operací, které tvoří základ všech počítačových programů.

Účelem tohoto výzkumu určitě není nahradit elektronické logické obvody a počítače, ale umožnit to, co by se dalo nazvat „algoritmickou manipulací s hmotou“. Kapka totiž může obsahovat určité molekuly nebo buňky, které je třeba dopravit na určité místo nebo je řídit určeným způsobem. To může být velmi užitečné pro chemickou nebo biologickou analýzu vzorků v laboratoři nebo pro řízení nebo samosestavování větších struktur právě ze složek obsažených uvnitř kapek.

Řada fyziků – a nejen fyziků – považuje tento výzkum za fascinující. Aplikace v teoretické fyzice může objasnit kolektivní chování velkého množství interagujících částic.

Gravitační vlny

Vylepšený laserový interferometr gravitačních vln LIGO byl dokončen s nákladem 200 milionů dolarů. V následujících měsících bude uveden do provozu a jeho hlavním úkolem bude poprvé přímo detekovat gravitační vlny. LIGO se skládá ze dvou separátních teleskopů ve Spojených Státech. Je to Livingston observatory v Louisianě a Hanford observatory ve státě Washington. Obě zařízení budou k hledání gravitačních vln používat laserový interferometr.

Gravitace je univerzální silové působení mezi všemi formami hmoty. Jako první v historii přispěl k poznání gravitačních jevů Galileo Galilei formulováním proslulého zákona volného pádu, podle něhož všechna tělesa padají k zemi s konstantním zrychlením, které je nezávislé na hmotnosti tělesa. Tento zákon, zobecněný na princip univerzálnosti gravitačního působení, se stal jedním z hlavních východisek moderní fyziky gravitace, Einsteinovy obecné teorie relativity.

Podle této teorie je gravitace v podstatě zakřivení časoprostoru. Gravitační vlny jsou zvlněním časoprostoru. Podobají se elektromagnetickým vlnám tím, že se také šíří rychlostí světla a jsou vlnami příčnými. Jejich amplituda ubývá úměrná vzdálenosti a hustota toku energie je nepřímo úměrná čtverci vzdálenosti. Gravitační vlny se ale od elektromagnetických vln přece jen podstatně liší. Protože v rozvlněném časoprostoru nelze stanovit pevný koordinační systém, nemůžeme průchod gravitačních vln poznat sledováním jediné částice, ale pouze pozorováním deformací oblaku částic, pružného tělesa nebo z ovlivnění interferenčních jevů. Gravitační vlny jsou ve srovnání s vlnami elektromagnetickými slabé. V důsledku slabosti gravitační interakce a v důsledku neexistence záporných hmotností je v gravitačních systémech moment dipólu nulový.

I když gravitační vlny zatím nikdo přímo nedetekoval, astrofyzici pozorovali ztrátu energie dvou neutronových hvězd (pulsarů), což jsou hustá jádra dřívějších masivních hvězd, která obíhají kolem společného těžiště a rotují navzájem proti sobě. Ztráta energie přesně odpovídá hodnotě, která vyplývá z Einsteinových rovnic a o které Einstein předpokládá, že bude emitována ve formě gravitačního záření. To podnítilo fyziky k honbě za gravitačními vlnami protože jsou přesvědčeni, že se je nakonec podaří detekovat. Spustila se řada velmi ambiciózních projektů, z nichž právě LIGO, založený na ovlivnění interferenčních jevů, patří k nejnadějnějším.

Základem systému LIGO jsou dvě observatoře. Obě mají 4 km dlouhé rameno, kolmé ke zbytku zařízení. Na vrcholu je umístěn laser a dělič svazku. Laserový svazek je rozdělen do dvou kolmých směrů (ramen), na jejichž koncích jsou zrcadla zavěšená na testovacích tělesech. Pohyb těchto těles se studuje. Světlo se odrazí od zrcadla na konci každého ramene, která mají přesně stejnou délku, pak se vrátí na vrchol a interferuje. Blízký detektor normálně nezaznamenává žádný signál, když ale observatoří procházejí gravitační vlny, délka ramene se nepatrně prodlouží, což způsobí, že detektor signál zaznamená. Čím větší je vzdálenost ramen, tím větší je přesnost.

LIGO začalo pracovat v roce 2001 a bylo uzavřeno v roce 2010, kdy byla zahájena modernizace. LIGO má kompletně přestavěné interferometry a detektor. První data z nového zdokonaleného LIGO očekáváme v září, kdy bude zařízení mít třetinu konečné plánované citlivosti. Konečné nejvyšší hodnoty citlivosti dosáhne za několik let a ta bude desetkrát vyšší, než měla původní observatoř. Předpokládá se, že první výsledky budou ale k dispozici dlouho před tím, než bude dosaženo plné citlivosti. Podaří se skutečně gravitační vlny detekovat a dozvíme se tak něco nového o fyzikální podstatě gravitace, jevu, který náš život provází tak důsledně jako žádný jiný.

Zdokonalená protonová terapie

O protonové terapii se teď hodně mluví, protože představuje velmi nadějnou cestu k léčení některých druhů nádorů. Fyzici i lékaři se ale potřebují ubezpečit o tom, že svazek protonů skutečně zasáhne svůj cíl. Může se to provést pomocí positronové emisní tomografie (PET). Positronová emisní tomografie je lékařská zobrazovací metoda a spadá do oboru nukleární medicíny. Přirozené molekuly, které se váží na receptory nervových vzruchů, se značkují radioaktivními látkami uvolňujícími positrony. V místě aktivní nervové činnosti positrony anihilují s elektrony a vzniká elektromagnetické záření, které umožňuje toto místo zobrazit.

Protonová terapie používá extrémně přesný svazek protonů namířený na nádor s cílem zničit ho, aniž by se poškodily okolní zdravé tkáně. Positronová emisní tomografie by byla dokonalým prostředkem pro zjištění, že se protony dostaly na správné místo. Jenže distribuce radioisotopů in vivo je zkreslená biologickým vyplavováním, které je u různých pacientů různé. Zdokonalená metoda poskytuje alternativu, specifickou pro daného pacienta.

V čem spočívá zdokonalení? Američtí vědci spolu s jihokorejskými kolegy vyvinuli kinetický model, který popisuje změny koncentrace aktivity pro určitou molekulu obsahující emitor positronů. Bere v úvahu isotopy generované při terapii i jejich následný rozklad nebo vyplavení. Pokles radioaktivity je dán jednak fyzikálními vlastnostmi radioisotopů a jednak biologickým vyplavováním, které se mění podle tvaru molekuly radioisotopu. Zdokonalená metoda může zpřesnit výsledky PET monitorování odstraněním proměnných biologických faktorů, které ovlivňují výsledky. Monitorování bude přesnější, spolehlivější a vyloučí potřebu empirických faktorů – pokud je ovšem toto monitorování provedeno brzy po ozařování protony.

Během ozařování se generuje několik radioisotopů, jako jsou dusík-13 (¹³N) nebo uhlík-11 (¹¹N) v různých molekulárních formách. 80 % signálu positronové emisní tomografie je ale tvořeno isotopem kyslík-15 (¹⁵O), protože voda je hlavní složkou těla. V důsledku toho model předpokládá dominantní příspěvek od isotopu kyslíku, přítomného v molekulách vody, s korekcí na ostatní radioisotopy. Doplněním modelu o dynamická PET data může být přesně určena tvorba a pokles isotopu ¹⁵O.

Model testovali jeho tvůrci na medicínském modelu a na zvířatech. Teď se začnou dělat studie na skutečných pacientech a autoři mají za cíl ukázat zlepšení v porovnání měřeného a simulovaného PET zobrazení jako první krok pro klinické zavedení. Plné klinické využívání vyžaduje skener, který by zkrátil čas mezi ozařováním a zobrazením. Ideální by bylo použití kruhového detektoru, který by mohl být použit bezprostředně po ozařování.

Další díly:

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

Autor: Jana Štrajblová
Úvodní foto: Kapka může obsahovat určité molekuly nebo buňky, které je třeba dopravit na určité místo nebo je určeným způsobem řídit - To může být užitečné pro chemickou nebo biologickou analýzu nebo řízení a samosestavování větších struktur právě ze složek obsažených uvnitř kapek (foto Freeimages)