Novinky: Fyzikální ústav

Přihlásit se k odběru zdroj Novinky: Fyzikální ústav
Aktualizace: 23 min zpět

Zvýšení efektivity protonové terapie poprvé experimentálně prokázáno: Proton-borová záchytná terapie (Proton Boron Capture Therapy)

8. Únor 2018 - 19:14

Použití proton-borové jaderné reakce ke zvýšení efektivity ničení rakovinných buněk v protonové terapii bylo experimentálně prokázáno. Je to výsledek vědecké spolupráce mezi výzkumníky z Fyzikálního ústavu AV ČR (ELI Beamlines) v Praze, Laboratori Nazionali del Sud (LNS-INFN) v Katánii, Katedrou fyziky University of Naples Federico II (DoP-UoN) a Fondazione Bruno Kessler (FBK) v Trentu. Výzkum provedený v LNS je výsledkem intenzivní dvouleté experimentální práce založené na testech s různými buněčnými kulturami.

Experimentální technika nazývaná PBCT (Proton Boron Capture Therapy – proton-borová záchytná terapie) používá molekuly obsahující jádra boru 11B, která mohou proniknout do nádoru nacházejícího se hluboko v tkáni. Buňky nádorů mají zvýšený metabolismus oproti normálním buňkám, a proto intenzívně vstřebávají například borem dopovanou glukosu. Tato jádra boru mohou být poté ostřelována protonovým svazkem typicky používaným v hadronové terapii. Následkem interakce jednoho protonu s jedním jádrem bóru 11B jsou generovány tři částice alfa s nízkou energií (kolem 4 MeV). Ty se nakonec zastaví v nádoru, kde uvolní celou svou energii v jediné nádorové buňce. Makroskopickým efektem této interakce je zvýšení biologického poškození nádorové tkáně ve srovnání s poškozením způsobeným pouze protony. Nespotřebovaný bor je z těla vyloučen a není toxický.

Tento výsledek je vědecky a klinicky velmi zajímavý, neboť by mohl rozšířit a vylepšit současné procedury hadronové terapie. Může mít také významný sociální dopad,“ zdůraznil Pablo Cirrone, lékařský fyzik v LNS, „vědecká spolupráce s ELI Beamlines začala před několika lety projektem ELIMED.“

Proton-borová fúze je odvětvím výzkumu, které v Praze experimentálně zkoumáme už několik let pomocí laserových urychlovačů částic,“ vysvětluje Daniele Margarone, vedoucí vědecký pracovník Fyzikálního ústavu v ELI Beamlines a dodává: „Naše těsná vědecká spolupráce s INFN, UoN a FBK nám umožnila v LNS v Katánii lékařský výzkum pomocí konvenčních urychlovačů částic. Tato spolupráce byla klíčem k dosažení zajímavého vědeckého výsledku.

Schématické znázornění konvenční radioterapie pomocí protonových svazků s nižším dlouhodobým efektem (long-term effect, LTE – levá část obrázku) a borem posílené protonové terapie (pravá část obrázku). Zatímco v konvenční radioterapii dopadající protony způsobují hlavně izolované a většinou opravitelné poškození DNA, extrémně lokalizovaná emise záření s vysokým LTE produkovaná fúzí protonů s borem v koncových bodech dráhy protonu způsobuje daleko větší poškození DNA. To vede k očekávanému nárůstu efektivity likvidace nádorových buněk. Nádorové buňky na obrázku jsou znázorněny tmavší barvou a červená přerušovaná čára znázorňuje míru efektivity působení protonů při průchodu tkání. Počet šipek protonů (na horním okraji obrázku) znázorňuje nezbytnou intenzitu protonového svazku.

Inovativní metoda PBCT zvyšuje relativní biologickou účinnost protonové terapie a zároveň zachovává unikátní fyzikální vlastnosti urychlených protonů a tudíž připravuje prostor pro léčbu radio-rezistentních nádorů, jako jsou např. gliom nebo nádory slinivky břišní. „Dosažení toho výsledku je příkladem smysluplné a úspěšné mezioborové spolupráce aplikovaného výzkumu. Takový výzkum kombinuje odbornost různých odvětví vědy souvisejících s fyzikou a biologií a v blízké budoucnosti se, doufejme, projeví i v medicíně,“ vysvětluje Lorenzo Manti, profesor na UoN.

Medicínské aplikace vysoko výkonových laserů jsou pro výzkum na ELI Beamlines důležité. To dokazuje i společný projekt s laboratoří INFN nazvaný ELIMED a také podání žádosti o národní mezioborový grant s pražským Protonovým centrem. Zde bude probíhat i další výzkum proton-borové terapie“ zdůrazňuje Georg Korn, vedoucí výzkumných programů na ELI Beamlines.

[1] G.A.P. Cirrone, L. Manti, D. Margarone et al., “First experimental proof of Proton Boron Capture Therapy (PBCT) to enhance protontherapy effectiveness” Scientific Reports 8 (2018) 1141, https://www.nature.com/articles/s41598-018-19258-5Daniele Margarone a Jan Řídký
Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

Dosažení submolekulárního rozlišení struktury molekul vody

19. Leden 2018 - 15:55

Vědci z Fyzikálního ústavu AV ČR a Univerzity Palackého v Olomouci ve spolupráci s  kolegy z Čínské akademie věd a Pekingské university dosáhli významného pokroku při zobrazování molekul vody. Vědci vyvinuli novou metodu umožňující dosáhnout submolekulární rozlišení slabě vázaných klastrů vody na površích pevných látek, včetně rozlišení jejich chirální orientace nebo metastabilních konfigurací. Práce publikovaná v časopise Nature Communications [1] významně posouvá současné možnosti zobrazení slabě vázaných nanostruktur pomocí mikroskopie atomárních sil (AFM – Atomic Force Microscopy).

Na rozhraní vody a pevných látek se odehrává široké spektrum fyzikálních, chemických a technologických procesů, např. vodní koroze vznikající důsledkem elektrochemických reakcí nebo transport molekul v buňkách. Studium chování vody patří mezi jednu z významných výzev současné vědy a je řešeno napříč různými obory. Hlubší pochopení těchto procesů je však v současné době limitováno našimi možnostmi přesného stanovení lokální struktury klastrů vody, které se skládají z navzájem slabě vázaných molekul vody na rozhraní s pevnou látkou, viz obrázek 1 ukazující klastr vody tvořený 4 molekulami vody s dvěma možnými uspořádáními.

Jednou z technik, které se používají pro studium rozhraní vody a pevné látky, je rastrovací mikroskopie. V rastrovací mikroskopii jsou molekuly zobrazovány pomocí hrotu s atomárně ostrým zakončením. Nevýhodou je však, že nezbytnost interakce hrotu mikroskopu se slabě vázanými molekulami vody nevyhnutelně vede k narušení jejich křehké struktury vody a nežádoucímu zkreslení měření. Tyto nežádoucí efekty výrazně limitují přesné stanovení jejich struktury na atomární úrovni. Alternativou jsou neinvazivními spektroskopickými metody, jako je optická spektroskopie, rozptyl neutronů a nukleární magnetická rezonance. Nicméně tyto spektroskopické metody neumožňují lokální určení struktury malých klastrů vody na površích pevných látek.

Čeští a čínští vědci vyvinuli novou metodu umožňující submolekulární rozlišení vodních klastrů na povrchu soli, která využívá působení slabých multipólových elektrostatických sil mezi molekulami vody a speciálně upraveným hrotem mikroskopu, který je zakončen jedinou molekulou oxidu uhelnatého, viz obrázek 1. Tato metoda umožňuje zobrazení metastabilních struktur s jejich minimálním strukturálním rušením a také určení chirální orientace vodních klastrů.

Tato práce otevírá cestu pro studium vnitřní struktury a dynamiky ledu nebo vody na povrchu pevných látek a studium elektrochemických procesů, hydrataci iontů a biologické vody s atomovou přesností.

Obrázek 1. Zobrazení pravo- a levotočivého klastru čtyř molekul vody pomocí mikroskopu atomárních sil s hrotem zakončeným právě jednou molekulou kysličníku uhelnatého (a). Obrázek (b) a (c) ukazuje horní a boční pohled na tetramer vody adsorbovaný na povrchu NaCl (001). H, O, Cl, a Na atomy jsou označeny jako bílé, červené, zelené a fialové koule. Obrázek (d) a (i): vypočtená mapa elektrostatického potenciálu tetramerů vody. Obrázek (e-h) a (j-m): snímky z rastrovacího tunelovacího mikroskopu (e) a (j) ve srovnání se submolekulárním rozlišením stejného klastru na obrázcích pořízených pomocí mikroskopu atomárních sil při různých vzdálenostech sondy, viz obrázek (f a k), (g a l), (h a m).

Reference

[1] J. Peng, J. Guo, P. Hapala, D. Cao, R. Ma, B. Cheng, L. Xu, M. Ondráček, P. Jelínek, E. Wang, Y. Jiang, Weakly perturbative imaging of interfacial water with submolecular resolution by atomic force microscopy, Nature Communication 9 (2018) 122(1) - 122(7).

Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

První část laserového systému nové generace v centru ELI Beamlines zprovozněna

6. Prosinec 2017 - 10:25

V minulých dnech byla úspěšně dokončena fyzická instalace laserového systému L3-HAPLS (High repetition rate Advanced Petawatt Laser System), jehož komponenty byly v červnu tohoto roku dodány z americké Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) do výzkumného centra ELI Beamlines v Dolních Břežanech. Na instalaci laseru od konce září intenzivně pracoval společný tým vědeckých a technických pracovníků z LLNL a centra ELI Beamlines Fyzikálního ústavu AV ČR. Po připojení a zprovoznění chladících, vakuových, elektrických a elektronických systémů laseru byly v minulých dnech uvedeny do provozu první části vlastního laserového řetězce. První zprovozněná část systému L3-HAPLS, tvořená oscilátorem a čerpacím laserem poskytujících pulsy s energií 2 J a opakovací frekvencí 10 Hz, je rovněž první významnou laserovou jednotkou celého centra ELI Beamlines uvedenou do provozu.

V příštích dnech budou dále zprovozněny čtyři bloky laserových diodových jednotek, poskytujících světelné pulsy o výkonu 800 kW, které jsou nejsilnějšími, dosud vyrobenými bloky laserových diod na světě. V prvních měsících roku 2018 bude následně uveden do provozu hlavní laserový zesilovač systému L3-HAPLS, čímž bude zahájeno testování kompletního laserového řetězce.

Laserový systém L3-HAPLS představuje novou generaci diodově čerpaných, vysokoenergetických výkonových laserových systémů. Jako jediný na světě je postaven výlučně na vysokovýkonových polovodičových laserových diodách a díky novým technologiím využívajícím diodového světla 10 pulsů za vteřinu několikanásobně překonává systémy instalované jinde ve světě. Tento nejmodernější laser svého druhu bude mít široké spektrum využití a bude sloužit v mnoha oblastech základního i aplikovaného výzkumu. Mezi jeho nejvýznamnější aplikace patří kompaktní laserem buzené urychlování částic pro nové lékařské postupy eliminace zhoubných nádorů nebo generace krátkopulsního rentgenového záření pro mikroskopii s vysokým prostorovým a časovým rozlišením pro materiálový a biomedicínský výzkum.

Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

Věda fotogenická: nejlepší snímek pořízen ve Fyzikálním ústavu

22. Listopad 2017 - 13:51

První místo v soutěži Věda fotogenická podle hlasování odborné poroty v hlavní kategorii Věda fotogenická získal snímek dr. Filipa Domince z Fyzikálního ústavu AV ČR Skvrnka na polovodičovém vzorku. Struktura, jež vznikla, když se z aparatury uvolnilo smítko organického materiálu a dopadlo na vzorek během epitaxního růstu tenkých vrstev průhledných polovodičů na bázi nitridů, překvapivě připomíná ulice středověkého města.

Věda fotogenická je každoroční soutěž, které se mohou svými snímky zúčastnit všichni zaměstnanci Akademie věd ČR. Přihlášené snímky soutěží ve dvou kategoriích. V první (Věda fotogenická – hlavní kategorie) se o přízeň poroty ucházejí fotografie s vědeckou tématikou – tj. snímky objektů vědeckého zkoumání, přístrojů používaných k výzkumu, fotografie části živé a neživé přírody, jevů či činností souvisejících s prací zaměstnanců pracovišť AV ČR. Vítězný snímek Filipa Domince byl vybrán odbornou porotou z více než dvou set snímků od 89 soutěžících z 27 pracovišť Akademie věd. V druhé kategorii (Vědci ve fotografii) jsou snímky zaměřené na život vědeckého kolektivu na pracovištích AV ČR, které veřejnosti přiblíží lidskou stránku vědeckého povolání. Nejlepší snímek vybírá on-line rovněž veřejnost na webových stránkách soutěže www.vedafotogenicka.cz, kde také najdete všechny snímky letošního ročníku.

Vítězná fotografie soutěže Věda fotogenická 2017. Autor Filip Dominec.

Právě vítězná fotografie soutěže od Filipa Domince zachycuje zhruba milimetrovou kruhovou oblast, kde na nitrid galitý dopadla zřejmě organická nečistota a vzniklé sloučeniny za teploty přes 1000 °C zkrystalizovaly do linií tvořených barevnými ploškami. Barva plošky je dána její tloušťkou, tak jako např. u benzinových skvrn na vodě.

Další snímky defektů ze skupiny organokovové epitaxe.

Ing. Filip Dominec, Ph.D., je členem skupiny organokovové epitaxe v Oddělení polovodičů Fyzikálního ústavu AV ČR, která se zaměřuje na výrobu rychlých a účinných scintilátorů - stínítek pro detekci ionizujícího záření, lékařské zobrazování a elektronovou mikroskopii. Součástí vývoje je diagnostika případných poruch na krystalech průhledného polovodiče, která zahrnuje i jejich snímkování optickým mikroskopem.

Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

Rekordní návštěvnost akcí Fyzikálního ústavu v rámci Týdne vědy a techniky

16. Listopad 2017 - 9:21

V rámci Týdne vědy a techniky Fyzikální ústav každý rok pořádá Dny otevřených dveří na svých pracovištích, které letos navštívilo více než 1000 zájemců o fyziku a moderní vědu a výzkum. Fyzikální ústav byl také garantem a hlavním pořadatelem Dne superlaserů a Dne nanotechnologií v budově Akademie věd na Národní třídě v Praze, které navštívilo téměř 3000 zájemců.

Dny otevřených dveří se konaly ve dnech 9.-11. listopadu 2017 na pracovištích FZÚ na Slovance, v Cukrovarnické ulici a v laserových centrech v Dolních Břežanech, kde měli návštěvníci na výběr z mnoha přednášek a exkurzí do laboratoří zabývajících se různými fyzikálními tématy; např. kapalnými krystaly, termoelektrickou konverzí, supravodiči a magnetickou levitací, pohled elektronovým mikroskopem aj. (kompletní program zde). Poprvé u nás měli návštěvníci možnost spatřit pomocí virtuální reality experiment ATLAS v CERN v Ženevě. Zejména mladší účastníci akce se nebáli "teleportovat" 100 metrů do podzemí a "létat" v ohromné podzemní jeskyni, kde je detektor ATLAS umístěn. Zařízení umí zobrazit i dráhy částic po srážce v největším světovém urychlovači LHC. Velkou oblibu si získal také program Fyzika pro nejmenší na pracovišti v Cukrovarnické plný pokusů a fyzikálních hádanek určený dětem malým i velkým.

Virtuální prohlídka detektoru ATLAS v CERN si získala zejména děti. Foto: Jiří Chudoba, FZÚ.

Program Hravá fyzika byl oblíbený u menších i větších návštěvníků. Foto: Zdeňka Milotová, FZÚ.

Den superlaserů v úterý 7.11. nabídl návštěvníkům přednášky, v nichž se zájemci seznámili s historií laseru, jeho praktickými aplikacemi či zjistili, jaké jsou potenciální možnosti využití nejen ve vědě a výzkumu. Své nově nabyté znalosti zúročili účastníci při dvou diskuzích s vědeckými pracovníky Fyzikálního ústavu. V interaktivním programu se návštěvníci mohli prakticky seznámit s chováním světla, různými druhy laserů a přístroji, které se využívají při směrování laserových paprsků. Nechyběla virtuální realita a také naživo unikátní laserové bludiště, ve kterém se mohli malí i velcí cítit jako v akčním filmu! Den superlaserů připravil Fyzikální ústav ve spolupráci s odborníky z pracovišť, která se podílí na výzkumném programu Strategie AV21 - Světlo ve službách společnosti: Ústav přístrojové techniky AV ČR, Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR a Ústav fyziky plazmatu AV ČR. Ambasadory Dne superlaserů byli dr. Tomáš Mocek z Centra HiLASE a dr. Bedřich Rus z ELI Beamlines.

Část experimentálního programu na Dni superlaserů. Foto: HiLASE a ELI Beamlines.

Laserové bludiště na Dni superlaserů. Foto: HiLASE a ELI Beamlines.

Ambasadorem Dne nanotechnologií ve čtvrtek 9.11. byl dr. Antonín Fejfar z Fyzikálního ústavu. Návštěvníci v přednáškách zjistili, co vlastně nanotechnologie jsou a jak je můžeme vytvářet a využívat - od použití v léčivech přes spintroniku a energetiku po textilie a mnohem dále. Zájemci mohli také na vlastní oči spatřit elektronový mikroskop a snímky z něj, či se dozvědět, kde všude se nanostruktury objevují nejenom v přírodě, ale i u nás doma. Svou práci a produkty předvedly také firmy TESCAN, Thermo Fischer Scientific a NenoVision, české špičky na světovém poli elektronové a atomární mikroskopie. V rámci výstavy Česká věda hýbe světem byli také představeni vědečtí pracovníci Fyzikálního ústavu, kteří v minulých letech obdrželi za svůj špičkový výzkum některé z prestižních českých i zahraničních ocenění. Závěrem dne byla diskuze se špičkovými odborníky na téma “Nanotechnologie - budoucnost kolem nás” o používání nanotechnologií a pozici České republiky jako “nanovelmoci” na světovém poli jejich výzkumu a vývoje.

Petr Svora předvádí elektronový mikroskop Phenom na Dni nanotechnologií. Foto: Míla Moudrá, FZÚ.

Jak vidíme neviditelné či jak se dotknout atomů, to se návštěvníci dozvěděli na Dni nanotechnologií. Foto: Pavlína Jáchimová, SSČ AV ČR.

Pexeso s tematikou mikro- a nanosvěta. Foto: Míla Moudrá, FZÚ.

Fyzikální ústav stojí také za expozicí Dům nanohrůzy, která byla umístěna v budově Akademie věd na Národní třídě po celý Týden vědy a techniky a zhlédlo ji přes 5000 návštěvníků. V Domě nanohrůzy, vytvořeném ve spolupráci se scénografem Ricardo Hoineffem, měli návštěvníci možnost spatřit krásy a hrůzy nano- a mikrosvěta na snímcích z elektronových mikroskopů. Zážitková expozice byla rozdělena do osmi částí věnujících se jednotlivým oblastem nanosvěta - od toho, jak můžeme vidět a hýbat jednotlivými atomy, přes krásu chemických zahrad po vnitřní život buňky. Od virů, bakterií a dalších organismů, s nimiž sdílíme svá těla, přes krásu pylových zrn až po impozantní živočišnou nanoříši. Nechyběla ani nanodíla vytvořená lidmi, která už dnes používáme běžně, aniž bychom o tom věděli, či na své využití teprve čekají (např. nanodrátky, netkané textilie, počítačové čipy, chirurgické tkaniny, aj.)

Vstup do Domu nanohrůzy v budově Akademie věd na Národní třídě. Foto: Míla Moudrá, FZÚ.

V Domě nanohrůzy čekaly známé i neznámé hrůzy ... nebo krásy? Foto: Míla Moudrá, FZÚ.

Pokud jste nestihli dorazit, přednášky ze všech tematických dnů si můžete prohlédnout z pohodlí domova na YouTube kanálu Týdne vědy a techniky. Další fotografie a informace najdete na Facebooku Fyzikálního ústavu: www.facebook.com/FZUAVCR

M. Moudrá
Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

Výpadek serveru Limba

13. Listopad 2017 - 16:48
server Limba bude 13.11. z důvodu urgentní udržby odstaven od 16:45 do cca 19:00 Po dobu výpadku nebudou k dispozici ani osobní stránky uživatelů. Za případné problémy se omlouváme. Petr Roupec
Kategorie: Novinky z AV a FZÚ