Учените вибрираха кръговите молекули, които се заплитаха и образуваха туфа, в която предотвратяваха движението. Резултатът беше твърдо стъкло. Досега материалът е симулиран на компютър.
Знаете ли какво свързва стъклото на прозореца ви и PET бутилката? И двата материала са изработени от стъкло. Точно. PET бутилката може да се разглежда и като стъкло, тъй като е твърд некристален материал.
„PET бутилката е стъкло в смисъл, че има подобно неподредени молекули като течност, но е твърдо вещество. За разлика от течността обаче, молекулите в твърдото вещество остават горе-долу на местата си “, каза физикът Ян Смрек от Виенския университет за Denník N.
Този месец той и колегите му публикуваха статия във висококачественото научно списание Nature Communications, където описаха откриването на нов тип стъкло. Засега обаче той е моделиран само на компютър и ще зависи от другите да го подготвят експериментално.
Материалът е съставен от няколкостотин дълги кръгови молекули, които започват да се държат като стъкло - твърдо вещество без подредена кристална решетка - след като учените ги вибрират достатъчно в компютърна симулация, за да се заплитат. В получените "бучки" молекулите си пречат да се движат, така че те се държат физически като това твърдо вещество.
Замразяването не работи
Кръговите полимери (големи молекули с кръгла форма, съставени от повтарящи се единици, мономери) представляват интерес за учените от 80-те години на миналия век. Техният недостатък е, че за разлика от линейните полимери - които приличат на нишка - те са много трудни за математическо описание при висока плътност. Това усложнява работата с тях.
„Хората имат опит, че ластиците в косите им се навиват на кичур в джоба им. Но за най-дългите пръстенови молекули, които можем да направим днес, подобно заплитане не е достатъчно, за да образува твърдо вещество “, обяснява Смрек. Следователно изследователите търсят начин да увеличат заплитането на молекулите.
Нобелов лауреат в Словакия: Чувствам се като малко момче, което играе с крак
В миналото са възникнали няколко теоретични трудове, според които полимерите започват да се държат като стъкло, когато някои кръгови молекули се обездвижат или замразят. Смърч дърпа две ластици в косата и ги оплита, за да покаже какво има предвид: „Ако замразим тази ластик, така че да не се движи, това ще ограничи движението на втората ластик, която е преплетена с нея. Ако по-голям брой такива пръстеновидни молекули бяха замразени, движението на останалите молекули щеше да бъде ограничено до такава степен, че като цяло тя да се държи като твърдо вещество, т.е. стъкло. "
Въпреки че компютърните симулации предполагат, че такова вещество може да съществува, то никога не е било подготвено експериментално. „В известен смисъл това е доста нефизична процедура, защото ако нещо има ненулева температура, то се разклаща и затопля околната среда. Следователно е трудно да си представим как експериментално да обездвижим една молекула в космоса, но не и вторичната “, обясни Смрек същността на проблема.
Ленти за коса като кръгли полимери. Молекулите не са вързани като капси на верига, но могат да се вмъкнат една в друга (вдясно). Снимка - J. S.
Молекулите, свързани с трептене
Поради това физикът и колегите му избраха различен подход и вместо да се опитат да обездвижат пръстеновидните молекули, те ги вибрираха повече.
Смърчът превръща гумените неравности в кичури и казва: „Чрез преместване на някои от молекулите повече от други, целите молекули се заплитат една в друга. Образувала се туфа, в която молекулите не позволявали на съседите си да се движат. Резултатът беше солидна, стъклена ", каза Смрек за принципа, който са избрали.
Един полимер, с който учените са работили, е дълъг 400 мономера. Те действаха един на друг със сила, характерна за много химически различни мономери.
„За всеки мономер в полимерната верига можем да определим общата сила, действаща върху него, от мономерите около нея. От него можем да определим ускорението, от него скоростта и от него къде се движи мономерът. Повтаряме този процес много пъти по време на симулации ", каза Смрек и добави:" Нашите системи съдържаха повече от половин милион мономери, така че се нуждаехме от суперкомпютри, за да можем да обработим целия процес. "Една симулация работи на компютър с 500 процесора.
Засега веществото съществува само като компютърен модел, но учените смятат, че би могло да бъде подготвено експериментално и предлагат два начина за това. Първите са така наречените молекулярни двигатели, т.е. вид протеин, който може локално да упражнява сила за сметка на химическата енергия, като по този начин вибрира полимери. "Вторият начин би бил част от пръстеновидната молекула да абсорбира повече светлина от друга, така че тя да се нагрява повече", казва Смрек и добавя, че по този начин те биха накарали молекулите да трептят, което ще се заплита по-силно с всяка други, така че те взаимно да се обездвижат и резултатът да бъде твърдо стъкло.
Локалната активност на молекулярните двигатели може да издърпа струната (вляво). "Струпването" на молекулите (вдясно) се държи заедно благодарение на взаимното резбоване на "молекулите". Снимка - J. S.
Възможна употреба на практика
Целта на това изследване беше да се разберат физическите закони, на които дълги кръгови молекули се подлагат от молекулярни двигатели, но Спрус обясни за Denník N, че ДНК (вероятно най-известният полимер) показва подобни характеристики като кръговите молекули.
Изследванията в тази област могат един ден да разширят разбирането за живите системи. "Начинът, по който ДНК се сгъва в пространството в човешка клетка, е много подобен на типичното подреждане на кръгови полимери, въпреки че ДНК има краища, наречени теломери", добави Смрек.
Това изследване е основно, така че не става дума преди всичко за непосредственото приложение на знанията на практика. Той се фокусира изключително върху разбирането как работят нещата, в този случай кръгови полимери. „Ние гледаме отвъд онова, което знаем в момента. Нашето откритие е, че е възможно да се създаде стъкло чрез комбиниране на кръгла форма с полимерна активност ”, казва Спрус, спекулирайки, че в бъдеще включването или изключването на активността на полимера може да промени състоянието на материал, който някога би се държал като течност, но след това като твърдо (стъкло).
Братислава - Ню Йорк - Майнц - Виена
След като придобива магистърска степен (Факултет по математика, физика и информатика, Университет Чарлз в Братислава), Смрек получава докторска степен по физика от Университета в Ню Йорк. След няколко години в чужбина той се завръща в Европа и работи като докторант в Института на Макс Планк за полимерни изследвания в Майнц, Германия.
Сега той работи във Виенския университет в група на Христос Ликос, наречена Компютърна физика и Физика на меките материи. „Исках да съм по-близо до дома. Кандидатствах за безвъзмездна помощ, която спечелих, така че стигнах до Австрия “, каза Смрек.
Позицията му се покрива от Австрийския фонд за подкрепа на научните изследвания (FWF). "Това е фонд, който привлича изследователи от чужбина, за да обогати австрийската наука."
Първите автори на статията. Юрия Чубак (вляво) и Ян Смрек (вдясно). Снимка - J. S.
Младият физик все още не знае какво ще се случи в бъдеще, тъй като позицията му във Виена ще приключи след една година. „В науката позициите са умишлено краткотрайни, за да стимулират обмена на идеи и мисли. Това е добре за науката, макар и не изцяло за учените с техните семейства “, каза Смрек относно несигурността, свързана с професията на учения.
Физикът също обмисля да се върне у дома, но в чужбина е икономически по-изгодно. „Заплатите на докторантите у нас и в чужбина са несравними, дори когато се вземат предвид разходите за живот. В Словакия те имат основна заплата от около 700 до 800 евро в нето ", казва Смрек и добавя:" Ако учените заседнат и не изследват нищо, би било жалко за много хора, което е жалко. Последствията обаче ще се усетят няколко години по-късно. Представете си, че днес не сме знаели за изменението на климата или ибупрофена. Хората обаче често се интересуват главно от краткосрочната перспектива. Но дори нашата страна не може просто да сглобява автомобили завинаги. Производителите на автомобили няма да дойдат след няколко години и какво ще правим? “, Пита физикът, предполагайки, че инвестициите в науката и научните изследвания са пътят напред, генериращ голяма добавена стойност в дългосрочен план.
Въпреки условията, които не са идеални, в Словакия обаче има много качествени учени, казва ученият. „Познавам много хора, които са изключително подръчни и ентусиазирани. Благодарение на тях академичната среда не е толкова депресираща, колкото понякога може да изглежда от медиите “, добави той.