Vědci hrají Tetris na molekulární úrovni

Helena Vrecková  |  Věda
Ultrastabilní sklo. Zdroj: Institute for Molecular Engineering, The University of Chicago

Vědci skládají molekuly po vzoru hry Tetris. Cílem je vytvořit ultrastabilní skelný materiál.

Vědci se již dříve snažili napodobit vlastnosti přírodních skelných materiálů, například jantar – uhlíkatý minerál vzniklý mineralizací pryskyřicí jehličnanů z období třetihor. Ty však měly na vývoj své nynější formy miliony let. Vědci tedy museli vytvořit proces, při kterém by docházelo k podobným procesům, avšak v mnohem kratším čase.

Nová metoda postupu umožňuje vědcům vytvořit během několika hodin či dnů sklo, které má vlastnosti přírodních skelných materiálů. Nejedná se však o nový materiál, ale o vylepšení již existujícího skla. Vše se odehrává na molekulární úrovni a hlavní slovo zde má Tetris. Za objevem stojí vědci z univerzity v Chicagu (abstrakt).

Náhodné pochopení příčiny

Vědci celá léta pracovali se vzorky stejným postupem. Všechny vzorky byly uloženy ve vakuové komoře a procházely postupem zahřátí, odpařování a nakonec zkapalnění. Po té byly naneseny na speciální povrch a ochlazeny. Vědci zjistili, že takto upravený vzorek skelného materiálu je mnohem stabilnější, než jeho původní forma. Ačkoliv již předchozí výzkumní pracovníci tento jev zaznamenali, nikdo tomuto faktu nepřisuzoval větší význam a nepátral proto po příčinách.

Mark Ediger začal uvažovat o možném důvodu změny stability materiálu. Svou teorii však nejdříve potřeboval potvrdit počítačovou simulací, kterou vytvořil Sadanand Singh. Ediger celý proces přirovnal ke hře Tetris.

Rychle se hromadící molekuly se organizují náhodně a nepřehledně. Pokud je však rychlost chladnutí materiálu ovlivňována, je možné docílit dokonalého organizování všech částic. Zdroj: Institute for Molecular Engineering, The University of Chicago
Rychle se hromadící molekuly se organizují náhodně a nepřehledně. Pokud je však rychlost chladnutí materiálu ovlivňována, je možné docílit dokonalého organizování všech částic. Zdroj: Institute for Molecular Engineering, The University of Chicago

Hraní Tetrisu v laboratoři

Proč výzkumníci přirovnali práci s molekulami k Tetrisu? Při hraní Tetrisu se člověk snaží rovnat padající objekty tak, aby do sebe dokonale zapadly. Pokud chybujete, ve struktuře se vytváří nerovnosti a prázdná místa. Strukturu stavby u prohrané hry bychom mohli přirovnat ke krystalické molekulární struktuře. Pokud však všechny kostky zapadnou na místo a vytvoří dokonalou stavbu, jedná se o mnohem stabilnější objekt. Takový objekt vědci přirovnávají k amorfním látkám, které nemají pravidelnou (krystalickou) strukturu – takovou látkou je i nově vzniklé sklo.

Stejně jako u Tetrisu hraje při výrobě skla svou roli rychlost. Čím rychleji chcete hrát, tím větší je pravděpodobnost, že uděláte chybu. Vědci proto musí při simulacích volit tempo postupu velmi opatrně a korigovat jej s vhodnou teplotou pro chlazení. Rychlejší chlazení totiž může u materiálu vyvolat krystalizaci. Na rozdíl od hry však neovládáte každý dílek zvlášť, ale pracujete s jednolitým celkem.

Nový postup by se mohl uplatnit také při výrobě silnějších a odolnějších kovů. V lékařství by se tento postup mohl využívat při tvorbě rychleji působících léků. Takto vzniklá léčiva při svém vzniku a uchovávání nemohou krystalizovat, proto by i následná manipulace s nimi a jejich aplikace do krve mohla být rychlejší.

Jedná se zatím o počítačovou simulaci, za kterou budou následovat další testy nejen skelných materiálů, ale právě i dalších různorodých materiálů.

Nejčtenější