Sborník americké Národní akademie věd letos v červnu informoval o novém objevu v dynamice samouspořádávání molekul. Vzhledem k přírodním zákonům, které obecně platí pro nano-, mikro- i makrosvět, lze předpokládat, že se objevený model \"propagating wavefronts – postupujícího čela\" uplatní nejen ve vědách o materiálech, ale pomůže k ověření dynamiky zdánlivě nesouvisejících jevů, jakými jsou např. růst nádorů, hojení ran nebo šíření epidemií, dokonce by se mohl využít i při zkoumání rozšíření jazyků v Evropě či k vysvětlení zákonitostí urbanizace.
Při zkoumání materiálů na molekulové úrovni dochází k jevu, kdy se zkoumané molekuly chovají jinak, než vědci předpokládají. Tento jev ale není nahodilý, a tak není divu, že se badatelé na samovolné shlukování malých, asi 1 nm dlouhých, molekul do jednoduché vrstvy na zoxidovaném silikonovém povrchu důkladně zaměřili. Letos v červnu se týmu vědců ze Severokarolinské státní univerzity a z Národního úřadu pro standardizaci podařilo prokázat "dynamiku molekulárního samouspořádání". Molekuly na bázi uhlíku, fluoru a křemíku umístěné podél okraje křemíkové destičky se za určitých podmínek samy uspořádají tak, že se začnou od okraje destičky konstantní rychlostí řadit, aby postupně na určitou "dlouhou dobu" pokryly celou plochu destičky. Vědci, kteří tento proces sledovali již delší dobu pomocí synchrotronních paprsků s vysokým rozlišením a za použití počítačové simulace, zjistili, že se plochy molekul nešíří podle klasické teorie středního pole, ale šíří se rychleji. Protože k vysvětlení molekulárních procesů experimentu nemohla být použita teorie jednoduché difúze, začali intenzivně hledat jiné vysvětlení pro samouspořádání molekul a prokázali, že rozšiřování vrstev molekul se řídí tzv. autokatalytickým mechanismem, běžně se vyskytujícím v některých chemických reakcích. Současné nastavení má tu obrovskou výhodu, že umožňuje šíření vrstvy zastavit, a proces tak systematicky studovat.Záhada "zvláštního chování molekul" provokovala zájem vědců už delší dobu, ale až letos se Vám podařilo nahlédnout tajemství pod pokličku. V čem přesně spočívá objev Vašeho týmu a proč byl výzkum tak náročný? jsem se dotázala vedoucího výzkumné skupiny prof. Jana Genzera z Oddělení chemického a biomolekulárního inženýrství Severokarolinské státní univerzity v Raleigh (AB 12/2006 přinesl rozhovor s prof. Genzerem k přednáškám, které přednesl v Praze v rámci Týdne vědy a techniky 2006).
Dovolte mi, abych na Vaši otázku odpověděl trochu obšírněji. Před několika lety se moje skupina začala zabývat přípravou povrchů, jejichž smáčivost (ve smyslu schopnosti povrchu být smáčen nějakou kapalinou – třeba vodou) se mění v závislosti na poloze: tedy zatímco jedna strana podložky je téměř kompletně smáčivá, protilehlá strana je téměř nesmáčivá. V minulých 40 letech bylo vyvinuto nesčetné množství metod, které umožňují přípravu takovýchto povrchů, a nás zaujala jedna, jež se nám zdála nejrobustnější a nejjednodušší. V roce 1992 publikovali američtí vědci Manoj Chaudhury a George Whitesides v časopise Science článek, v němž dokázali, že se dá vodní kapka tlačit proti gravitaci, pokud se položí na nakloněnou podložku, která má gradient smáčivosti, a vodní kapka přijde poprvé do styku s její níže položenou nesmáčivou stranou. V článku také popsali jednoduchou metodu, pomocí níž lze takové podložky připravit. Představte si, že vezmete hladkou skleněnou nebo křemíkovou destičku, položíte ji horizontálně do Petriho misky a k jedné straně destičky přidáte malé množství látky, které se technicky říká částečně fluorinovaná organokřemíková kapalina (v angličtině semifluorinated organosilicone liquid). Ta je ve své chemické podstatě nesmáčivá, ale má reaktivní skupinu, která je schopna reagovat s hydroxylovými skupinami připevněnými na povrchu podložky. Organokřemíková kapalina má zpravidla velmi malý bod varu, takže se ihned začne vypařovat a v plynné fázi putuje nad destičkou. Při své pouti se však dostane s destičkou do styku a "přilepí" se na ni. Koncentrace této organokřemíkové kapaliny je vysoká na té straně destičky-podložky, která je nejblíže k difúznímu zdroji, a postupně se zmenšuje. Zatím nic nového pod sluncem – vždyť je to práce 15 let stará!
K rutinní přípravě podložek, jež mají polohově závislou smáčivost (v angličtině position-dependent wettability), používáme danou metodu už několik let. Postupně nás ale začalo zajímat, jak se koncentrační profil oné přilepené organokřemíkové kapaliny na podložce mění s časem. Provedli jsme řadu experimentů jak v Petriho miskách, tak i v geometriích, kdy byl systém tzv. prostorově neomezený – místo Petriho misky jsme přikryli difúzní zdroj a podložku velikou kádinkou. Výsledek byl velmi zajímavý. Zatímco koncentrační profily měřené v neomezeném prostoru se řídily přesně mechanismem tzv. difúze (tzn. poloha čela difúzního profilu se měnila s časem jako druhá odmocnina času), analýza profilu v omezeném prostoru, neboli v Petriho misce, prozrazovala, že očekávaná závislost čela difúzního profilu na druhé odmocnině času už neplatí – profily se "pohybovaly" mnohem rychleji. Dlouho jsme si tím lámali hlavu, mnohokrát předělávali experimenty a vždy jsme dosáhli stejného výsledku. Po mnoha měsících marné snahy přijít této záhadě na kloub jsem se o problému bavil s kolegy z Národního ústavu pro standardy a technologie (National Institute of Standards and Technology). Dr. Jack Douglas, který se dlouhá léta zabývá problematikou dynamiky v různých organických systémech, přišel s vysvětlením. Mechanismus, jímž se proces v omezeném prostoru řídí, je jiný než difúze – jedná se o tzv. propagating front (volně přeloženo do češtiny něco jako mechanismus postupujícího čela). Dosti mě to zaskočilo, protože jsem si vždy myslel, že "propagating front mechanismus" musí mít v sobě zabudován příspěvek tzv. autokatalyzátoru, který proces urychluje. Autokatalyzátorem je zpravidla nějaká chemická látka, která podporuje reakci, po ní se regeneruje a proces se opakuje. Začali jsme hledat v technické literatuře evidenci o procesech, jež by byly tzv. autokatalytické, ale nepoužívaly by chemický autokatalyzátor. Udivilo mě, že jsme našli takových procesů nesčetně mnoho. A to z velmi odlišných vědních oborů, jakými jsou např. hojení ran, rozšiřování urbanistických oblastí (měst), šíření indoevropských jazyků do Evropy, růst bakteriálních kolonií, krystalizace v tenkých vrstvách a mnoho dalších.
Nám se podařilo prokázat, že naše profily mají stejné vlastnosti, které se přičítají výše uvedeným jevům. Zatím nevíme, co v našem případě zaujímá funkci autokatalyzátoru. Spekulujeme o tom, že je to organizace molekul v plynné fázi, při níž se mnoho jednotlivých molekul shlukuje v molekulární klubka, která se potom usadí na podložce. Víme však, že se nám podařilo najít velmi unikátní systém. Teď se můžeme pustit do další práce, jejímž cílem bude sledovat, co se stane, když daný proces vystavíme dalším překážkám, jako jsou depozice různých molekul z opačných stran podložky, trhliny v podložce atp. Možná to nezní jako příliš vzrušující výzkum, my však věříme, že výsledky naší práce mohou dalekosáhle obohatit studium "soutěživosti" (competitiveness) v přírodních jevech. Silnější vyhrává – a nás zajímá, kdo bude silnější a proč.
Zda pomůže nově objevený model dynamiky samovolného spořádaného postupu molekul vysvětlit zákonitosti jevů, které zkoumají badatelé v nejrůznějších vědních oblastech (viz obr. na http://abicko.avcr.cz), je zatím otázkou. Pro materiálové inženýry je to však významný posun vpřed a současně nová výzva – dovolím si volně parafrázovat, že vlastně potvrzuje "propagating wawefront" na úrovni lidského chápání.
MARINA HUŽVÁROVÁ
English
