Zpráva týdne
Čeští fyzici odkryli atomární strukturu uhlíkových materiálů St 4.5.2011
Fyzika | Inovace | Hlavní město Praha | Ústavy Akademie vědK pochopení, jak mikroskopy s rastrující sondou zobrazují atomární strukturu uhlíkových materiálů, přispěl zásadním způsobem tým vědců z Fyzikálního ústavu AV ČR a ze španělské Universidad Autonóma de Madrid. Výsledky bádání publikoval koncem dubna prestižní časopis Physical Review Letters.Výzkum podpořily Grantová agentura České republiky a Program podpory projektů mezinárodní spolupráce AV ČR. Unikátní vlastnosti uhlíkových materiálů, např. uhlíkové nanotrubičky nebo grafen, přinášejí lidstvu stále větší pokrok v mnoha sférách života.
Rastrovací mikroskopy, konkrétně rastrovací tunelový mikroskop (STM) a mikroskop atomárních sil (AFM), představují v současnosti jediný způsob jak přímo zobrazovat jejich strukturu na atomární úrovni. „Náš tým nyní dokázal počítačovými simulacemi vysvětlit různé podoby atomárních obrázků grafenu a uhlíkových nanotrubiček a ukázal, jak tyto obrazy vznikají vzájemným působením mezi hrotem rastrující sondy mikroskopu a povrchem studovaného materiálu,“ vysvětluje spoluautor publikace doktor Pavel Jelínek.
Autoři v článku prokázali, že maximální kontrast v obrázcích s atomárním rozlišením (viz obr. 1a, c) v rastrovacích mikroskopech nemusí odpovídat jednotlivým atomům. Tato všeobecně vžitá představa je za určitých okolností chybná, neboť oblasti se zvýšeným signálem mohou naopak odpovídat dírám mezi jednotlivými atomy (viz obr. 1b). Teoretické simulace navíc potvrdily, že původ atomárního kontrastu v případě mikroskopu atomárních sil není způsoben van der Waalsovou silou, jak se dosud obvykle předpokládalo, ale krátkodosahovou silou vyvolanou tvorbou chemické vazby mezi jednotlivými atomy studovaného materiálu a hrotem mikroskopu.
Obrázky a)–c) znázorňují schematicky možné typy atomárně rozlišených obrazů grafenu získané rastrovacím mikroskopem, obr. d) představuje výsledky počítačových simulací kontrastu mikroskopického obrazu grafenu pro různé modely hrotů mikroskopu atomárních sil a různé vzdálenosti mezi hrotem a povrchem.
Význam práce a možnosti využití
Rastrovací mikroskopy hrají dominantní roli při studiu uhlíkových materiálů na atomární úrovni. „Přesné určení polohy jednotlivých atomů má zásadní význam pro další studium vlastností těchto materiálů a fyzikálních a chemických procesů v nich. Například studium adsorbce jednotlivých molekul, popř. atomů na grafenu, výrazně modifikující jeho materiálové vlastnosti, jsou nemyslitelné bez přesné znalosti poloh jednotlivých atomů substrátu. Samo pochopení charakteru povahy interakce způsobující atomární kontrast na površích uhlíkových materialů má velký význam pro rozvoj rastrovací mikroskopie jako takové,“ přiblížil možné využití nových poznatků spoluautor článku doktor Martin Ondráček. Zmíněná práce spolu s těmi předchozími, které ve skupině vznikly – viz tiskové zprávy AV ČR k chemické identifikaci jednotlivých atomů (březen 2007), atomární manipulaci (říjen 2008) a novému druhu atomárního rozlišení (leden 2010) – výrazně posunuje možnosti charakterizace a modifikace povrchů pevných látek na atomární úrovni pomocí rastrovacích mikroskopů.
Mezinárodní ohlas
O významu článku svědčí i fakt, že o něm vyšla podrobná informace v posledním vydání časopisu Physics, v rubrice Viewpoint (http://physics.aps.org/articles/v4/34) , upozorňující na nejdůležitější práce publikované v časopisech American Physical Society, mezi které Physical Review Letters patří. Prof. Eric I. Altman z Yale University zde ve své obšírné stati vyzdvihuje skutečnost, že počítačové simulace mezinárodního týmu otevírají zcela nové možnosti při optimalizaci experimentů samých, prováděných pomocí rastrovacích mikroskopů. Podle jeho slov výše uvedená práce ukazuje, že teorie a počítačové simulace dospěly dnes do situace, že jsou schopny přesně modelovat chemické a fyzikální interakce zodpovědné za vytvoření kontrastu obrazu rastrovacího mikroskopu. Kombinace experimentu s teoretickými výpočty zahajuje novou éru rastrovací mikroskopie, kdy bude možné detailně zkoumat specifické chemické a fyzikální vlastnosti materiálů na atomární úrovni.
Uhlíkové materiály
Díky svým speciálním materiálovým vlastnostem a předpokládaným aplikacím v nanotechnologiích se uhlíkové materiály jako fullereny (molekuly složené jenom z uhlíku, které se zformovaly do tvarů koule, elipsoidu či trubky) nebo sám grafen (rovinná síť jedné vrstvy atomů uhlíku) stávají v poslední době předmětem intenzivního zájmu fyziků, chemiků, ale i biologů. Není náhodou, že Nobelova cena za fyziku pro rok 2010 byla udělena A. Geimovi a K. Novoselovi právě za objev grafenu. Další studium i budoucí technologické aplikace uhlíkových materiálů jsou podmíněny hlubším pochopením fyzikálních a chemických procesů na atomární úrovni. Zkoumání nanostruktury materiálů přímým pozorováním umožnil objev rastrovacích mikroskopů před 30 lety (Nobelova cena za fyziku G. Binnigovi a H. Rohrerovi v roce 1986). Přestože dosažení atomárního rozlišení obrazu rastrovacího mikroskopu na grafitu je poměrně rutinní záležitostí, přesné určení poloh jednotlivých atomů uhlíku tvořících grafen bylo až dosud velmi obtížné.
Zdroj:
Martin Ondráček, Pablo Pou, Vít Rozsíval, Cesar González, Pavel Jelínek and Rubén Pérez, „ Forces and currents in carbon nanostructures: Are we imaging atoms?“ Physical Review Letters (Vol.106, No.17)
Detailnější informace:
Ing. Pavel Jelínek, Ph.D., e-mail: 
, tel.: 220 318 430; mobil: 734 353 740; Mgr. Martin Ondráček, Ph.D., e-mail: 
, tel.: 220 318 503, mobil: 776 648 344 (oba Fyzikální ústav AV ČR)
Související články:
OPT skener odhalí i skryté nemoci Pá 18.5.2012
Unikátní optický projekční tomograf Bioptonics OPT Scanner 3001 uvedla slavnostně do provozu ve čtvrtek 17. května 2012 v budově oddělení biomatematiky Fyziologického ústavu (FGÚ) Akademie věd ČR v Praze jeho ředitelka Dr. Lucie Kubínová. Hlavním úkolem tohoto přístroje je vytvářet trojrozměrné obrázky a videa především živočišných a rostlinných tkání, orgánů a menších organismů. Jde například o embrya, drobné vyvíjející se orgány, celé drobné živočichy nebo části lidských těl, listy, plody a rostlinná pletiva.
Fyzika | Inovace | Hlavní město Praha | Ústavy Akademie věd
O krok blíž k rozluštění příčin neplodnosti Pá 4.5.2012
Přestože mnozí rodiče mají problém umístit svou ratolest do mateřské školky a stále se mluví o přelidnění planety, neplodnost je jedním z hlavních problémů naší populace. Postihuje až 15 % dvojic, přičemž z poloviny případu jsou na vině muži. Jejich sterilita je často zapříčiněna poruchou molekulárních mechanismů během spermatogeneze, tvorby mužských pohlavních buněk – spermií. Jak k takovému defektu může dojít? Světlo do otázek okolo neplodnosti „silnějšího pohlaví“ nyní přináší práce badatelského týmu Ústavu molekulární genetiky (ÚMG) Akademie věd ČR. Genetická informace je v jádrech lidských buněk nesena na 23 párech chromozómů, z nichž 22 párů jsou tzv. autozómy a jeden pár představují pohlavní chromozómy (u žen jsou to dva X chromozómy, u mužů chromozómy X a Y). Na chromozómu Y se nachází gen odpovědný za vývoj varlat, a tedy za normální vývoj mužských pohlavních znaků. Během spermatogeneze dochází k dělení pohlavních buněk, tzv. meióze, která se od mitózy (dělení tělních, tedy nepohlavních buněk) liší hlavně tím, že vznikající dceřiné buňky obsahují poloviční množství chromozómů, to znamená jen jednu sadu nepárovaných 23 chromozómů. Během oplození dojde ke splynutí pohlavních buněk, kdy se obnoví počet chromozómů na dvě párové sady.
Dana Drábová o různých tvářích energie Út 24.4.2012
Různé tváře energie představí předsedkyně Státního úřadu pro jadernou bezpečnost Dana Drábová při besedě, kterou ve čtvrtek 26. dubna pořádají FM a FS TUL ve spolupráci se společností ČEZ a SÚJB od 9.00 hodin v posluchárně E9. S vtipem sobě vlastním nazvala Dana Drábová svoji přednášku "S čertem zle, bez čerta ještě hůř".
Fyzika | Avízo | Liberecký kraj | Technická univerzita v LiberciPartneři
