Elektron, na který téměř nepůsobí jaderné síly, může proniknout hluboko do atomového jádra. Proto rozptyl elektronů s vysokou energií při jejich průchodu jádrem je vynikajícím nástrojem nejen pro výzkum elektrických a magnetických vlastností jádra jako celku, ale také pro protonů a neutronů v jádře, pokud dojde k přenosu spinu mezi těmito částicemi. Nedávné výsledky podobných experimentů v Jeffersonově laboratoři ukázaly, že proton nemusí mít nutně kulový tvar. Výzkumníci Jeffersonovy laboratoře v novém experimentu porovnávali srážky elektronů s jednotlivými protony (v jádrech atomů vodíku) a na protonech uvnitř jader atomů hélia. Zjistili, že každé jádro "formuje" protony jiným způsobem. Toto "formování" umožňuje kvarkům uvnitř protonů se na okamžik rozprostřít dokonce do tvaru arašídu, přestože průměrný tvar protonu je kulový. (Strauch et al., Physical Review Letters, červenec 2003)

Zobrazování vnitřku předmětů pomocí jaderné magnetické resonance (MMR) vyžaduje magnetická pole o intenzitě několika tesla (1T = 10⁴ gaussů) pro polarizaci protonů ve vzorku a následně pro radiové vlny, které se odrážejí od protonů jako slabé elektromagnetické signály. Intenzita těchto signálů závisí na intenzitě magnetického pole a na stupni polarizace, která většinou dosahuje poměru jen 10^-5 a proto omezuje použitelnost jaderné magnetické resonance včetně lékařských aplikací. Jednou z možností je použití laserového paprsku, jímž lze dosáhnout polarizace až 10% v plynu xenonových atomů. Atomy xenonu lze vstřikovat do volného prostoru, jako jsou plíce a díky tomu lze získat snímky jejich vnitřku. Takové snímky běžná jaderná magnetická resonance neumožňuje.

Dalšího rozvoje jaderné magnetické resonance bylo dosaženo použitím velmi citlivých detektorů SQUID (supravodivé kvantové interferenční detektory), které umožňují zachytit velmi slabá magnetická pole protonů a tím výrazně omezují nutnost použití velkých magnetů. Hranicí citlivosti těchto detektorů jsou signály s polarizací protonu v poměru 10^-8.

Nyní fyzik Michael Romalis z Princetonu a jeho kolegové při studiu problému, zda jádra atomů xenonu mají nepatrně nesférický tvar (tj. mají nenulový elektrický dipólový moment, což může naznačovat existenci "nové fyziky" za hranicí standardního modelu), pomocí kombinace různých metod získal silný signál jaderné magnetické resonance působením velmi slabého magnetického pole o intenzitě asi 1 mikrotesla. Jeho metoda spočívá v přenosu polarizace laserem polarizovaných jader atomů xenonu na protony v organické kapalině. Magnetická pole vytvořená polarizovanými protony se následně měří detektory SQUID. Michael Romalis [M1] očekává, že jeho metoda jaderné magnetické resonance bude funkční pro libovolný vzorek, tedy kapalinu, povrch nebo biologickou tkáň, pokud se v nich dobře rozpouští xenon. (Heckman et al., Physical Review Letters; viz také [X1]).

Pomocí paprsků atomů gallia se podařilo rozmělnit diamantové filmy. Diamantové filmy se vytvářejí nanesením drobných diamantů na dírkovaný křemíkový povrch a nanesením dalších atomů, aby se vytvořil téměř plochý diamantová povrch. Tyto filmy mají většinu elektrických vlastností polovodičů, avšak mohou pracovat při vyšších teplotách, napětích a energiích. Díky jejich odolnosti vůči nepříznivým podmínkám a slučitelnosti s biologickými tkáněmi diamantové filmy budou sloužit jako ochranné vrstvy ve výzkumu a aplikacích kapalinových mikrotechnologií. Kvůli své tvrdosti však diamantové filmy lze obtížně tvarovat, protože při ohýbání dochází k jejich lámání. Nyní výzkumníci Technologické univerzity Nanyang v Singapuru vyvinuli metodu, jak lze z diamantových filmů vyrábět mikrooptické prvky pomocí správně soustředěného paprsku iontů gallia. Optické testy výsledných struktur prokázaly, že důležité vlastnosti, jako je světelná průsvitnost a index lomu, se procesem rozmělňování nezměnily.

Tento výzkum je součástí spolupráce Singapurských univerzit a MIT. Tato spolupráce ve vzdělávání a výzkumu byla zahájena v roce 1998 mezi třemi předními technickými výzkumnými univerzitami: Národní univerzitou v Singapuru, Technologickou univerzitou Nanyang a americkým Massachusettským institutem technologie. (Fu et al., Review of Scientific Instruments, srpen 2003; kontakt: Yongqi Fu, [M2])

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 647. July 23, 2003 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Chemický vzorec molekuly vody není H₂O, přinejmenším z hlediska neutronů a elektronů interagujících v této molekule v intervalech několika attosekund (méně než 10^-15 s). Podle nedávných experimentů s neutrony a elektrony, které se srážejí s molekulami vody po dobu několika attosekund, poměr atomů vodíku a kyslíku je zhruba 1,5 ku 1. Tedy přesnější vzorec pro molekulu vody by měl být H_1,5O. Podle výzkumníků (Aris Chatzidimitriou- Dreismann, Technická univerzita Berlin, [M1]) toto otevření "attosekundového časového okna" může vést k velmi překvapivým kvantovým jevům, které dosud trvaly příliš krátce na to, aby byly zachyceny. Přesto tyto kvantové jevy mohou vést k revizím běžných učebnic týkajících se vody a dalších běžných molekul. Navíc tyto experimenty mohou poskytnout nové znalosti o chemických reakcích, které probíhají v intervalech 100 až 500 atttosekund: neutronové nebo elektronové sondy mohou rozrušit chemické vazby v molekulách podobně jako v experimentech, v nichž se využívá laserových paprsků.

Celý výzkum byl zahájen v roce 1995. Na neutronovém zařízení ISIS ve Velké Británii společný německo-britský tým zkoumal srážky epithermálních neutronů (jejichž energie je několik stovek elektronvoltů) s terčíkem, který obsahoval molekuly vody. (Chatzidimitriou-Dreismann et al., Physical Review Letters, 13. října 1997). Detekcí počtu a ztráty energie rozptýlených neutronů ve výsledných attosekundových srážkách výzkumníci zjistili, že množství neutronů odražených od protonů bylo asi o 25 % menší, než se očekávalo. Zdálo se, jako by protony v atomech vodíku byly občas pro neutrony "neviditelné". Přestože podrobnosti jsou dosud předmětem úvah teoretiků, výzkumníci se domnívají, že existuje určitá krátce existující (sub-femtosekundová) provázanost, při níž protony přilehlých atomů vodíku (snad také okolní elektrony) jsou navzájem kvantově provázány tak, že mění podstatu srážkových experimentů. Protože molekuly vody mají samy o sobě anomální vlastnosti, výzkumníci zopakovali neutronové experimenty s jinými běžnější molekulami, například s benzenem (C₆H₆). V tomto případě zjistili, že tato molekula by měla mít chemický vzorec C₆H_4,5. Mezitím ve spolupráci s Univerzitou v Uppsale ve Švédsku byl tento jev potvrzen také pro různé kovy obsahující vodík.

Nyní se výzkumníci (s novými spolupracovníky v Austrálii) rozhodli použít pro ověření tohoto jevu nezávislou experimentální metodu. V experimentech Australské národní univerzity v Canberra výzkumníci použili místo neutronů elektrony, protože tyto částice interagují s protony fundamentálně odlišnými interakcemi (silnou jadernou a elektromagnetickou interakcí). Při odrazech elektronů od pevného polymeru formvar (jehož stavebním blokem je molekula C₈H₁₄O₂) výzkumníci pozorovali zmenšení počtu odražených elektronů od jádra, které je srovnatelné s odraženými neutrony v experimentech se stejným polymerem. Tento výsledek podporuje dříve dosažené výsledky s molekulovou vody a dalšími molekulami. (Chatzidimitriou-Dreismann et al., Physical Review Letters, 1. srpna 2003)

Nanoskopický thermometr, složený z nanotrubičky oxidu hořečnatého vyplněné kovovým galliem, může výrazně zvýšit rozsah teplot, které jsou malé thermometry schopny měřit. Výzkumníci z japonského Národního ústavu pro fyziku materiálů (the National Institute for Materials Sciences) (kontakt: Yoshio Bando, [M2]) v roce 2002 oznámili dokončení vývoje thermometru z uhlíkové nanotrubičky. Tento thermometr však rychle selhával při teplotách kolem 600 až 700 stupňů Celsia. Nové nanotrubičky jsou zhotoveny z válečků oxidu hořečnatého o vnitřním průměru 20 až 60 nanometrů, což je asi tisícina tloušťky lidského vlasu. Nanotrubičky oxidu hořečnatého jsou na rozdíl od uhlíkových nanotrubiček odolnější vůči vysokým teplotám. Mezi výplní kovového gallia a stěnami nanotrubičky existuje mezera, která se zmenšuje, protože gallium se při vyšších teplotách rozpíná. Teplota se z thermometru odečítá měřením změn této mezery mezi dvěma kovovými částmi. Tyto malé thermometry by v blízké budoucnosti měly fungovat až do teploty asi 1000 stupňů Celsia. Mohly by například měřit teplotu v okolí nanoskopických motorů a dalších nanoskopických zařízení. (Y.B. Li, Y. Bando, D. Golberg, and Z.W. Liu, Applied Physics Letters, 4. srpna 2003)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 648. July 31, 2003 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Výzkumníci Národní laboratoře v Oak Ridge a z Univerzity v Tennessee (Thomas Thundat, [M1]) jsou schopni detekovat plastické trhaviny v poměru objemů 14:10¹². Jejich výzkum by mohl vést k vývoji rychlého, přenosného a vysoce citlivého detektoru plastických trhavin a bomb. Plastické trhaviny, jako je tetranitrát pentaerythritolu (PETN) a hexahydro-1,3,5-triazin (RDX) představují vážnou hrozbu, protože je lze snadno vytvarovat do požadovaného tvaru, jsou vysoce stabilní a mohou způsobit značné škody i v malém množství. Plastické trhaviny používají sebevražední atentátníci, teroristé a lupiči. Většina současných detektorů plastické trhaviny jsou velké a drahé přístroje. Naproti tomu výzkumníci sestrojili mikroskopické zařízení, které představuje mikroelektromechanický systém (MEMS). Celé zařízení je mikroskopická destička o rozměrech 180 krát 25 mikronů na křemíkovém podkladu, připojená k pružnému vláknu. Na jedné straně je destička pokovena zlatem. Na jednom konci této vrstvy je nanesena tenká vrstva kyseliny 4-merkaptobenzoové, s níž obě plastické trhaviny reagují. Podobně jako lidský vlas se zkroutí ve vlhkém dni, když absorbuje molekuly vody, tato destička se prohne, když vrstva kyseliny 4-merkaptobenzoové absorbuje určité množství PETN nebo RDX.

Laserový mikroskopický systém je schopen detekovat ohyb s nanometrovou přesností. Destička je umístěna v těsné skleněné buňce a je vystavena vzduchu s obsahem stop plastické trhaviny. Modifikovaný mikroskop atomových sil je schopen měřit odraz paprsku laseru od destičky, která se ohne v důsledku přítomnosti plastické trhaviny. Výzkumníci jsou schopni svým MEMS zařízením zjistit během 20 sekund přítomnost plastické trhaviny v poměru objemů 14:10¹². Zařízení je tedy citlivé na přítomnost plastické trhaviny ve vzduchu v množství jen několika femtogramů (1 fg = 10^-15 g). Dalším úkolem výzkumníků je laboratorní přístroj přeměnit na přenosný detektor. Přestože většina práce se nyní soustředila na detekci par různých typů trhavin a výbušnin, podle autorů článků Physics News Updates jde dosud o třetí zařízení, které využívá mikroelektromechanické systémy. (Pinnaduwage et al., Applied Physics Letters, 18. srpna 2003)

Vyšetření prsu těhotné ženy počítačovou tomografií (CT, Computed Tomography) představuje pro její plod jisté nebezpečí z ozáření. Výzkumníci z Univerzity v Chicagu jako možnou ochranu plodu navrhují, aby matka před vyšetřením CT obdržela sulfát barya. Plod během vyšetření CT může být vystaven záření rozptýlenému v tkáni. Sloučenina barya slouží jako vnitřní štít, který škodlivé záření pohlcuje. Studie dokazuje, že úroveň záření se požitím sulfidu barya sníží až o 40 procent na přijatelnou mez a proto kvalitní snímky počítačovou tomografií lze pořídit téměř bez rizika. Chester Reft [M2] své výsledky publikoval na zasedání Americké asociace fyziků v medicíně v San Diego v srpnu 2003.

Nový výzkum obyčejného celofánu, který známe jako obalový materiál různých předmětů, prokázal, že jej lze použít pro převod snímku na obrazovce laptopu do zdánlivě trojrozměrného obrazu. Celofán nemá ve všech směrech stejný index lomu. Polarizace dopadající světelné vlny se může pootočit. Laboratoř Keiga Iizuky na Univerzitě v Toronto prokázala, že vzorek celofánu o tloušťce 25 mikronů lépe stáčí směr polarizace bílého světla než světla komerčně dostupných zařízení pro určité vlnové délky. Světlo emitované z laptopu je přirozeným způsobem polarizováno. Proto lze trojrozměrného stereoskopického zobrazení dosáhnout potažením poloviny obrazovky celofánem, aby vznikly doprava a doleva polarizované snímky. Pozorovatel by mohl používat brýle se dvěma polarizovanými skly otočenými o 90 stupňů.

Ve skutečnosti zkřížené polarizátory mohou být umístěny mezi obrazovku a pozorovatele, aby pozorovatel nemusel nosit brýle. Keigo Iizuka[M3] se domnívá, že tato "celofánografie" bude pro trojrozměrné zobrazování mnohem levnější, než komerčně dostupné desky používající půlvlny. Kromě trojrozměrných her nalezne využití také v lékařských a vědeckých aplikacích. Iizuka nyní pracuje na trojrozměrných zobrazovacích jednotkách z kapalných krystalů pro mobilní telefony. (Review of Scientific Instruments, srpen 2003)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 649. August 13, 2003 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Obří molekuly hélia, obsahující pouze dva atomy, avšak o velikosti malého viru, vytvořili výzkumníci École Normale Supérieure v Paříži. Velikostí od 10 do 100 nanometrů tyto molekuly jsou největšími dvouatomovými molekulami, jaké dosud byly vytvořeny. Jejich velikost je srovnatelná s velikosti malých virů, jejichž rozměry jsou od 5 do 300 nanometrů. Navíc hélium jako inertní plyn za normálních podmínek molekuly netvoří.

Abychom mohli pozorovat tyto nové obří molekulární stavy, musíme použít velmi ochlazený plyn atomů. Výzkumníci École Normale Supérieure omezily oblak atomů hélia pomocí magnetických polí. Každý atom hélia se nacházel v dlouhodobém "metastabilním" stavu s vnitřní energií přibližně 20 eV, která je asi 10¹⁰ krát větší než průměrná pohybová energie těchto atomů. Z magnetické pasti uniknou nejteplejší atomy a chladnější atomy v ní zůstanou. Tím se sníží teplota plynu na 10 mikroKelvinů. Záření laseru pak vytvoří dvojice atomů hélia procesem "fotoasociace". Světlo přesně definované délky změní stav atomů takovým způsobem, aby se vzájemně silně přitahovaly. Toto přitahování je důsledkem světlem indukovaných "dipólů" (přechodného oddělení kladného náboje jádra od záporného náboje elektronů v atomech), které způsobí, že atomy jsou vázány navzájem. Kvůli detekci molekul výzkumníci sledovali vzrůst teploty v oblaku, která byla důkazem úspěšné absorbce záření laseru.

V typickém experimentu asi jedno procento atomů absorbuje záření laseru, což odpovídá vzniku asi 100 tisíc molekul. Atomy v těchto molekulách jsou dostatečně vzdáleny, aby nedocházelo k "samovolné ionizaci", kdy elektron přeskočí z jednoho atomu do druhého a způsobí tak rozpad celé molekuly. Atomy v molekule jsou tak daleko, že výzkumníci museli do svého experimentu zahrnout konečnou rychlost šíření světla: každý atom v dvojici reaguje na druhý atom o femtosekundu později. Po zahrnutí této "retardace" do výpočtů výzkumníci došli k závěru, že tyto výpočty jsou plně v souladu se změřenými daty. Molekuly existují průměrně po dobu 50 nanosekund, což je dostatečně dlouhá doba pokud vezmeme v úvahu značné množství vnitřní energie každého atomu hélia.

Přesným měřením sil, které udržují molekulu pohromadě, mohou výzkumníci získat podrobné informace o atomech hélia. Navíc tyto metastabilní molekuly hélia mohou představovat citlivý test přesnosti výpočtů kvantové chemie, aplikace kvantové mechaniky na chemické systémy, jako jsou molekuly. (Léonard et al., Physical Review Letters,15. srpna 2003; kontakt: Allard Mosk [M1] nebo Jérémie Léonard, [M2]).

Biomolekuly, které se mohou vzájemně přitahovat jako náboje, jsou fascinující biofyzikální analogií supravodivosti. Nově získané zkušenosti s tímto přitahováním molekul mohou případně vést k léčení onemocnění cystickou fibrosou, k účinnější genové terapii nebo k lepšímu čištění vody. Nábojům podobné přitahování se objevuje u "polyelektrolytů", molekul jako je DNA a mnoho proteinů, které ve vodním roztoku mají elektrický náboj. Za vhodných podmínek se polyelektrolyty stejného typu, jako jsou skupiny molekul desoxyribonukleové kyseliny DNA, mohou navzájem přitahovat, přestože mají stejný elektrický náboj. Koncem 60. let 20. století výzkumníci zjistili, že příčinou tohoto přitahování jsou malé ionty, které jsou ve vodním roztoku, ale mají opačné náboje než příslušné molekuly. Avšak nikomu se nepodařilo tento jev přesně objasnit. Objasněním tohoto jevu se zabývala skupina experimentátorů vedená Gerardem Wongem z Illinoiské univerzity v Urbana-Champaign [M3]. Výzkumníci zjistili, že zmíněné malé ionty se samy seskupují do nábojových "sloupců" mezi vlákny proteinů. Podél těchto "sloupců" však ionty nejsou rozmístěny rovnoměrně, ale jsou seskupeny do zamrzlých "hustotních vln nábojů".

Tyto malé ionty způsobují výrazné zkroucení vlákna molekuly, až o 4 stupně na každý monomer (stavební blok) proteinu. Tento jev se podobá supravodivosti, kdy mřížka poruch (fononů) přenáší interakce mezi dvojicemi nábojů (elektronů). V případě vláken nabité částice (ionty) zajišťují přitahování mezi zkroucenými mřížkami (dvojitě zkroucených vláken proteinu) (Angelini et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, 22. července 2003).

V dalším experimentu výzkumníci objevili, jaké typy iontů jsou potřebné pro zprostředkování přitažlivosti biomolekul. Již dlouhou dobu je známo, že dvojnásobně nabité (bivalentní) ionty mohou spojovat vlákna proteinů nebo virů a trojnásobně nabité (trivalentní) ionty mohou spojovat molekuly DNA. Monovalentní ionty takové schopnosti nemají. Studiem různě velkých verzí molekul diaminů (molekuly podobná čince s nabitými skupinami NH₃ na "koncích" a s jedním nebo více atomy uhlíku uprostřed, na nichž lze simulovat přechody mezi chováním monovalentních a bivalentních iontů), se zjistilo, že nejúčinnější přitahování tyčinkových virů M13 způsobují nejmenší verze diaminů. Tyto malé molekuly diaminu mají velikost odpovídající "Gouyově-Chapmanově" délce, tedy vzdálenosti, na níž mohou elektrické náboje mít ještě dostatečně velký vliv. Pokud se tato molekula diaminu přichytí na povrchu viru M13, jeden její konec neutralizuje záporný náboj viru a druhý její konec poskytuje kladný náboj, jímž lze zachytit další virus M13. (Butler et al., Physical Review Letters, 11. července 2003; viz také Phys. Rev. Focus, 21. července 2003, [X1]).

V posledním experimentu výzkumníci zjistili, že zmíněné přitahování může způsobit samovolné přeskupení molekuly proteinu aktinu do nové fáze kapalného krystalu (struktury, která má jak vlastnosti kapalin, tak vlastnosti pevných látek). Přidáním malého množství hořčíkových iontů do roztoku molekul aktinu způsobí, že se tyto tyčinkové molekuly uspořádají do podoby dvojrozměrných vorů. Tento objev může změnit názory, jak buňky ovlivňují svůj cytoskeleton z aktinu. Výzkumníci dříve předpokládali, že pouze proteiny samy o sobě vytvářejí struktury, které buňkám umožňují se pohybovat, dělit a zaujímat určité tvary. Zmíněný objev naznačuje, že cytoskeleton a řadu buněčných funkcí ovládají fyzikální interakce: elektrostatika, elektrický náboj a entropie. (Wong et al., Phys. Rev. Lett., 4. července 2003).

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 650. August 20, 2003 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.