Вчені вібрували кругові молекули, які сплутувались і утворювали пучок, в якому вони перешкоджали руху. В результаті вийшов твердий, скляний. Наразі матеріал змодельовано на комп’ютері.
Чи знаєте ви, що з'єднує скляну панель у вашому вікні та ПЕТ-пляшку? Обидва матеріали виготовлені зі скла. Точно так. ПЕТ-пляшку також можна розглядати як скло, оскільки це твердий некристалічний матеріал.
"Пляшка з ПЕТ - це скло в тому сенсі, що вона має подібні невпорядковані молекули, як рідина, але вона тверда. Однак, на відміну від рідини, молекули в твердому тілі залишаються більш-менш на своїх місцях ", - сказав для Денніка Н. фізик Ян Смрек з Віденського університету.
Цього місяця він та його колеги опублікували статтю у високоякісному науковому журналі Nature Communications, де він описав відкриття нового типу скла. Поки що, проте, він був змодельований лише на комп'ютері, і інші повинні підготувати його експериментально.
Матеріал складався з кількох сотень довгих круглих молекул, які почали поводитися як скло - тверде тіло без упорядкованої кристалічної решітки - після того, як вчені в комп'ютерному моделюванні вібрували їх досить, щоб заплутатися. В результаті «згустків» молекули заважали одне одному рухатися, тому вони поводились фізично як це тверде тіло.
Заморожування не спрацювало
Циркулярні полімери (великі кругові молекули, що складаються з повторюваних одиниць, мономерів) цікавили вчених з 1980-х років. Їх недолік полягає в тому, що на відміну від лінійних полімерів - які виглядають як нитки - їх дуже важко математично описати при високій щільності. Це ускладнює роботу з ними.
"Люди мають досвід, коли гумки на волоссі згортаються в пучок у кишені. Але для найдовших кільцевих молекул, які ми можемо зробити сьогодні, такого сплутування недостатньо для утворення твердої речовини ", - пояснює Смрек. Тому дослідники шукали спосіб збільшити заплутаність молекул.
Нобелівський лауреат у Словаччині: Я відчуваю себе маленьким хлопчиком, який грає ногою
У минулому з’явилося кілька теоретичних праць, згідно з якими полімери починають поводитися як скло, коли деякі кругові молекули стають іммобілізованими або замороженими. Ялина втягує дві гумки у волосся і обплутує їх, щоб показати, що він має на увазі: «Якби ми заморозили цю гумку так, щоб вона не рухалася, це обмежило б рух другої гумки, яка переплітається з нею. Якби більшу кількість таких кільцевих молекул заморозили, рух решти молекул був би обмежений до такої міри, що в цілому він би поводився як тверда речовина, тобто скло ".
Хоча комп'ютерне моделювання припускало, що така речовина може існувати, вона ніколи не готувалась експериментально. "Певним чином, це досить нефізична процедура, тому що якщо щось має ненульову температуру, це трясе та зігріває оточення. Тому важко уявити, як експериментально знерухомити одну молекулу в просторі, але не вторинну », - пояснив суть проблеми Смрек.
Стрічки для волосся як круглі полімери. Молекули не пов’язані, як люверси на ланцюжку, але вони можуть врізатися одна в одну (праворуч). Фото - Дж. С.
Молекули, зв’язані коливанням
Тому фізик та його колеги обрали інший підхід, і замість того, щоб намагатися знерухомити кільцеві молекули, вони більше їх вібрували.
Ялина перетворює гумові горбки на пучки і каже: "Шляхом переміщення частин молекул більше, ніж інших, цілі молекули заплутуються одна в одній. Утворився пучок, в якому молекули заважали сусідам рухатися. Результат був міцним, скляним ", - сказав Смрек про обраний ними принцип.
Один полімер, з яким працювали вчені, був довжиною 400 мономерів. Вони діяли один на одного із силою, характерною для багатьох хімічно різних мономерів.
"Для кожного мономеру в полімерному ланцюгу ми можемо визначити загальну силу, що діє на нього, з оточуючих його мономерів. За ним ми можемо визначити прискорення, за ним швидкість і за ним, куди рухається мономер. Ми повторюємо цей процес багато разів під час моделювання ", - сказав Смрек, додавши:" Наші системи містили понад півмільйона мономерів, тому нам потрібні були суперкомп'ютери, щоб мати можливість обробляти весь процес ". Одне моделювання працювало на комп'ютері з 500 процесорами.
Поки що речовина існує лише як комп’ютерна модель, але вчені вважають, що її можна було б підготувати експериментально, і пропонують два способи зробити це. Перші - це так звані молекулярні двигуни, тобто різновид білка, який може локально чинити силу за рахунок хімічної енергії, вібруючи таким чином полімери. "Другий спосіб полягав би у тому, щоб частина кільцевої молекули поглинала більше світла, ніж інша, тому вона б більше нагрівалася", - говорить Смрек і додає, що таким чином вони змусять молекули коливатися, що з кожним з них буде більш заплутаним інший, щоб вони знерухомили, і в результаті вийшло тверде скло.
Місцева активність молекулярних двигунів може тягнути струну (ліворуч). "Скупчення" молекул (праворуч) тримається разом завдяки взаємному нарізанню "молекул". Фото - Дж. С.
Можливе використання на практиці
Метою цього дослідження було зрозуміти фізичні закони, яким піддаються довгі кругові молекули за допомогою молекулярних двигунів, але Спрус пояснив для Денніка Н, що ДНК (ймовірно, найвідоміший полімер) має подібні риси, як кругові молекули.
Дослідження в цій галузі можуть одного разу розширити уявлення про живі системи. "Спосіб згортання ДНК у просторі в клітині людини дуже схожий на типове розташування кругових полімерів, хоча ДНК має закінчення, що називаються теломерами", - додав Смрек.
Це дослідження є базовим, тому мова не йде перш за все про безпосереднє застосування знань на практиці. Він зосереджений виключно на розумінні того, як все працює, в даному випадку кругових полімерів. "Ми дивимось за межі того, що ми знаємо на даний момент. Наше відкриття полягає в тому, що можна створити скло, поєднуючи кругову форму з полімерною активністю », - говорить Спрус, припускаючи, що в майбутньому вмикання та вимикання активності полімеру може змінити стан матеріалу, який колись поводився б як рідина, але тоді як твердий (скло).
Братислава - Нью-Йорк - Майнц - Відень
Отримавши ступінь магістра (факультет математики, фізики та інформатики, Університет Карла в Братиславі), Смрек здобув ступінь доктора фізики в університеті Нью-Йорка. Через кілька років за кордоном він повернувся до Європи і працював докторантом в Інституті полімерів імені Макса Планка в Майнці, Німеччина.
Зараз він працює у Віденському університеті в групі Христоса Лікоса, яка називається "Комп'ютерна фізика" та "Фізика м'яких речовин". "Я хотів бути ближче до дому. Я подав заявку на грант, який виграв, тож потрапив до Австрії ", - сказав Смрек.
Його посаду охоплює Австрійський фонд підтримки наукових досліджень (FWF). "Це фонд, який залучає дослідників з-за кордону для збагачення австрійської науки".
Перші автори статті. Юрія Чубак (ліворуч) та Ян Смрек (праворуч). Фото - Дж. С.
Молодий фізик ще не знає, що буде в майбутньому, оскільки його посада у Відні закінчиться через рік. "У науці посади навмисно недовговічні, щоб стимулювати обмін ідеями та думками. Це добре для науки, хоча не зовсім для вчених з їхніми сім'ями ", - сказав Смрек про невизначеність, пов'язану з професією вченого.
Фізик також розглядає можливість повернення додому, але за кордоном економічно вигідніше. "Заробітна плата докторантів вдома та за кордоном є незрівнянною, навіть якщо враховується вартість життя. У Словаччині у них основна зарплата становить приблизно від 700 до 800 євро нетто ", - говорить Смрек і додає:" Якщо вчені застрягнуть і нічого не досліджуватимуть, для багатьох було б шкода, що є ганьбою. Однак наслідки будуть відчутні через кілька років. Уявіть, що ми сьогодні не знали ні про зміну клімату, ні про ібупрофен. Однак людей найчастіше цікавить короткострокова перспектива. Але навіть наша країна не може просто збирати машини назавжди. Виробників автомобілів не буде тут через декілька років, і що ми будемо робити? ", - запитує фізик, припускаючи, що інвестиції в науку та дослідження - це шлях вперед, що приносить велику додану вартість у довгостроковій перспективі.
Однак, незважаючи на не ідеальні умови, у Словаччині є багато якісних науковців, зазначає науковець. "Я знаю багатьох людей, які надзвичайно підручні та захоплені. Завдяки їм академічне середовище не таке гнітюче, як це іноді може здаватися у ЗМІ ", - додав він.