Oamenii de știință au vibrat moleculele circulare, care s-au încurcat și au format un smoc în care împiedicau mișcarea. Rezultatul a fost un sticlă solidă. Materialul a fost simulat până acum pe un computer.
Știi ce leagă geamul de sticlă din fereastra ta și sticla PET? Ambele materiale sunt realizate din sticlă. Exact. Sticla PET poate fi văzută și ca sticlă, deoarece este un material solid necristalin.
„O sticlă PET este sticlă în sensul că are molecule dezordonate în mod similar ca un lichid, dar este un solid. Spre deosebire de un lichid, însă, moleculele dintr-un solid rămân mai mult sau mai puțin la locul lor ", a spus fizicianul Ján Smrek de la Universitatea din Viena pentru Denník N.
Luna aceasta, el și colegii săi au publicat un articol în revista științifică de înaltă calitate Nature Communications, unde a descris descoperirea unui nou tip de sticlă. Până acum, însă, a fost modelat doar pe un computer și va rămâne la latitudinea celorlalți să-l pregătească experimental.
Materialul a fost alcătuit din câteva sute de molecule circulare lungi care au început să se comporte ca sticla - un solid fără o rețea de cristal ordonată - după ce oamenii de știință le-au vibrat suficient într-o simulare computerizată pentru a se încurca. În „aglomerările” rezultate, moleculele s-au împiedicat reciproc să se miște, așa că s-au comportat fizic ca acest solid.
Congelarea nu a funcționat
Polimerii circulari (molecule circulare mari compuse din unități repetate, monomeri) au fost de interes pentru oamenii de știință încă din anii 1980. Dezavantajul lor este că, spre deosebire de polimerii liniari - care arată ca un fir - sunt foarte greu de descris matematic la densitate mare. Acest lucru complică lucrul cu ei.
„Oamenii au experiența că benzile de cauciuc din păr se rostogolesc într-un smoc în buzunar. Dar pentru cele mai lungi molecule inelare pe care le putem produce astăzi, o astfel de încurcare nu este suficientă pentru a forma un solid ", explică Smrek. Prin urmare, cercetătorii au căutat o modalitate de a crește încurcarea moleculelor.
Premiul Nobel în Slovacia: Mă simt ca un băiețel care se joacă cu un picior
În trecut, au apărut mai multe lucrări teoretice conform cărora polimerii încep să se comporte ca sticla atunci când unele molecule circulare devin imobilizate sau înghețate. Molid trage două benzi de cauciuc în păr și le încurcă pentru a arăta ce vrea să spună: „Dacă am îngheța această bandă de cauciuc astfel încât să nu se miște, ar restricționa mișcarea celei de-a doua benzi de cauciuc, care este legată de el. Dacă un număr mai mare de astfel de molecule inelare ar fi înghețate, mișcarea moleculelor rămase ar fi restricționată într-o asemenea măsură încât, în ansamblu, s-ar comporta ca un solid, adică sticlă. "
Deși simulările pe computer au sugerat că o astfel de substanță ar putea exista, nu a fost niciodată pregătită experimental. „Într-un fel, este o procedură destul de non-fizică, deoarece dacă ceva are o temperatură diferită de zero, se agită și încălzește împrejurimile. Prin urmare, este dificil să ne imaginăm cum să imobilizăm experimental o moleculă în spațiu, dar nu pe cea secundară ", a explicat Smrek esența problemei.
Benzi de păr ca polimeri rotunzi. Moleculele nu sunt legate ca niște ochiuri pe un lanț, dar se pot înfășura una în cealaltă (dreapta). Foto - J. S.
Moleculele legate de oscilație
Prin urmare, fizicianul și colegii săi au ales o abordare diferită și, în loc să încerce să imobilizeze moleculele inelului, le-au vibrat mai mult.
Molidul transformă umflăturile de cauciuc în smocuri și spune: „Prin mișcarea părților moleculelor mai mult decât altele, moleculele întregi sunt încurcate una în cealaltă. S-a format un smoc în care moleculele împiedicau vecinii să se miște. Rezultatul a fost un sticlă solidă ", a spus Smrek despre principiul pe care l-au ales.
Un polimer cu care au lucrat oamenii de știință avea o lungime de 400 monomeri. Aceștia au acționat unul pe celălalt cu o forță tipică pentru mulți monomeri chimic diferiți.
„Pentru fiecare monomer din lanțul polimeric, putem determina forța totală care acționează asupra acestuia din monomerii din jurul său. Din aceasta putem determina accelerația, din aceasta viteza și din ea unde se mișcă monomerul. Repetăm acest proces de multe ori în timpul simulărilor ", a spus Smrek, adăugând:" Sistemele noastre conțineau mai mult de o jumătate de milion de monomeri, deci aveam nevoie de supercalculatoare pentru a putea procesa întregul proces. "O simulare a rulat pe un computer cu 500 de procesoare.
Până în prezent, substanța există doar ca model de computer, dar oamenii de știință cred că ar putea fi preparată experimental și propun două modalități de ao face. Primele sunt așa-numitele motoare moleculare, adică un fel de proteine care pot exercita forță locală în detrimentul energiei chimice, astfel polimerii vibrați. „A doua modalitate ar fi ca o parte a moleculei inelului să absoarbă mai multă lumină decât alta, deci s-ar încălzi mai mult”, spune Smrek, adăugând că în acest fel ar determina oscilarea moleculelor, care ar deveni mai încurcate cu fiecare altele, astfel încât să se imobilizeze reciproc și rezultatul ar fi un sticlă solidă.
Activitatea locală a motoarelor moleculare poate trage șirul (stânga). „Aglomerarea” de molecule (dreapta) se menține împreună datorită filetării reciproce a „moleculelor”. Foto - J. S.
Utilizare posibilă în practică
Scopul acestei cercetări a fost să înțeleagă legile fizice la care sunt supuse moleculele circulare lungi de către motoarele moleculare, dar Spruce a explicat pentru Denník N că ADN-ul (probabil cel mai cunoscut polimer) prezintă caracteristici similare cu moleculele circulare.
Cercetările în acest domeniu ar putea într-o bună zi să lărgească înțelegerea sistemelor vii. „Modul în care ADN-ul este pliat în spațiu într-o celulă umană este foarte similar cu aranjamentul tipic al polimerilor circulari, deși ADN-ul are capete numite telomeri”, a adăugat Smrek.
Această cercetare este de bază, deci nu este vorba în primul rând de aplicarea imediată a cunoștințelor în practică. Se concentrează exclusiv pe înțelegerea modului în care funcționează lucrurile, în acest caz polimeri circulari. „Privim dincolo de ceea ce știm în acest moment. Descoperirea noastră este că este posibil să creăm sticlă prin combinarea unei forme circulare cu activitatea polimerului ”, spune Spruce, speculând că în viitor, activarea sau dezactivarea activității polimerului ar putea schimba starea unui material care odată s-ar comporta ca un lichid, dar apoi la fel de solid (sticla).
Bratislava - New York - Mainz - Viena
După obținerea unui masterat (Facultatea de Matematică, Fizică și Informatică, Universitatea Charles din Bratislava), Smrek a obținut un doctorat în fizică de la Universitatea din New York. După câțiva ani peste hotare, s-a întors în Europa și a lucrat ca postdoctor la Institutul Max Planck pentru Cercetarea Polimerilor din Mainz, Germania.
Acum lucrează la Universitatea din Viena într-un grup de Christos Likos numit Computer Physics and Soft Matter Physics. „Am vrut să fiu mai aproape de casă. Am aplicat pentru o subvenție, pe care am câștigat-o, așa că am ajuns în Austria ", a spus Smrek.
Poziția sa este acoperită de Fondul austriac pentru sprijinirea cercetării științifice (FWF). „Este un fond care atrage cercetători din străinătate pentru a îmbogăți știința austriacă”.
Primii autori ai articolului. Iuria Chubak (stânga) și Ján Smrek (dreapta). Foto - J. S.
Tânărul fizician nu știe încă ce se va întâmpla în viitor, deoarece poziția sa la Viena se va încheia peste un an. „În știință, pozițiile sunt deliberat de scurtă durată pentru a stimula schimbul de idei și gânduri. Acest lucru este bun pentru știință, deși nu în întregime pentru oamenii de știință cu familiile lor ", a spus Smrek despre incertitudinea asociată cu profesia de om de știință.
De asemenea, fizicianul are în vedere să se întoarcă acasă, dar în străinătate este mai avantajos din punct de vedere economic. „Salariile studenților postdoctorali acasă și în străinătate sunt incomparabile chiar și atunci când se ține cont de costul vieții. În Slovacia, au un salariu de bază de aproximativ 700 până la 800 de euro în net ", spune Smrek, adăugând:" Dacă oamenii de știință se blochează și nu cercetează nimic, ar fi păcat pentru mulți oameni, ceea ce este păcat. Cu toate acestea, consecințele vor fi resimțite câțiva ani mai târziu. Imaginați-vă că nu am știut despre schimbările climatice sau ibuprofen astăzi. Cu toate acestea, oamenii sunt adesea interesați în principal de perspectiva pe termen scurt. Dar chiar și țara noastră nu poate doar să asambleze mașini pentru totdeauna. Producătorii de automobile nu vor fi aici în câțiva ani și ce vom face? ”Întreabă fizicianul, sugerând că investițiile în știință și cercetare sunt calea de urmat, generând o mare valoare adăugată pe termen lung.
În ciuda condițiilor care nu sunt ideale, totuși, există mulți oameni de știință de calitate în Slovacia, spune omul de știință. „Cunosc o mulțime de oameni extrem de la îndemână și entuziaști. Datorită lor, mediul academic nu este atât de deprimant pe cât poate părea uneori din mass-media ", a adăugat el.