Neviditelný čert

Nový návrh urychlovače částic využívající laser a uhlíkové nanotrubice by mohl přinést silné rentgenové záření na plochu běžného stolu. Studie slibuje miniaturizaci výzkumných nástrojů, které dnes vyžadují zařízení velikosti stadionu – a tím i zásadní změnu v přístupu ke špičkové vědě.

Lucifer

Urychlovače částic se staly jednou z nejdůležitějších vědeckých staveb v historii. V čistě vědecké oblasti nám pomáhají pochopit stavební kameny vesmíru tím, že srážejí částice a studují výsledky, rekonstruují podmínky raného vesmíru a zkoumají strukturu hmoty. V praktických aplikacích mají zásadní význam pro medicínu (např. léčba rakoviny a sterilizace lékařských přístrojů), průmysl (např. ozařování potravin a věda o materiálech) a technologie (např. bezpečnostní skenery a vesmírná elektronika).

Urychlovače jsou často obrovské a velmi drahé. Vezměme si například Velký hadronový urychlovač (LHC) v CERNu s jeho 27 kilometry magnetických tunelů. Co kdybychom mohli zmenšit (fyzickou a nákladnou) velikost urychlovačů tisíckrát nebo milionkrát? Nedávná studie navrhuje revoluční konstrukci: urychlovač částic tak kompaktní, že by se vešel na stůl, schopný generovat velmi intenzivní rentgenové záření se zcela jinou architekturou, než jakou mají tradiční urychlovače.

Nová koncepce využívá drobné struktury, uhlíkové nanotrubice, které v kombinaci s polarizovaným laserem vytvářejí velmi silná elektrická pole a urychlují v nich elektrony. Klíč spočívá v povrchových plazmonových vlnách: laser se „roztočí“ uvnitř nanotrubice a donutí elektrony spirálovat, čímž vznikne koherentní rentgenové záření s velmi vysokou intenzitou, až stokrát větší než jaká je u běžných urychlovačů podobné velikosti.

Toto zařízení „kapesní velikosti“ by mohlo změnit obory, jako je medicína, věda o materiálech a biologie. V současné době je intenzivní rentgenové záření dostupné pouze v obřích laboratořích (synchrotrony nebo lasery na volných elektronech), ke kterým nemá mnoho výzkumníků snadný přístup. Díky kompaktnímu urychlovači by nemocnice nebo univerzity mohly mít vlastní zdroj silného rentgenového záření, což by umožnilo přesnější lékařské zobrazování bez nutnosti použití kontrastních látek, studium proteinů a léků přímo ve výzkumných laboratořích, což by urychlilo vývoj nových léčebných postupů, a analýzu jemných materiálů a polovodičových součástek bez jejich poškození nebo dokonce nedestruktivní testování in situ.

Na rozdíl od tradičních kompaktních urychlovačů nemá tato nová koncepce konkurovat gigantům, jako je Velký hadronový urychlovač (LHC), jehož 27kilometrový obvod ho řadí do jiné ligy. Jeho logické srovnání je s moderními synchrotrony, přístroji, které dnes generují elektronové svazky používané ve fyzice, chemii, medicíně a materiálových vědách. A tyto synchrotrony jsou obrovské: francouzský ESRF má průměr 844 metrů, britský Diamond Light Source 561 metrů, americký APS přes 1100 metrů a japonský kolos SPring-8 1436 metrů. Jedná se o zařízení o velikosti dvou, tří nebo dokonce čtyř celých fotbalových hřišť. V porovnání s takovým rozmístěním by urychlovač schopný nabídnout srovnatelný výkon v měřítku „stolní desky“ představoval skutečnou vědeckou a technologickou revoluci.

Zavedení těchto kompaktních urychlovačů by mohlo mít hluboký dopad na způsob, jakým provádíme vědecký výzkum a používáme technologie v každodenním životě. Například v oblasti medicíny by menší urychlovače částic mohly způsobit revoluci v radioterapii a umožnit přesnější a méně invazivní léčbu rakoviny. Mohly by také usnadnit vývoj nových léků tím, že umožní podrobnější analýzu molekulárních struktur.

V oblasti materiálových věd by tyto urychlovače mohly urychlit objevování nových materiálů s lepšími vlastnostmi, jako jsou supravodiče při pokojové teplotě nebo ultrapevné materiály. To by mohlo mít významný dopad na energetiku, elektroniku a stavebnictví.

Zdroj: Techzpravy.cz, Tisíce tun vs. pár gramů. Tohle může zničit současnou vědu

Dodatek

Jednu dobu jsem se tímto tématem zabýval ve spolupráci s Andrzejem Huczkem a Hubertem Langem z Varšavské univerzity (Laboratory of Plasma Chemistry, Department of Chemistry, Warsaw University). Navštívil jsem jejich laboratoř a studentům předvedl prezentaci Carbon Fullerenes & Nanotubes, která se vám objeví, když si kliknete na její název. Je v PowerPoint a nemusí vám fungovat. Záleží na systému, který používáte. Skládá se ze čtyř částí, na jejichž názvy pod obrázkem uhlíkové nanotrubice klikněte. Používám Windows10 s Microsoft Office a prohlížeč Microsoft Edge. Pokud se vám to spustí, klikejte na stránku, dole najdete možnost vrátit se zpět. Vložené animace vám patrně nepůjdou spustit.

Tuto prezentaci jsem po návratu z Varšavy předvedl i kolegům z Ústavu fyziky plazmatu, v němž jsem pracoval. V prezentaci se dozvíte spoustu věcí, z nichž některé vám mohou připadat příliš vědecké a tudíž nezpracovatelné. Nic si z toho nedělejte. Důležité je uvědomit si, jak úžasně pevnou vazbu dokáže uhlík vytvořit v konfiguraci, jejímž základem je benzenové jádro.

Kromě nanotrubic jsou možná ještě zajímavější fullereny – fotbalový míč z šestiúhelníků a pětiúhelníků. Jsou pojmenované po americkém architektovi, matematikovi, vynálezci a spisovateli Richardu Buckminster Fullerovi.

07.12.2025, 12:53:00   Publikoval Luciferkomentářů: 0