Výzkum malých částic s velkými přínosy

Výzkum malých částic s velkými přínosy

4. září 2020

Zubní pasty, 3D tisk, léky a detekce sesuvů materiálu na Marsu spolu na první pohled nemají nic společného. Přesto můžeme najít jednu věc, která tyto věci a jevy spojuje. Všechny totiž společně mohou využít pokroků ve výzkumu takzvaných koloidů, které se studují na Mezinárodní kosmické stanici. Jde o směsi tvořené droboučkými částicemi, které jsou rozptýlené v tekutině a mohou mít různé formy. Patří sem i různé přirozené směsi jako je mléko nebo bahnitá voda, ale i široké spektrum lidmi vyráběných produktů – od šamponů přes léky až po salátové dresinky. V některých koloidních roztocích se nachází vzácné částice, které jsou schopné vytvářet krystaly – ty by se daly využít k výrobě nejrůznějších materiálů.

Lidé nepřetržitě obývají Mezinárodní kosmickou stanici téměř dvacet let. Výzkumníci prakticky po stejnou dobu využívají možnosti této orbitální laboratoře k lepšímu pochopení chování koloidů. Jednak chtějí zlepšit produkty, které používáme v běžném životě, ale také by chtěli vytvořit látky nové včetně těch, které by usnadnily průzkum vzdálenějších končin vesmíru. A zapomenout nesmíme ani na přínosy, které mají tyto studie pro základní fyzikální výzkum.

Kanaďan Chris hadfield připravuje během 34. expedice experiment BCAT (Binary Colloidal Alloy Test).
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Studium koloidů na Zemi komplikuje gravitace, která způsobuje, že některé částice plavou k hladině a jiné se potápí. V mikrogravitaci tento problém odpadá a vědci tak mohou pomoci firmám navrhnout lepší produkty. Matthew Lynch, výzkumník firmy Proctor & Gamble (P&G) říká, že o tento základní výzkum projevuje zájem i akademická komunita. Vědci by třeba rádi porozuměli vztahu mezi tvary částic a tím, jak spolu interagují, aby mohli vytvářet nové materiály.

Dlouhý seznam výzkumů koloidů na ISS obsahuje třeba projekt BCAT (Binary Colloidal Alloy Tests), což je série více než 40 experimentů, která začala již v roce 2004. V rámci tohoto projektu vědci studují fázovou separaci – bod, ve kterém se směs rozděluje. Fázová separace hraje důležitou roli z hlediska kvality produktu a jeho trvanlivosti.

Koloidy zkoumá i experiment ACE (Advanced Colloid Experiments), který tvoří více než deset samostatných výzkumných větví. V rámci tohoto projektu se vědci zaměřili na chování různých typů částic. Sledovali, jak různé podmínky ovlivňují způsob, kterým částice vytváří trojrozměrné krystaly. Pochopení těchto procesů společně s naučením se, jak je řídit, by mohlo vést například ke zlepšení 3D tisku. Stejně tak je možné vytvoření pokročilých optických materiálů.

Američanka Karen Nyberg při obsluze experimentu ACE ( Advanced Colloids Experiment).
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Projekt ACE se věnuje i výzvě, která ovlivňuje všechny koloidy – jak udržet produkt dostatečně vlhký, aby se snadno dávkoval a přitom zabránit látkám či částicím, aby se začali shlukovat a usazovat. Proces označovaný zhrubnutí (coarsening) způsobuje, že se třeba krémový šampon promění na vrstvy lepkavé hmoty a vody. „Snadno dosáhnete buďto jednoho nebo druhého,“ říká Lynch a dodává: „Mohl bych něco ponořit do betonu a zůstalo by to ponořené, ale pak se produkt musí nějak dávkovat. Dělat obojí současně není snadné.“

Zhruba dvě třetiny značek pod hlavičkou P&G mohou podle Lynche profitovat z výzkumu koloidů a ISS se už podílela na výzkumech pro tři nové patenty, které firma získala. Roční tržby jen za aviváž Downy dosáhly přibližně 4 miliard dolarů – Lynch tedy upozorňuje, že pro firmu je významná i jednoprocentní úspora výrobních nákladů nebo o trochu delší trvanlivost. A dlouhodobá trvanlivost může najít využití i při dlouhodobých cestách do kosmického prostoru.

Velitel 12. expedice na ISS, William McArthur fotografuje vzorky z experimentu BCAT-3.
Zdroj: https://www1.grc.nasa.gov/

Už jsme zmínili i využití koloidů při 3D tisku. Tyto metody budou při dlouhodobých kosmických misích také velmi důležité. „Na dlouhé kosmické cestě se může stát, že se poškodí nějaký díl a vy nebudete mít náhradní díl,“ dává příklad Paul Chaikin, profesor fyziky z New York University a hlavní vědecký pracovník několika projektů v rámci programu ACE. Když porozumíme procesu, jak tvar, velikost a slučování částic ovlivňují tento proces, bude to klíč k využití koloidů při 3D tisku, aby mohly vzniknout třeba tyto náhradní díly.

Výzkumy se také zaměřují na proveditelnost vytváření částic, které se samy pomocí různých forem energie spojují. Vědci by chtěli instruovat částice, jak přesně se spojit, aby vznikly materiály se specifickými vlastnostmi. Budoucí kosmičtí průzkumníci by mohli přivážet tyto částice jako stavební kameny k výrobě téměř všeho, co potřebují.

Výzkum koloidů na ISS také pomohl vědcům vyvinout techniku světelného rozptylu (light scattering), která se dá využít ke sledování, jak se částice spojují a vytváří pevné sítě. Tato technika může odhalit i vlastnosti vrstev pod povrchem planet. Vědci by tak mohli snáze detekovat například sesuvy na Marsu. Kromě toho by se mohly lépe předvídat strukturální škody na silnicích a mostech, nebo dokonce i zemětřesení.

LMM (Light Microscopy Module)
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Přidání konfokálního mikroskopu do mikroskopového modulu LMM (Light Microscopy Module) v roce 2009 významně pomohlo výzkumu koloidů na stanici. U konvenčních mikroskopů světlo proniká vzorkem jen do určité hloubky. Konfokální mikroskop zaostřuje svazek světla v jednu chvíli pouze na jeden úzký řez vzorkem. Zachytí tak mnoho 2D snímků, které následně mohou vytvořit trojrozměrnou strukturu. „Schopnost konfokálního mikroskopu je kriticky důležitá,“ říká Lynch a dodává: „Bez tohohle mikroskopu sice vidíte koloidy, ale nemáte žádnou hloubku a jen velmi těžko z toho získáte nějakou fyziku. LMM má rozlišení pro určení, kde jednotlivé částice jsou, ale i dynamiku celého systému.“

Všechny výše zmíněné poznatky by se sbíraly mnohem složitěji, pokud by ISS neexistovala a některé by nebylo možné odhalit vůbec. „Mnoho našich poznatků o koloidech vzešlo z experimentů v mikrogravitaci,“ říká Chaikin a dodává: „Možnost zbavit se přitažlivosti byla velmi důležitá, abychom mohli izolovat různé vlivy. Tady se v podstatě vytvořil celý tento obor.“