Frontální polymerace

21.8.2018
Zdroj:
I.D:robertson et al., Rapid energy-efficient manufacturing of polymers and composites via frontal polymerization, Nature, volume 557, pages 223–227 (2018), doi: 10.1038/s41586-018-0054-x ID
Zdroj
Chemická struktura dicyklopentadienu, kyseliny trialkylfosforité a polycyklopentadienu.

Řádově méně energie spotřebuje výroba plastů frontální polymerací (frontal polymerization). V průmyslu probíhají v současnosti polymerační reakce rovnoměrně v celém objevu. Zejména u termosetů jde o energeticky velmi náročný způsob. Termosety neboli reaktoplasty jsou polymerní sloučeniny, které po vytvrzení chemickou reakcí dalším ohřátím nepřejdou do plastického nebo tekutého stavu, např. epoxidové pryskyřice. Výrazně méně energie spotřebuje nehomogenní proces, kdy polymerace se šíří z jednoho místa do celého objemu reakční směsi. Vhodná koncentrace katalyzátoru a inhibitoru udržuje optimální průběh reakce.

Na níže uvedených videích vidíme polymeraci dicyklopentadienu za inhibice trialkylfosforitou kyselinou a katalýzou Grubbsovým katalyzátorem, což je složitý organický komplex ruthenia [1,3-bis-(2,4,6-trimethylfenyl)-2-imidazolidinyliden]dichloro(fenylmethylen)(tricyclohexylfosfino)ruthenium. Chemické struktury sloučenin najdeme na obrázku. Na prvním videu vidíme vytvrzení elastického částečně zpolymerovaného polydicyklopentadienového gelu svinutého do válce, na druhém tisk třírozměrné spirály do vzduchu. Linii polymerace vidíme těsně za tryskou.

 

Znáte mikromegaskop?

20.8.2018
Zdroj:
L Canale et al 2018 Nanotechnology 29 355501, https://doi.org/10.1088/1361-6528/aacbad
Zdroj
Kmitání makroskopické vidlice AFM s mikroskopickou jehlou.

Mikroskop atomárních sil (atomic force microscope, zkráceně AFM) je metoda zkoumání struktury povrchů nanometrových rozměrů. Extrémně tenký hrot řízený citlivými piezoelektrickými krystaly skenuje zkoumaný povrch. Kvůli zvýšení citlivosti hrot zpravidla osciluje, přičemž sledujeme vliv atomárních nerovností povrchu na tyto kmity. Signály kmitající se známou základní frekvencí zvládáme měřit s mnohem vyšší citlivostí.

Zajímavé zjednodušení konstrukce představuje hliníková makroskopická vidlice o délce 7 cm, jež kmitá podobně jako ladička. Jehlu najdeme na spodní větvi vidlice, piezoelektrickou pohonnou jednotku a akcelerometr, který slouží k monitorování pohybů, na větvi horní. Přesnost měření vyhovuje a výroba je mnohem snazší a levnější než dosud užívaných mikroskopických mechanických oscilátorů. Jak to funguje, ukazuje tato animace. „Detekovat nerovnosti o rozměrech 100 nm pomocí nástroje 7 cm dlouhého je jako měřit velikost viru pomocí Eiffelovy věže,“ srovnává spoluautor metody Antoine Nigues z pařížské École Normale Supérieure.

 

Korály se přizpůsobují

19.8.2018
Zdroj:
S.L.Coles et al., Evidence of acclimatization or adaptation in Hawaiian corals to higher ocean temperatures, DOI: 10.7717/peerj.5347
Zdroj
Zařízení pro výzkum korálů v Coral Reef Ecology Laboratory, foto Coral Reef Ecology Laboratory.

Experimenty v havajské Coral Reef Ecology Laboratory ukázaly, že mořské korály se částečně přizpůsobují rostoucí teplotě oceánu. První studie o vlivu teplejší vody na přežívání korálů proběhla v sedmdesátých letech. Současné pokusy s týmiž druhy za týchž podmínek ukázaly výrazně nižší úmrtnost. „Pro lepší porozumění aklimatizace a přizpůsobení korálů většina studií porovnávala korály z různých částí útesů, zatímco toto je první studie srovnávající druhy korálů z téhož místa v různé době. Opakování 48 let starého experimentu s týmiž druhy, uspořádáním a pozorovatelem nám umožňuje přímo testovat změny v toleranci korálů vůči teplově během posledního půlstoletí,“ objasňuje Dr.Keisha Bahr.

Jak vidíme na obrázku, experimenty probíhají v otevřených nádržích s nastavitelnou teplotou vody. Zastíněním lze simulovat různou hloubku. Otevřené nádrže bohužel neumožňují studovat korály při různém tlaku. V hloubce 10 m je tlak téměř dvojnásobný než těsně pod hladinou. Že by takový rozdíl korály neovlivňoval?

 

Zemětřas pokřivil Lombok

16.8.2018
Zdroj:
https://disasters.nasa.gov/lombok-indonesia-earthquake-2018
Zdroj
Mapa ostrova Lombok v nepravých barvách s vyznačením vzestupů a poklesů způsobených nedávným zemětřesením, obr. NASA/JPL-Caltech/Copernicus/ESA.

Přes sto lidí zahynulo při zemětřesení o síle 6,9 Richterovy stupnice, které 5.srpna 2018 postihlo indonéské ostrovy Lombok a Bali. Na mapě NASA vidíme deformaci ostrova Lombok způsobenou zemětřesením. Některé části poklesly až o 15 cm, jiné stouply až o 25 cm. Při východním okraji obrázku leží část ostrova Sumbawa. Mapa vznikla na základě údajů z družic v rámci společného projektu NASA a Caltechu zvaného zkráceně ARIA (Advanced Rapid Imaging and Analysis Project for Natural Hazards). Pomocí radarové inteferometrie, GPS a snímkování vytváří mapy oblastí postižených přírodní katastrofou v téměř reálném čase.

 

Urychlíme hojení

15.8.2018
Zdroj:
R. Iglesias-Bartolome et al., Transcriptional signature primes human oral mucosa for rapid wound healing, Science Translational Medicine 25 Jul 2018: Vol. 10, Issue 451, eaap8798, DOI: 10.1126/scitranslmed.aap8798
Zdroj
Stavba sliznice ústní dutiny na řezu, Lamina propria  je vrstva slizničního vaziva, bazální lamina odděluje epitelovou tkáň od pojivové, 1 - 4 jednotlivé vrstvy epitelu, po řadě Stratum basele, Stratum spinosum, Stratum granulosum a Stratum corneum, tvořená plochými buňkami bez jádra (Wiki-minor, CC BY-SA 3.0  (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0, via  Wikimedia Commons).

Poranění sliznice ústní dutiny se hojí výrazně lépe než kůže. Způsobuje to zvýšené množství transkripčních faktorů SOX2 a PITX1, což jsou obecně bílkoviny, které vyvolávají nebo řídí Proces, během kterého je informace obsažená v genu převedena v bílkovinu, která má v buňce skutečnou funkciexpresi genů?. SOX2 a PITX1 zvyšují v buňkách sliznice ústní dutiny aktivitu keratinocytů, hlavních pokožkových buněk. Stavba sliznic je rozdílná, záleží, kterou tělní dutinu vystýlají. Keratinocyty jsou součástí sliznice ústní dutiny (viz obr.).

Příčiny rychlého hojení objasnily pokusy s 30 dobrovolníky, kteří snesli drobné poranění jak kůže, tak uvnitř ústní dutiny. Během hojení jim byly po sedm dní odebírány a analyzovány nepatrné vzorky hojících se tkání. „Je zajímavé, že transkripční profil v ústech se podobá profilu v kůži pacientů s psoriázou. Naše práce přispívá k lepšímu pochopení biologie hojení ran v různých prostředích a může poskytnout nové podněty k léčbě chronických a nehojících se ran.“ uvádí Ramiro Iglesias-Bartolome z National Institute of Health v Bethesdě se svými kolegy.

 

Horninotvorný asteroid

14.8.2018
Zdroj:
T.E.Johnson et al., An impact melt origin for Earth’s oldest known evolved rocks, Nature Geoscience 2018, doi: 10.1038/s41561-018-0206-5
Zdroj
Rula z výchozu Acasta, foto Emmanuel Douzery, CC BY-SA 4.0, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0, via Wikimedia Commons.

Nejstarší horninou na Zemi je rulový skalní výchoz poblíž řeky Acasta v kanadském Severozápadním teritoriu, který dosahuje stáří kolem 4,031 miliardy let. Nese pojmenování Acasta Gneiss. Jako přeměněná (metamorfovaná) hornina vznikl působením teploty a tlaku na původní materiál. Netypické složení a struktura naznačují, že přeměna proběhla za vysoké teploty a poměrně nízkého tlaku, tedy v povrchových vrstvách zemské kůry, nejspíš při dopadu obrovského kosmického tělesa.

„Ohřátí na 900 oC za takových tlakových podmínek vyžaduje skutečně drastické působení. Myslíme, že horniny Acasta jsou jediným známým důkazem mimozemského bombardování, které charakterizovalo prvních 600 milionů let existence naší planety,“ shrnuje Tim E. Johnson z Curtin University v australském Perthu.

 

TNT odchází do penze

13.8.2018
Zdroj:
E.C.Johnson et al., Bis(1,2,4-oxadiazole)bis(methylene) Dinitrate: A High-Energy Melt-Castable Explosive and Energetic Propellant Plasticizing Ingredient, Org. Process Res. Dev., 2018, 22 (6), pp 736–740, DOI: 10.1021/acs.oprd.8b00076
Zdroj
Chemická struktura bis(1,2,4-oxadiazol)bis(methylen)dinitrátu.

Jedovatost a možné karcinogenní účinky rozšířené trhaviny TNT (trinitrotoluen) začínají být na překážku dalšímu použití. Ani vojáci a dělníci v muničkách by neměli být vystaveni riziku anemie a poškození jater. Proto chemici z Los Alamos National Laboratory a U.S. Army Research Laboratory vyvíjejí v rámci Joint Munitions Program vhodnou náhražku. Nahradit TNT není jen tak. Nejde jen o vlastní trhavou sílu, ale je důležité, aby nová sloučenina tála při vhodné teplotě a dala se odlévat do nejrůznějších tvarů, což je důležité pro výrobu munice. Jako nejslibnější sloučenina vypadá bis(1,2,4-oxadiazol)bis(methylen)dinitrát s účinkem 1,4 krát větším než TNT. Chemickou strukturu vidíme na obrázku.

Tající TNT za teploty 81 stupňů Celsia (foto Daniel Grohmann, CC BY-SA 3.0, http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0, via Wikimedia Commons). Chemická struktura vpravo dole. Trinitrotoluen, přesně 2-methyl-1,3,5-trinitrobenzen připravil roku 1863 německý chemik Julius Wilbrand jako žluté barvivo. Že jde o slibnou trhavinu, zůstalo tajemstvím až do roku 1891. Na obrázku vidíme trinitrotoluen tající při teplotě 81 oC (foto Daniel Grohmann, CC BY-SA 3.0, http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0, via Wikimedia Commons). Chemická struktura vpravo dole. V současnosti TNT slouží pro porovnávání energie uvolněné při velkých explozích, ať už jaderných zbraní nebo dopadů vesmírných těles. Jednotka „tuna TNT“ odpovídá přesně energii 4.184 GJ, které se přibližně uvolní při výbuchu jedné tuny trinitrotoluenu. Používá se násobných jednotek kilotuna kt a megatuna Mt.

 

Vrabci a lidé

12.8.2018
Zdroj:
M.Ravinet et al., Signatures of human-commensalism in the house sparrow genome, 15 August 2018, Proceedings of the National Academy of Sciences B, Volume 285, issue 1884 , https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4169945
Zdroj
Sameček vrabce domácího, Fir0002/Flagstaffotos, CC BY-NC, via Wikimedia Commons.

Soužití vrabce domácího (Passer domesticus, angl. house sparrow) s člověkem je tak těsné, že zanechalo stopy i v genomu. Konkrétně gen COL11A zodpovídající za vývoj lebky a AMY2A důležitý pro trávení většího množství škrobových polysacharidů jsou aktivnější u poddruhu Passer domesticus domesticus než u na Blízkém Východě divoce žijícího poddruhu Passer domesticus bactrianus. Naše těsné soužití započalo s počátkem neolitické revoluce v zemědělství před 11.000 roky. Vrabci obsadili nově vzniklou niku spojenou se vznikem polí a spolu s člověkem pronikli na všechny kontinenty kromě Antarktidy. V důsledku rozšíření zemědělství došlo ke genetickému přizpůsobení na větší obsah polysacharidů ze zrní v potravě u tří odlišných druhů - lidí, psů a vrabců. Možná bychom podobnou adaptaci našli i u křečka polního (Cricetus cricetus), jehož životní styl je úzce spjat s existencí polí.

 

Výklenky identifikovaly budovu

10.8.2018
Zdroj:
https://www.wissenschaft.de/geschichte-archaeologie/koeln-aelteste-bibliothek-deutschlands-entdeckt/?utm_source=newsletter&utm_medium=email&utm_campaign=wissenschaft.de_08-08-2018
Zdroj
Pozůstatky římské knihovny v centru dnešního Kolína nad Rýnem, foto Römisch-Germanisches Museum.

V centru Kolína nad Rýnem (Köln) odhalili archeologové v základové jámě nového Městského církevního střediska zbytky římské knihovny ze 2.století po Kr. (viz obr., foto Römisch-Germanisches Museum Köln). Nad účelem mohutné stavby o rozměrech 20 x 9 metrů dlouho váhali. Její poloha poblíž římského Fora naznačovala, že půjde o veřejnou, nikoliv soukromou budovu. Typické výklenky ve stěnách o rozměrech zhruba 80 x 50 cm sloužící k ukládání popsaných svitků objasnily, že šlo o knihovnu. Dvoupodlažní budova mohla skrývat až 20.000 svitků, což na tehdejší dobu bylo obrovské množství. Kolik jich tam leželo doopravdy, sotva zjistíme. V největší knihovně starověku v egyptské Alexandrii jich bylo na 700 tisíc.

Významný nález komentuje Marcus Trier, ředitel Římsko-germánského muzea (Römisch-Germanisches Museum): „Tyto výklenky byly typické pro knihovny. Stejné můžeme vidět v antické knihovně v Efezu (Efessos), postavené roku 117 po Kr. Archeologové proto stanovili, že zbytky budovy v Kolíně musí patřit římské knihovně. Jde o nejstarší známou knihovnu v celém Německu a nejspíš ve všech severozápadních provinciích Římské říše.“

Kolín nad Rýnem, starořímská Colonia Claudia Ara Agrippinensium, představoval důležité římské sídlo. Jak vypadal, najdeme na videu. Významu města odpovídá i množství archeologických nálezů. Jakékoli výkopové práce v centru dnešního Kolína vždy doprovází důkladný archeologický výzkum.

 

Fonendoskop skončí?

9.8.2018
Zdroj:
Christoph Will et al., Radar-Based Heart Sound Detection, Scientific Reports, volume 8, Article number: 11551 (2018) https://doi.org/10.1038/s41598-018-29984-5
Zdroj
Moderní fonendoskop, foto Huji, Public domain, via Wikimedia Commons. Fonendoskop zvyšuje intenzitu zvuku. Jeho přímého předchůdce, stetoskop, vynalezl francouzský fyzik a lékař René  Laënnec roku 1819.

Fonendoskop zvaný studené ucho (viz obr.), které každého zastudilo na zádech při návštěvě lékaře, možná po dvou stech letech odejde do výslužby. Podstatu nového vynálezu popisuje jeden z autorů Christoph Will z Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg: „V podstatě používáme podobnou metodu, která se měří rychlost v dopravě. Radarová vlna dopadá na povrch objektu a odráží se. Jak se objekt pohybuje,mění fázi odražené vlny. Z toho pak vypočítáme sílu a frekvenci pohybu - v tomto případě hrudníku.“

Radarové monitorování srdečního tepu, foto FAU/Kilin Shi. Nový přístroj při práci vidíme na obrázku. Pro získání záznamu srdečních pohybů je třeba měřit s přesností na mikrometry.Bezdotyková metoda usnadní monitorování srdeční činnosti pacientů v nemocnicích. Zároveň mizí subjektivní vyšetření poslechem, kdy méně zkušený lékař může udělat chybu. I přes nesporné výhody radarového měření fonendoskop nejspíš úplně nezmizí. I když autoři pracují na rozšíření možností radarového monitorování, je otázkou, zdali nahradí poslech při vyšetření dýchacích cest. Fonendoskop lze rovněž snadno užít i v polních podmínkách. Není velký a nepotřebuje žádné napájení.

 

Korály loví medúzu

5.8.2018
Zdroj:
L.Musco et al., Protocooperation among small polyps allows the coral Astroides calycularis to prey on large jellyfish, Ecology, 30 July 2018, https://doi.org/10.1002/ecy.2413
Zdroj
Mořský korál Astroides calycularis požírá medúzu talířovku svítivou (L.Musco et al., Protocooperation among small polyps allows the coral Astroides calycularis to prey on large jellyfish, Ecology, 30 July 2018, https://doi.org/10.1002/ecy.2413, CC BY 4.0, https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

Mořský korál Astroides calycularis, který žije pouze ve Středozemním moři, zvládne chytit a pozřít celou medúzu. Nejprve zachytí její zvon a bezprostředně poté pohltí konce žahavých ramen. Pak začne všeobecná hostina, která může skončit až úplným sežráním. Někdy medúza prchne, avšak často ji poté naleznou biologové na mořském dně mrtvou, protože hluboké rány na jejím tělem nejsou slučitelné se životem. Požírání medúzy vidíme na obrázku a videu. Jde o talířovku svítivou (Pelagia noctiluca, angl. mauve stinger), běžného středomořského tvora.

 

Posvítíme a změkne

1.8.2018
Zdroj:
Y.Gu et al., Photoswitching topology in polymer networks with metal–organic cages as crosslinks, Nature (2018), https://doi.org/10.1038/s41586-018-0339-0
Zdroj
Změna struktury MOFu po ozáření, Y.Gu et al., Photoswitching topology in polymer networks with metal–organic cages as crosslinks, Nature (2018) , https://doi.org/10.1038/s41586-018-0339-0.

Koordinační polymer, který osvícením výrazně změkne nebo ztuhne, a to opakovaně, připravili chemici z MIT a University of Florida. Koordinační polymery, anglicky metal-organic frameworks, zkráceně MOF, jak se i v češtině nejčastěji nazývají, jsou moderní, velmi slibné materiály. Tvoří je kovové kationty propojené navzájem organickými molekulami. Výsledkem je prostorově síťovaná struktura s póry. Její vlastnosti lze vzhledem k rozmanitosti výchozích materiálů nastavovat v širokém rozmezí.

Základem nového MOFu je na světlocitlivá funkční skupina, která prostřednictvím dusíkových atomů váže dva palladnaté kationy Pd2+. Existuje ve dvou strukturách, kdy vazby dusík - palladium svírají úhel 62o nebo 138o. Mezi oběma strukturami přechází vratně po několika hodinovém osvícení zeleným, popřípadě ultrafialovým světlem. Vazebný úhel má klíčový vliv na strukturu vzniklého MOFu. Při menším úhlu vznikají molekuly koordinačního polymeru tvořené třemi kationty palladia a šesti molekulami organického polymeru. Látka je měkká a po mírném ohřátí teče.

Po osvícení ultrafialovým záření a vzrůstu vazebného úhlu vzniknou mnohem větší molekuly tvořené 24 kationty palladia a 48 molekulami organického polymeru. Sloučenina ztratí elasticitu a ztuhne. Celý proces a strukturu obou MOFů vidíme na obrázku (Y.Gu et al., Photoswitching topology in polymer networks with metal–organic cages as crosslinks, Nature (2018), https://doi.org/10.1038/s41586-018-0339-0).

Perspektivy nové sloučeniny objasňuje Jeremiah A.Johnson z MIT: „Můžete převracet materiál tam a zpět. Každý z obou stavů se chová, jakoby šlo o úplně jinou látku, přestože ji tvoří tytéž součásti. Měkká struktura po zahřátí teče, takže ji můžeme poničit a teplo poškození zhojí. Cokoli z plastu, pokud lze poškození napravit, nemusíme vyhodit. Možná jde o novou metodu výroby materiálu s delší životností.“ Další možností je doprava aktivních látek, např. léčiv, na místo určení, kde by pevné pouzdro změklo a rozpadlo se. Přestože jde o zajímavé experimenty, na praktické užití ještě nějaký čas počkáme. Těžko očekávat, že bychom pro výrobu samoopravitelných plastových předmětů ve velkém používali drahé palladium, jehož cena je srovnatelná s platinou.

 

Diskuse/Aktualizace