Određivanje trenutka kada materijal postaje 'staklast'
Je li u tekućoj ili 'staklastoj' fazi? Ovo pitanje bilo je predmet intenzivne rasprave dok fizičari pokušavaju razumjeti ponašanje takozvane 'aktivne tvari' — razmjerno nove vrste materije u kojoj čestice koriste 'mali unutarnji motor' za kretanje. S novim zapažanjem – objavljenim u časopisu Physics Review Letters – istraživači sada rješavaju sve kontradiktorne rezultate u isto vrijeme, utirući tako put prema boljem razumijevanju ponašanja stanica u bolestima poput astme i raka.
Za mnoge izraz 'faze materije' odmah izaziva misli o plinovima, tekućinama i čvrstim tvarima – najpoznatijim fazama materije. Međutim, između tekuće i krute faze, naći ćete staklenu fazu, fazu koja se ponaša kao kruta, ali iznutra izgleda kao tekućina.
Ova tipična slika faza materije (plin, tekućina, krutina ili staklo) smatra čestice pasivnim, što znači da se kreću samo zbog toplinske energije i sila koje doživljavaju kroz interakcije sa susjednim česticama.
Posljednjih godina, međutim, aktivna tvar, koja se sastoji od čestica koje pretvaraju energiju koristeći 'mali motor' u usmjereno kretanje i znači da su kontinuirano izvan ravnoteže, privukla je pozornost vrijednu pažnje. I aktivna tvar također ima staklastu fazu.
Stakleni uvid
"Godinama je poznato da aktivna tvar pokazuje staklasto ponašanje koje bi moglo biti važno za naše razumijevanje ponašanja stanica kod astme, zacjeljivanja rana i metastaza raka", kaže Liesbeth Janssen iz odjela za primijenjenu fiziku i voditeljica studije. Autor i istraživač Vincent Debets također ističe ovu aplikaciju: "Jedna od najzanimljivijih primjena ovog rada bit će za ljudske stanice koje se ponašaju poput stakla kao što su stanice kod astme i raka."
Međutim, posljednjih godina bilo je mnogo rasprava o staklastom ponašanju aktivne tvari, što je dovelo do nekih nesuglasica. "Neki kažu da su ovi aktivni sustavi tekućiji od pasivnog stakla, drugi tvrde da je sustav staklastiji, dok drugi kažu da sustav postaje više tekući prije nego što konačno postane staklastiji. Ovom studijom dajemo nedvosmisleno i jednostavno objašnjenje za pojašnjenje stajališta u vezi sa svim tim kontradiktornim rezultatima", kaže Janssen.
Važnost duljine kaveza
Sve se svodi na odnos između takozvane duljine kaveza, što je tipična veličina kaveza za određenu česticu koju čine susjedne čestice koje okružuju česticu, i duljine postojanosti, prosječne prijeđene udaljenosti čestica prije nego što promijeni smjer.
"Staklasta faza može se smatrati velikom zbirkom takvih kaveza, u kojima se svaka čestica može samo gurati u svom vlastitom kavezu, ali nikada ne može pobjeći iz njega", napominje Debets.
"Kada je duljina postojanosti manja od duljine kaveza, aktivne čestice mogu istražiti svoj kavez u potrazi za otvorom. Ako mogu pobjeći, ponašaju se kao pasivne čestice u tekućini. Ali kada je duljina postojanosti veća od duljine kaveza, čestice više ne mogu učinkovito skenirati svoj kavez i zaglaviti se u kavezu. Kao rezultat, sustav pokazuje više staklasto ponašanje gdje sustav ima svojstva poput čvrste tvari."
Proboj
I upravo je ovo zapažanje glavni napredak. "Ovo objašnjava sve prethodne, naizgled zbunjujuće rezultate u literaturi. Sva su ta istraživanja provedena na različitim vrijednostima duljine postojanosti, i kao takva provedena na različitim udaljenostima u odnosu na duljinu kaveza", objašnjava Janssen.
Duljina kaveza je vrlo važan fizički koncept, koji je već pomogao boljem razumijevanju zašto pasivni materijal postaje čvršći kada se iz tekućeg pretvara u staklo. Sažimajući svu dinamiku sustava na jednostavan princip usporedbe duljine postojanosti s duljinom kaveza, istraživači su pomirili različite prijedloge iz literature.
Prijave u zdravstvu
Za daljnju studiju, znanstvenici planiraju proučavati učinak duljine kaveza na žive aktivne naočale u stvarnim biološkim slojevima stanica.
"U budućem radu proučavat ćemo kako fizika diktira ponašanje stanica. Možda možemo modificirati duljinu kaveza, a time i staklasto ponašanje stanica promjenom njihovog oblika. To bi onda moglo, na primjer, otežati tumorskim stanicama da se odvoje od primarnog tumora i metastaziraju. Alternativno, identificiranjem duljine kaveza izravno iz snimaka staničnog sloja, mogli bismo predvidjeti je li on u tekućoj ili staklastoj fazi, što bi dovelo do novih medicinskih dijagnostičkih pristupa", kaže Debets.
Izvor: Physical Review Letters