OTEVŘENÁ VĚDA. září

OTEVŘENÁ VĚDA září 2007

www.otevrena-veda.cz/ov

Milí studenti, vážení čtenáři, právě před rokem se uskutečnila první Studentská konference projektu Otevřená věda. Celkem 38 studentů na ní veřejnosti prezentovalo výsledky svého ročního bádání, své vědecké práce. A nutno říci, že s velikým úspěchem. Mnozí z nich prokázali takovou erudici, za niž by se nemusel stydět ani mladý vědecký pracovník. Konference jasně ukázala, že se našemu projektu daří, že své cíle úspěšně naplňuje a že podporuje mladé talenty. Na studenty čekal další rok práce v laboratořích a vědeckých týmech. Rok, který studentům zapojeným v projektu přinesl řadu úspěchů, a opět tak potvrdil životaschopnost a smysluplnost projektu. Nechceme na tomto místě jmenovitě vypisovat úspěšné a opomíjet práci ostatních. Rády bychom jen připomněly, že několik studentů zapojených do projektu dosáhlo opravdu skvělých úspěchů v konkurenci nejen domácí, ale i mezinárodní. Týdny a měsíce studentských stáží v uplynulém školním roce připravily půdu pro uspořádání II. Studentské konference. Vystoupí na ní 18 studentů, kteří se přihlásili opět zcela dobrovolně na základě vlastního zájmu. Čtyři z nich představí veřejnosti svou vědeckou práci dokonce již podruhé. II. Studentskou konferencí projekt Otevřená věda po více než dvou letech definitivně skončí. Pevně věříme, že naplnil své cíle beze zbytku a že pomohl desítkám studentů najít vlastní potenciál a posunout se o krok dopředu. Tato konference je toho ostatně důkazem. Všem studentům děkujeme za jejich zájem o projekt a přejeme hodně štěstí a úspěchů.

Dagmar Dvořáková, Andrea Nová, Anna Martinková realizační tým projektu Otevřená věda

Sborník Otevřená věda

II. Studentská konference Září 2007

Obsah Petr Benda:

7

Fytocenologická studie teplomilných trávníků na Zákolansku Lenka Corlannová:

11

Spektroskopie aktivních galaxií Matěj Kala:

17

Určení základních parametrů polovodičového detektoru záření gama Ivan Karpíšek:

23

Vazebné uspořádání v dvoujaderných karbonylech železa Štěpán Kohoutek:

27

Aeroelastické modely stavebních konstrukcí Pavel Košťál:

31

Udržení optimální trajektorie částic prášku v proudu termického plazmatu Martin Krupa:

35

Nové ferrocenové ligandy pro tvorbu vazeb C-C Alan Liška:

39

Elektrochemický výzkum intramolekulárních elektronických interakcí u aromatických nitroderivátů – autoprotonační reakce Karel Musil: Nový přístup k syntéze helikálně-chirálních aromátů

43

Kateřina Popelková:

47

Možnost léčby bolesti capsaicinem Anna Rinágelová:

51

Screening a on-line stanovení aktivity enzymů degradujících nitrily Michal Seifert:

55

Aerosoly ve vnitřním prostředí Ondřej Šveda:

59

Využití enzymů při hydrolýze heterocyklických nitrilů Adam Těhník:

63

Studium povrchů metodami mikroskopie rastrovací sondou Jan Vejmola:

67

Hodnocení otěruvzdornosti keramiky Jan Vlachý:

71

Jednoduchá měření odezvy slunečních článků na různé druhy světelných zdrojů Martin Zábranský:

77

Pikráty ferrocenových aminoalkoholů jako samouspořádané krystalické látky Lucie Zemanová: Vliv různých forem chronické hypoxie na tělesný růst, hematokrit a myokard laboratorního potkana

81

Petr Benda Gymnázium Plasy [email protected]

Fytocenologická studie teplomilných trávníků na Zákolansku Botanický ústav AV ČR, v. v. i. školitel: Mgr. Tomáš Černý

Úvod do problematiky Práce se zabývá fytocenologickou charakteristikou nelesní vegetace v oblasti mezi obcí Zákolany a obcí Okoř, které jsou od sebe vzdálené asi 7 km. Cílem je upozornit na tuto floristicky zajímavou oblast. Práce si také klade za úkol upozornit na botanicky cenné lokality a ohrožené taxony rostlin. K zápisu fytocenologických snímků je použita devítičlenná rozšířená BraunBlanquetova stupnice. U většiny snímků je brána plocha 4 x 4 m. Konečná práce by měla obsahovat nejméně 40 snímků. Kromě fytocenologických snímků je stručně prováděna i floristika oblasti (i lesních společenstev). Není ovšem prováděna systematicky (není cílem práce), a nečiní si proto nárok na úplnost. Jedná se o jakýsi nástin, který má sloužit k lepší představě o daném území. Co bude práce obsahovat V tomto odstavci bych rád stručně popsal, jak bude konečná

práce vypadat.

Samozřejmě největší podíl bude zaujímat část s fytocenologickými snímky, na nichž by měla

být dokázána poměrně velká druhová pestrost xerotermních strání. Většinu snímků jsem dělal společně se svým školitelem Tomášem Černým, ale postupně jsem některé snímky pořizoval sám. Naše společné snímky, ale i moje vlastní, jsou publikovány ve sborníku o Budči (viz níže). V posledních dvou letech provádí fytocenologické studie v daném území další lidé. Jmenujme především pana Jiřího Kolbeka, Ondřeje Bílka a Petra Petříka. Díky práci těchto lidí bylo v letech 2004−2006 zaznamenáno 14 identifikovatelných typů rostlinných společenstev nelesní vegetace. Také jejich podrobný popis bude součástí výsledné práce. Ta bude také obsahovat soupis nalezených rostlinných taxonů. Opět ale upozorňuji, že floristika není prováděna systematicky, a soupis tudíž nebude úplný. Přesto si myslím, že může posloužit jako srovnávací materiál pro jiné floristické práce z daného území. Značná část bude v práci vymezena přírodní památce Kovárské stráně. Zde je největší populace hlaváčku jarního (Adonis vernalis) v širokém okolí. Vyskytuje se zde ještě několik ohrožených taxonů rostlin. Ještě větší pozornost chci věnovat Kolečské stráni. Tato lokalita nemá žádný statut ochrany, přestože se jedná o velmi vzácné společenstvo rostlin, které bývá označováno jako bělozářkové vřesoviště. Toto společenstvo je hodnoceno stupněm ohrožení 2a (Moravec et al. 1995), tady jako společenstvo lidskou činností bezprostředně ohrožené a v nebezpečí vymizení, zároveň se vzácně vyskytující. Dominantu zde tvoří vřes obecný (Calluna vulgaris) a mezi subdominanty se řadí bělozářka větvitá (Anthericum liliagi) a ostřice nízká (Carex humilis). Toto společenstvo v jeho typické formě bylo známo z Křivoklátska

v NPR

Týřovické skály (Kolbek et al. 2001). Bylo však zničeno vysokým stavem mufloní zvěře. Dnes toto společenstvo můžeme najít v okolí Prahy, ale jedná se jen o neplně vyvinuté deriváty tohoto společenstva. Proto považuji Kolečskou stráň za nejcennější lokalitu ve vymezeném území. Dále bude práce obsahovat soupis vzácných rostlin z daného území. Velkou část chci věnovat diskusi, ve které bych rád co nejpodrobněji srovnal své výsledky s jinými pracemi, což je podle mého názoru u prací tohoto typu to nejdůležitější. Závěr Výsledky této práce byly již publikovány ve sborníku o Budči, vydaným občanským sdružením Budeč v roce 2006. Přínos práce vidím v její další publikovatelnosti. Práce podává charakteristiku nelesních společenstev, což je jejím cílem. Může také v budoucnu

posloužit jako srovnávací práce dalším botanikům a amatérům, studujícím tuto oblast. Práce může být kdykoli rozšířena o další fytocenologické snímky a jiné poznatky. Diskuse Jako srovnávací práci lze použít práci p. Blízikové (1992), která studovala nedalekou oblast podél Kopaninského potoka. Rozdílnost teplejší Slánské a chladnější Bělohorské tabule potvrzují tři taxony, které byly Blízikovou objeveny jen ojediněle, kdežto na Zákolansku jsou mnohem četnější. Jedná se o druhy: bolehlav plamatý (Conium maculatum), buřina srdečník (Leonorus cardiaca) a mateřídouška panonská (Thymus pannonicus). Ve vymezeném území zkoumal zdejší květenu také Antonín Roubal (1925-1993), který své poznatky sice nepublikoval, ale zanechal po sobě precizní a velmi systematicky vypracovaný herbář, který je nyní i s kartotékou majetkem Národního muzea v Praze. I jeho nálezy lze použít ke srovnání s touto prací. Například dva kriticky ohrožené taxony, rohatec růžkatý (Glaucium corniculatum) a hrachor chlupatý (Lathyrus hirsutu), které Roubal v území objevil, nebyly v území již řadu let zpozorovány. Také ve sborníku o Budči najdeme článek „ Přírodovědná vycházka do údolí Zákolanského potoka“ (P. Špryňar, Z. Munzbergová), který popisuje květenu daného území a může tak posloužit k porovnání výsledků. V tomto článku najdeme také floristickou studii o dvou nedalekých přírodních památkách - Minické skále a Otvovické skále. Je zajímavé porovnat absenci některých druhů, které se vyskytují v oblasti vymezené pro tuto práci. Jak uvádím již v závěru, pokud jednou tato práce někomu poslouží jako srovnávací materiál, bude její cíl splněn. LITERATURA „ [1] Budeč 1100 let II. Příroda-krajina-člověk, Občanské sdružení Budeč, 2006 „ [2] Moravec, J. a kolektiv: Fytocenologie, ACADEMIA, 1994 „ [3] Klíč ke květeně České Republiky, ACADEMIA, Praha 2002

Lenka Corlannová Gymnázium Voděradská [email protected]

Spektroskopie aktivních galaxií Astronomický ústav AV ČR, v. v. i. školitelé: Mgr. Ivana Stoklasová, RNDr. Bruno Jungwiert, Ph.D.

Úvod – Aktivní galaktická jádra, Seyfertovy galaxie Zabýváme se interpretací dat získaných pozorováním centrálních

oblastí

galaxií

s aktivními jádry (AGN – active galactic nuclei). Podle obecně přijímaného modelu (obr.1) aktivitu způsobuje supermasivní černá díra (106-109 hmotnosti Slunce), kolem které se vytvoří tzv. akreční disk (akrece = hromadění hmoty). Částice v disku obíhají kolem černé díry, září a po ztrátě energie padají do černé díry. Dalšími výraznými strukturami jsou vysoce energetické výtrysky plazmatu kolmo na disk a dále neprůhledný plyno-prachový torus (prstenec). V mezi-

Obr. 1: Model AGN (C.M.Urry &

prostoru se nachází řídký plyn ionizovaný

P.Padovani: Unified Schemes for

zářením z centra, který pak sám vyzařuje ve

Radio-Loud Active Galactic Nuclei;

spektrálních čarách, a díky tomu ho můžeme

Publications of the Astronomical Society

pozorovat. Podle tvaru spektrálních čar dělíme

of the Pacific v.107, p.803;1995)

oblasti na BLR (broad line region; oblast širokých emisních čar) a NLR (narrow line region; oblast úzkých emisních čar). Záření z akrečního disku a z BLR lze detekovat přímo jen tehdy, je-li objekt natočen osou toru přibližně směrem k pozorovateli. Tento případ označujeme jako AGN typu 1. Naopak při pozorování mimo osu je záření z centrálních oblastí torem pohlceno a vidíme jen NLR. Jedná se pak o AGN typu 2. Příkladem vzdálených AGN jsou kvazary, příkladem blízkých pak Seyfertovy galaxie, kterým se věnujeme a zkoumáme vlastnosti plynu v jejich NLR.

Zpracování dat K dispozici máme data pořízená dalekohledem CFHT se spektrografem OASIS na Havajských ostrovech (Mauna Kea Observatory) metodou tzv. 3D spektroskopie v optickém oboru. Tato metoda se rozvíjí teprve v posledních několika letech a umožňuje získat stovky až tisíce spekter najednou z různých oblastí pozorovaného objektu. Záření z galaxie je zachyceno dalekohledem a poté prochází soustavou tisíce čoček o průměrech ~1mm, které obraz rozdělí na 1000 částí. Ty dále vstupují do disperzního elementu, kde jsou rozloženy na jednotlivá spektra. Obr. 2: NGC5728: Spektrum z centrální čočky a jeho model (červená přerušovaná čára)

Z tvaru a polohy spektrálních čar lze určit vlastnosti prostředí, kde čáry vznikly. Z napozorovaných spekter je nutné nejprve odstranit všechny přístrojové efekty, vliv zemské atmosféry a záření hvězd v pozorované galaxii. Získané emisní čáry plynu je pak

třeba co nejlépe matematicky popsat, aby bylo možné vypočítat velikosti požadovaných fyzikálních veličin. Volíme k tomu Gaussovu funkci pro intenzitu v závislosti na vlnové délce λ: I = I0 exp ( (λ- λ0)2/ β2 ). Pomocí počítačového programu metodou nejmenších čtverců určíme parametry λ0, I0 a β (tj. centrální vlnovou délku, maximální intenzitu a šířku), které nejlépe vystihují danou čáru. Obr. 3: Mrk79: Spektrum z centrální čočky a jeho model (červená přerušovaná čára)

Pozorování byla provedena v rozsahu vlnových délek: (4800–5500) Å; kde 1 Å [Angström] = 10-10 m. Nejvýraznějšími emisními čarami zde jsou Hβ (modrozelená čára o vlnové délce 4861 Å z Balmerovy série; jedna z nejvíce sledovaných čar v astronomii) a [OIII] (čáry dvakrát ionizovaného kyslíku o vlnových délkách 4959 a 5007 Å). V hranatých závorkách jsou tzv. čáry zakázané, které v přirozených podmínkách na Zemi vzniknout nemohou. Vytvoří se pouze při velmi nízké hustotě ( ~100 částic/cm3).

Výsledky – Emise v centrech galaxií NGC5728 a Mrk79 Srovnáváme rozložení intenzity emise z plynu v centru Seyfertových galaxií typu 1 (Mrk79) a typu 2 (NGC5728). NGC5728 má kosmologický rudý posuv z = 0,009, což odpovídá rychlosti vzdalování 2800 km/s a vzdálenosti 40 Mpc. Rudý posuv Mrk79 je 0,02, rychlost vzdalování 6000 km/s a vzdálenost 90 Mpc. Obr. 2 a obr. 3 ukazují rozdílný tvar spekter v obou galaxiích. Zatímco všechny čáry v Seyfert 2 jsou úzké, Hβ v Seyfert 1 je složena ze dvou komponent – úzké pocházející z NLR a široké z BLR. Obr. 4 představuje

rozložení intenzity emise Hβ v Mrk79 získané ze široké složky a obr. 5 z úzké složky čáry. Prostorovými jednotkami jsou zde úhlové vteřiny, které se na skutečné délkové jednotky přepočítají pomocí vzdálenosti objektu. Barevná škála znázorňuje intenzitu emise. Vidíme, že zatímco BLR rozložení je kruhově symetrické a kompaktní (<1 kpc), NLR je rozsáhlejší (2,5 kpc), což je v souladu s teoretickým modelem na obr. 1 (i na teoretickém obrázku je BLR menší, omezená torem). V NGC5728, která je Seyfert 2, pak v porovnání s Mrk79 získáváme NLR celkově větší (>3 kpc), zejména podél jedné osy (obr. 6), což opět odpovídá obr. 1 při pohledu z boku.

Obr.4: Mrk79: Intenzita emise plynu v široké komponentě Hβ (z BLR) Obr.5: Mrk79: Intenzita emise plynu v úzké komponentě Hβ (z NLR) Pro NGC5728 přidáváme i mapu rychlostí plynu v NLR (Obr. 7), které jsme získali z naměřených posuvů vlnových délek ∆λ vůči klidové vlnové délce λ. V každém spektru jsme určili rychlost zdroje v z Dopplerova vzorce ∆λ/λ = v/c. Vidíme, že kromě kosmologického vzdalování má plyn svůj vlastní pohyb o rychlostech stovek km/s. Ve zvolené barevné škále červená barva značí pohyb směrem od nás rychlostí větší než je rychlost kosmologického vzdalování galaxie; modrá barva pak znamená opak, tj. pohyb směrem k nám v rámci galaxie. Pravděpodobně tedy plyn v NLR rotuje a nebo proudí ve formě výtrysků, jednoho směrem k nám, druhého od nás.

Obr.6: NGC5728: Intenzita emise plynu v čáře Hβ Obr.7: NGC5728: Rychlost plynu podél zorného paprsku v čáře [O III] λ5007

Matěj Kala Masarykova střední škola chemická [email protected]

Určení základních parametrů polovodičového detektoru záření gama Ústav jaderné fyziky AV ČR, v. v. i. školitel: Ing. Marek Fikrle

Abstrakt Byla provedena měření účinnostních kalibračních křivek HPGe detektoru a dále pak měření symetrie tohoto detektoru. Úvod Stanovení aktivity měřeného radioaktivního vzorku je pro některé aplikace, např. radiochemii, nukleární medicínu a mnoho dalších oblastí, stěžejní otázkou. K tomuto účelu je nutné mít správně nastavenou měřící aparaturu. Správným nastavením se myslí znát parametry soustavy pro všechna používaná experimentální uspořádání. Jedním z mnoha důležitých parametrů při stanovování aktivity je znalost takzvané kalibrační křivky účinnosti (efektivity) detektoru. Jde o závislost účinnosti detekce fotonů na jejich energii. Účinností se rozumí poměr počtu fotonů, jejichž veškerá energie byla detektorem zaznamenána, ku počtu všech fotonů vyzářených zdrojem do všech směrů.

V našem případě se měřila účinnost polovodičového detektoru HPGe (vysoce čisté germanium) o relativní účinnosti 22 % a citlivém objemu 20,8 cm2. Tento detektor je používán pro spektromerii gama, tedy pro měření energie záření gama. Záření gama je elektromagnetické záření o energii nad 10 keV (frekvence nad 3 EHz (1018 Hz); λ <= 100 pm). Toto záření nemá žádný elektrický náboj, a je tedy označováno jako nepřímo ionizující [1]. Experimentální část Úkolem bylo udělat účinnostní kalibraci detektoru pro geometrie (vzdálenosti od vstupního okénka detektoru) 23, 33, 53, 70, 93, 173 a 200 mm. Dále pak bylo žádoucí zjistit, zda je detektor „osově souměrný“, což bylo zkoumáno v geometriích 23 a 53 mm. Z důvodu velké vytíženosti detekční aparatury pro měření reálných vzorků se podařilo zkonstruovat křivku pouze pro geometrii 23 mm. A dále pak provést měření symetrie detektoru. Účinnostní kalibrační křivka pro geometrii 23 mm (viz obr. 1) byla zkonstruována na základě měření 11 různých radioizotopů (viz tabulka na obr. 1). 109

Cd

22

Na

65

Zn

88

Y

203

Hg

57

Co

60

Co

152

Eu

241

Am

137

Cs

133

Ba

Obr. 1: Účinnostní křivka pro geometrii 23 mm, v tabulce jsou uvedeny použité kalibrační zářiče.

„ Účinnost byla počítána podle vztahu:

η=

CPS A ⋅ Iγ

(1)

,

kde CPS je plocha za vteřinu, A je aktivita k datu měření a Iχ je pravděpodobnost přechodu pro danou energii. Chyba stanovení účinnosti pak podle vztahu: 2

2

2

⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎛ 1 ⎞ ⎟ ⋅ δ P 2 + ⎜ − CPS ⎟ ⋅ δ A 2 + ⎜ − CPS ⎟ ⋅ δ I γ2 , δ η 2 = ⎜⎜ ⎜ A⋅ I 2 ⎟ ⎜ A2 ⋅ I ⎟ ⋅ I γ ⎟⎠ γ ⎠ γ ⎠ ⎝1A4 ⎝ 42443 144 42444 3 ⎝1442 443 1

2

3

(2) kde člen 1 je chyba stanovení plochy píku, člen 2 je chyba stanovení aktivity a člen 3 je chyba stanovení pravděpodobnosti přechodu. „ Symetrie detektoru pak byla měřena pouze se zářiči (60Co a

152

Eu). Výsledky jsou

uvedeny v grafech na obr. 2. Obr. 2: První jsou grafy pro 152Eu, 2a pro geometrii 53 mm a 2b pro 23 mm. Další dva grafy geometrie pro 60Co . 2c pro energie 1173 keV a 2d pro energii 1332 keV.

2a

2b

2c

2d

Závěr Byla stanovena kalibrační křivka polovodičového detektoru. Při měření symetrie bylo zjištěno, že použitý detektor není symetrický a bude nutné provést podrobnější měření k popsání tohoto stavu. LITERATURA „ [1] Majer, V. a kol.: Základy jaderné chemie. SNTL, Praha 1981.

Ivan Karpíšek Masarykova střední škola chemická [email protected]

Vazebné uspořádání v dvoujaderných karbonylech železa Ústav chemických procesů AV ČR, v. v. i. školitel: prof. RNDr. Robert Ponec, DrSc.

Chemie kovových karbonylů představuje významnou, dynamicky se rozvíjející oblast organokovové chemie tranzitních prvků. Vedle rychlého pokroku v syntéze nových kovových karbonylů je pozornost v současné době věnována objasnění struktury těchto molekul. To zahrnuje nejen experimentální studium spolehlivých geometrických parametrů uvedených molekul, ale především budování teoretických modelů dovolujících popsat a pochopit povahu vazebných interakcí v každém jednotlivém případě. V současné době je potvrzena existence celé řady dvoujaderných karbonylů železa. Jedná se především o Fe2(CO)9, vznikající při fotochemickém rozkladu Fe(CO)5 v organických rozpouštědlech, ale dostatečnou stabilitu vykazuje i dianion [Fe2(CO)8](2-) a za nízkých teplot byla prokázána i existence neutrálního karbonylu Fe2(CO)8. Z uvedené řady karbonylů jsou spolehlivá experimentální data o struktuře dostupná pouze pro Fe2(CO)9, kde byla metodou RTGdifrakce prokázána existence do té doby neznámého strukturního rysu, kterým je existence můstkových ligandů (obr. 1). Tato okolnost vyvolala řadu otázek týkajících se povahy vazebných interakcí v této molekule. Nejjednodušší modely vazebného uspořádání v kovových karbonylech jsou založeny na porovnání vzdálenosti mezi atomy příslušného kovu a tzv. 18-elektronovém pravidlu. Na základě tohoto pravidla je v řadě vícejaderných

komplexů železa, včetně Fe2(CO)9, často předpokládána existence přímé vazby Fe-Fe. Tato předpověď však byla posléze zpochybněna v následných teoretických studiích, a povaha vazebných interakcí ve vícejaderných karbonylech železa tak zůstává do značné míry nejistá. Cílem našeho projektu bylo pokusit se o objasnění vazebného uspořádání v molekule Fe2(CO)9 pomocí originální metody známé jako analýza doménově průměrovaných Fermiho děr. Tato metoda se v řadě předchozích studií ukázala jako mimořádně účinný nástroj pro analýzu struktury především molekul se složitým vazebným uspořádáním, a bylo proto zajímavé použít ji i pro objasnění existujících nejasností v případě uvedeného karbonylu železa. Příslušnou analýzu samostatně prováděl, po seznámení s potřebným softwarem, student I. Karpíšek. Výsledky studia jednoznačně vyvrací existenci přímé vazby Fe-Fe a novým poznatkem je i zjištění, že můstkové ligandy jsou k terminálním fragmentům připojeny vazbami s částečně multicentrickým charakterem, jak jej vyjadřuje resonanční schema a obr. 2. OC OC

OC

CO

CO Fe

OC

CO

Fe

CO

CO Fe

Fe

CO

CO

CO OC

OC

CO

CO

OC OC

CO

CO

CO Fe

Fe

CO

CO OC CO

CO

Obr. 1: Struktura Fe2(CO)9 Obr. 2: Vlastní vektory Fermiho díry průměrované přes fragment Fe(CO)3Fe

CO

2x

1x

2x

Štěpán Kohoutek Gymnázium Arabská [email protected]

Aeroelastické modely stavebních konstrukcí Ústav teoretické a aplikované mechaniky AV ČR, v. v. i. školitel: Ing. Stanislav Hračov

Úvod a cíle Modelové zkoušky prováděné v aerodynamických tunelech jsou již dnes nedílnou součástí návrhu stavebních konstrukcí, u nichž lze předpokládat významné dynamické zatížení větrem. Jedná se převážně o konstrukce s převažujícím vertikálním rozměrem (vysoké budovy, TV věže, stožáry atd.), ale do této kategorie spadají i mosty a lávky pro pěší, u kterých lze očekávat možnou nežádoucí odezvu, vzniklou např. určitým typem aeroelastické nestability. Modelování konstrukcí a jejich zkoušky nám pomáhají stanovit veličiny, jejichž měření by bylo ve skutečnosti obtížné či nemožné. Dovolují nám určit teoreticky těžko popsatelné jevy a umožňují jejich libovolné opakování. Cíle projektu, z nichž výsledky některých (body 1−3) jsou prezentovány v tomto článku, by se daly shrnout do následujících bodů : „ 1) Obecné stanovení modelových zákonů, resp. měřítek podobnosti „

2) Samostatná ruční výroba aeroelastického modelu třetího druhu z běžně

dostupných materiálů při snaze o co možná nejpřesnější splnění modelových zákonů „ 3) Provedení modální analýzy z volného a vynuceného kmitání modelu a určení základních modálních charakteristik, tj. vlastních frekvencí, vlastních tvarů a útlumu „ 4) Experimentální zkouška modelu v aerodynamickém tunelu

Modelové zákony Stanovení modelových zákonů je založeno na teorii podobnosti. Dva děje jsou si podobné, když poměr sobě si odpovídajících fyzikálních veličin obou jevů je konstantní. Zákony se odvozují pomocí dimenzionální matice, v níž jsou zastoupeny fyzikální veličiny, které jsou pro daný jev nezbytné a které nelze zanedbat. V našem případě byla zvolena modifikovaná matice z [1] pro modelovaní jevů aerodynamické nestability. Z této matice získáme deset modelových zákonů, mezi nimiž najdeme i zákon Froudeho (v našem případě musí být splněn apriori), Reynoldsův či Strouhalův. K uvedeným bezrozměrným veličinám je nutno přidat i poměrný útlum a veličiny související s turbulencí proudícího vzduchu. V tab. 1 je společně souhrn nejdůležitějších spočtených (ideálních) měřítek, na jejichž základě byl model vytvořen, v kombinaci s reálnými (dosaženými) měřítky platnými pro nosníky mostovky: veličina

označení

ideální měřítko

reálné měřítko

délka

Kl

0,0083

0,0083

rychlost

Kv

0,091

-

frekvence

Kf

10,95

-

hmotnost

Km

6,944 e-5

7,32 e-5

ohybová tuhost

KEJ

4,02e-11

3,597e-10

tahová tuhost

KEA

5,79e-7

5,635e-6

tuhost v kroucení

KGJt

4,02e-11

1,39e-13

Tab. 1: Měřítka podobnosti Aeroelastický model Jako podklad pro výrobu modelu posloužil dynamický výpočet lávky pro pěší (ÚTAM AV ČR 2002). Při stavbě byla provedena řada dodatečných měření, jež ověřovala fyzikální vlastnosti použitých materiálů (objemovou hmotnost, modul pružnosti). S ohledem na modelové zákony bylo zváženo několik materiálových variant (dřevo, hliník) a jako nejvhodnější i z hlediska výroby svépomocí byla zvolena kombinace plastů (PVC, PE). Pro táhla se ukázal jako nejvhodnější kevlar. Pomocí soustavy variabilních závaží a kladek

instalovaných na pomocných konstrukcích je možno vnášet do táhel předpínací sílu a ovlivnit tak modální vlastnosti i odezvu modelu. Fotografie modelu je znázorněna na obr. 1.

Obr. 1: Aeroelastický model Modální analýza Modální analýza slouží

ke stanovení vlastních frekvencí a tvarů aeroelastického

modelu. Vlastní frekvence lze získat experimentálně z volného kmitání soustavy a z rozkladu jeho odezvy do frekvenční oblasti. Další možností je analýza odezvy vynuceného kmitání. Konstrukce se rozkmitává budičem a při změně jeho frekvence se sleduje trend (nárůst či pokles) odezvy. Na modelu byly provedeny pro kontrolu oba uvedené postupy s téměř identickými výsledky. Jeden z výsledků modální analýzy (1. vertikální vl. tvar) je zobrazen na obr. 2.

Obr. 2: První vertikální vlastní tvar mostovky modelu červená křivka označuje teoreticky stanovený vl.tvar skutečné konstrukce modrá křivka označuje vl. tvar získaný analýzou vynuceného kmitání aeroel. modelu

Závěr a komentář výsledků Na základě odvozených modelových zákonů a jejich ideálních hodnot byl vytvořen aeroelastický model lávky. Byla na něm provedena experimentální dynamická měření za účelem zjištění modálních vlastností. I přes snahu dodržet co nejpřesněji uvedené zákony a fakt, že vždy mezi nimi musíme provést určitý kompromis, se některé nepodařilo uspokojivě splnit (např. frekvenční měřítko předepsáno Kf =11, dosaženo Kf =21). Je proto nutno provést dodatečné úpravy modelu, vedoucí k jeho zpřesnění vůči ideálnímu stavu. Po úpravách bude model možno umístit a testovat v aerodynamickém tunelu. LITERATURA „ [1] Koloušek, V., Pirner, M., Fischer, O., Náprstek, J.: Wind Effects on Civil Engineering Structures. Academia - Elsevier, Praha, 1983.

Pavel Košťál Gymnázium Voděradská [email protected]

Udržení optimální trajektorie částic prášku v proudu termického plazmatu Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v. v. i. školitel: Mgr. Oleksiy Chumak

Úvod Životnost silně namáhaných součástek v průmyslové výrobě i v běžném životě se často prodlužuje nanesením odolných vrstev. Například mimořádná odolnost proti otěru keramických materiálu se spojuje s pružností a obrobitelností kovů. Plazmatické stříkání je technologie vytváření povrchových vrstev na materiálech, například na součástkách komplikovaného tvaru. Takové povlaky mají různé specifické vlastnosti, například lepší odolnost proti vysoké teplotě, tepelným rázům, otěru nebo různým chemikáliím. Ochranná vrstva se nanáší pomocí proudu termického plazmatu, což je plyn ohřátý na tak vysokou teplotu (5000 − 30000 K), že se neutrální atomy rozpadají na elektrony a ionty. Částice prášku se podávají do jádra plazmatu (viz obr. 1). Proud plazmatu částice urychluje a ohřívá, a částice jako roztavené kapičky dopadají na povrch součástky. Na povrchu částice ztuhnou a tak postupně vytváří ochranou vrstvu.

Motivace a cíl práce Kvalita nanášené vrstvy závisí na rychlosti a teplotě dopadajících částic, přičemž tyto parametry jsou závislé na dráze částic v proudu plazmatu. Důležité je, aby se částice dostaly do jádra plazmatu a udržely se v něm co nejdéle. Kromě optimálního nastavení podávání se musí počítat s nestabilitami a turbulencemi proudění plazmatu. Udržení optimální trajektorie částic je obtížný, ale pro aplikace důležitý úkol. Pozorování trajektorie částic je zkomplikované intenzivním zářením plazmatu. Pro zviditelnění částic se používají lasery nebo zdroje intenzivního světla. Cílem této práce byla příprava experimentu pro pozorování částic prášku v proudu termického plazmatu. Experimentální uspořádání Pro generaci termického plazmatu v laboratoři ÚFP AV ČR v. v. i.,

se používá

plazmatron WSP®H-2000. Plazma je tvořeno ze směsi argonu a vody, která se rozloží na vodík a kyslík. Příkon plazmatronu a průtok argonu určují vlastnosti proudu plazmatu. Jako způsob zviditelnění byla zvolena stínová metoda s výkonnou zábleskovou lampou umístěnou naproti rychlostní kameře (obr. 1). Lampa vytvoří za proudem plazmatu pozadí s intenzitou světla větší než záření plazmatu. Každá částice zastíní část pozadí a vytvoří tmavý bod na výsledné fotografii. Z těchto fotografií se dá vyhodnotit prostorové rozložení částic a jejich rychlostí. Pro tuto práci byl připraven zdroj světla – záblesková lampa Vizatek. Byl změřen časový vývoj intenzity jejího záblesku při různých výkonech (obr. 2) a prostorové rozložení světla. V rámci přípravy byly proměřeny parametry rychlostní kamery a vady objektivu. V programovém prostředí Matlab byl připraven program pro korekce vad. Kamera a záblesková lampa byly vzájemně přizpůsobeny a synchronizovány. Pokusné měření Pro ověření metody jsme pozorovali částice uhasené vzduchem z trysky podávací trubičky bez přítomnosti plazmatu. Stejný způsob se používá pro podávání částic do plazmatu. Na obr. 3 je typická fotografie, na které je vidět, že částice se po výstupu z podavače rozptýlí do kuželu s úhlem 38°.

Podavač prašku Záblesková lampa Částice Povrch s nanesenou vrstvou

Proud plazmatu

Digitalní kamera

Obr. 1: Experimentální uspořádání pro vizualizaci částic v proudu termického plazmatu

0.25

intenzita

0.2

0.15

0.1

0.05

0

0

0.5

1

1.5

2

2.5 cas [ms]

3

3.5

4

4.5

5 x 10

-3

Obr. 2: Vývoj jasu blesku od okamžiku jeho spuštění synchronizačním pulzem pro různé energie záblesku: 3200, 160, 400, 200 Joule

Obr. 3: Stínová fotografie prostorového rozdělení částic prášku po výstupu z podávací trysky

Martin Krupa Gymnázium Josefská [email protected]

Nové ferrocenové ligandy pro tvorbu vazeb C–C Přírodovědecká fakulta UK v Praze, Katedra anorganické chemie školitel: doc. RNDr. Petr Štěpnička, Ph.D.

Suzukiho reakce je organická reakce nenasycených boronových kyselin s aryl- nebo vinylhalogenidy vedoucí ke vzniku nové vazby C–C.1 Tato reakce je katalyzována sloučeninami palladia v bazickém prostředí. Použitelných sloučenin palladia je nepřeberné množství (a lze také použít i jemně rozptýlený kov), ale obvykle se jako katalyzátor používají palladnaté komplexy s fosfinovými ligandy. Tyto koordinační sloučeniny se do reakce mohou dodávat buď v definované formě, nebo je lze připravit přímo v reakční směsi (tzv. in situ). Cílem této práce bylo vytvořit nový difosfinový ligand a z něho dále palladnatý komplex, který by se dal použít jako katalyzátor v Suzukiho reakci. Příprava ligandu 1 je naznačena v obr. 1. Amido-difosfin 1 byl získán reakcí 1′-(difenylfosfino) ferrocenkarboxylové kyseliny (Hdpf)2 s [2-(difenylfosfino)fenyl]methyl-aminem v přítomnosti N-ethyl-N′-[3-(dimethylamino)propyl]karbodiimidu (EDC) a 1-hydroxybenzotriazolu (HOBt). Potřebný amin byl získán ve dvou krocích z komerčně dostupného 2brombenzonitrilu.3 Amido-difosfin 1 byl izolován sloupcovou chromatografií a dále čištěn krystalizací. Následně byl charakterizován NMR, IR spektroskopií a elementární analýzou. Koordinační vlastnosti difosfinu 1 byly studovány prostřednictvím reakcí tohoto ligandu s cyklooktadien (cod) - palladnatými komplexy [PdCl2(cod)] a [PdCl(CH3)(cod)] (viz obr. 2).

V obou případech vznikly komplexy, ve kterých je cod nahrazen sloučeninou 1 koordinovanou oběma svými fosfinovými skupinami, tj. látky [PdCl2(1)] (2) a [PdCl(CH3)(1)] (3). Vzniklé komplexy byly rovněž charakterizovány spektrálními metodami (NMR a IR spektroskopií) a jejich identita a čistota byla potvrzena elementární analýzou. Navíc byla stanovena krystalová struktura komplexu 2 pomocí difrakce rentgenového záření (obr. 3). Struktura potvrzuje poměrně neobvyklé strukturní uspořádání, ve kterém ligand zaujímá protilehlé vrcholy čtverce koordinační sféry (tedy váže se jako trans-chelatující ligand). PPh2 PPh2

PPh2

NH2

Fe

Fe EDC/HOBt

O

CO 2H

C HN 1

Hdpf

PPh2

Obr. 1: Příprava ligandu 1 Pro katalytické testy byla zvolena Suzukiho reakce fenylboronové kyseliny s vybranými aromatickými halogenderiváty (obr. 4). Jako katalyzátory byly použity definované komplexy 2 a 3, jako báze byl použit uhličitan draselný. Reakce byly prováděny v 1,4-dioxanu při konstantní teplotě 90 °C v inertním prostředí argonu po dobu 18 hodin. Vzniklé bifenyly byly z reakční směsi izolovány chromatografií a jejich čistota byla ověřena NMR. Výsledky katalytických studií budou prezentovány. Ph

Ph P

[PdCl(X)(cod)]

1 cod

Fe Cl

O C HN 2 (X = Cl) 3 (X = Me)

Obr. 2: Příprava komplexů 2 a 3

X

Pd

Ph P

Ph

Obr. 3: Krystalová struktura komplexu 2

B(OH)2 + Br

Y

[Pd] baze

Y

Obr. 4: Schéma katalytické reakce (Y = CH3, OCH3, NO2 a C(O)CH3) REFERENCE „ [1.] (a) Miyaura, N., Suzuki, A.: Chem. Rev. 1995, 95, 2457-2483. (b) Suzuki, A.: J. Organomet. Chem. 1999, 576, 147-168. „ [2.] (a) Podlaha, J., Štěpnička, P., Císařová, I., Ludvík, J.:Organometallics 1996, 15, 543-550. (b) Štěpnička, P.:Eur. J. Inorg. Chem. 2005, 3787-3808. „ [3.] (a) Storhoff, B., N., Harper, D., P., Saval, I., H., Worstell, J., H.: J. Organomet.

Chem. 1981, 205,161-166. (b) Cahill, J. P., Bohnen, F., M., Goddard, R., Krüger, C., Guiry, P., J.: Tetrahedron: Asymmetry 1998, 9, 3831-3839.

Alan Liška Gymnázium Jaroslava Heyrovského [email protected]

Elektrochemický výzkum intramolekulárních elektronických interakcí u aromatických nitroderivátů autoprotonační a další reakce Ústav fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR, v. v. i. školitel: doc. RNDr. Jiří Ludvík, CSc.

Úvod Tento výzkum představuje pokračování v elektrochemickém studiu nitrovaných benzenových derivátů, které jsou v podstatě monomérní modelové látky pro plánované elektrochemické studium kalixarenů. K dispozici byla rozšířená série substituovaných benzenů nitrovaných v para- poloze (látky 1-12). Kromě sledování mechanizmu redukce samotné nitroskupiny byl vyhodnocován i vliv substituentu na její redukovatelnost.

V minulém roce bylo zjištěno, že některé nitrolátky se neredukují podle obecných pravidel uváděných v literatuře, případně v učebnicích (katodická čtyř- až šestielektronová redukce nitroskupiny ve vodných pufrech v závislosti na pH je dobře známa již řadu let, stejně jako klasický mechanismus redukce v nevodném prostředí, kdy první reverzibilní, jednoelektronový krok je následován tříelektronovým dějem, jehož produktem je příslušný hydroxylamin [1]), ale vykazují „anomální chování“, kterému se literatura nevěnuje vůbec nebo pouze minimálně. Bez této znalosti není možné začít elektrochemické studium kalixarenů, které mají v para-poloze vůči nitroskupině hydroxyl nebo jeho deriváty. Právě např. p-nitrofenol vykazuje chování zcela odlišné od publikovaných obecných mechanizmů. Úkolem tohoto roku tedy bylo detailně proměřit elektroredukci nitrolátek z rozšířené série, pokusit se pozorované tři typy anomálií vysvětlit a navrhnout příslušný reakční mechanismus. X

NO2

X = NH2, OCH3, CH3, OH, F, H, CHO, NO2, CN, COOH, COCl, CH2Cl

Experimentální část Elektrochemické redukce probíhaly metodou dc- polarografie a cyklické voltametrie v tříelektrodovém zapojení v přísně bezvodém dimethylformamidu (DMF), který - díky své bazické povaze - na sebe váže případné zbylé protony a tím stabilizuje radikálové anionty. Koncentrace látek cca 1 x 10-3 mol.l-1, základní elektrolyt: 0,1 M TBATFB (tetrafluoroboritan tetrabutylamonia), pomocná elektroda - platinový plíšek, referentní elektroda SCE. Kyslík byl z roztoku odstraněn proudem argonu. Výsledky a diskuse Obecně přijímaný mechanismus redukce nitrolátek v bezvodém prostředí platí pouze pro samostatně se vyskytující nitroskupinu nebo pro kombinaci nitroskupiny s takovými substituenty, které jsou relativně chemicky inertní a s nitroskupinou elektronově neinteragují. V molekulách, kde je více redox center nebo kde jsou v rámci aromatického, tedy elektronově delokalizovaného systému ve vhodných polohách vůči nitroskupině další substituenty, velmi záleží na jejich vzájemné elektronické interakci. Ta může vést jednak

k posunu redukčního potenciálu díky induktivním, resp. mezomerním vlivům příslušného substituentu (klasická Hammettovská závislost), jednak ale může vzniknout zcela nový molekulární delokalizovaný systém, který už nemá vlastnosti typické pro původní substituenty. U všech studovaných látek bylo nejdříve koncentračními závislostmi ověřeno, že se jedná o děje řízené látkovým transportem, v tomto případě difuzí. Potenciály redukce jednotlivých látek byly pak vynášeny do grafu proti konstantě σp , která je tabelována [2] a vyjadřuje vliv substituentu v para-poloze na redukční centrum, tedy na redukční potenciál nitroskupiny. Kromě přímkové závislosti byly pozorovány čtyři typy anomálií: „ a) pro R = CHO a NO2 : první vlna (E1) i druhá (E2) vlna jsou jednoelektronové, reverzibilní. To svědčí o vzniku dianiontu – silná π-stabilizace molekuly + e-

O2N-Ph-NO2 .-

[O2N-Ph-NO2]

+ e

[O2N-Ph-NO2].-

'

-

'

2-

[O2N-Ph-NO2]

E1 E2

„ b) pro R = COOH a CH2Cl : první vlna (E1) ireverzibilní, druhá (E2) reverzibilní, jejich proud odpovídá vždy 0,8 el/molekulu. Třetí vlna (E3) je pak ireverzibilní, dvouelektronová. Jde tady o autoprotonační reakci (E1), zatímco při negativnějším potenciálu E2 dochází k redukci primárně vzniklého aniontu. Podobně se chová též -CH2Cl a vystupuje zde jako C-kyselina. 5 HOOC-Ph-NO2 + 4 e- → -OOC-Ph-NHOH + 4 -OOC-Ph-NO2 + H2O

E1

OOC-Ph-NO2 + e -

E2

-

'

-

-

OOC-Ph-NO2 .-

OOC-Ph-NO2 .- + 3 e - + 4 H +

→

-

OOC-Ph-NHOH + H2O

E3

„ c) Pro R = COCl : první vlna (E0) je ireverzibilní, při ní dochází k reduktivní hydrolýze za vzniku HCl a kyseliny p-nitrobenzoové, která se pak následně redukuje autoprotonačně – viz anomálie b) „ d) pro R = OH : první (E1) i druhá (E2) vlna jsou reverzibilní; ale oba děje jsou posunuty k negativnějším potenciálům, přičemž výška každé z obou vln odpovídá ½ elektronu! Toto velmi nezvyklé chování bylo mnoha opakovanými experimenty

potvrzeno a lze je vysvětlit předřazenou dimerací p-nitrofenolu, který tak získá chinoidní strukturu. Tato nová molekula se pak redukuje postupně dvěma elektrony na příslušný analog hydrochinonu, přičemž formálně skutečně vychází poměr půl elektronu na jednu původní molekulu nitrofenolu. O

+ O H-O + N N O-H O

O

Z uvedených výsledků je zřejmé, že elektrochemie spolu s využitím korelačních vztahů je vhodným nástrojem ke studiu a k formulování redox reakčních mechanismů, zejména k odhalení jejich zvláštních případů. PODĚKOVÁNÍ Tato práce vznikla v rámci projektu AV ČR Otevřená věda, kdy se student střední školy může účastnit výzkumu na vybraných pracovištích AV ČR nebo pracovištích partnerů projektu. LITERATURA „ [1] Lund, H. and Baizer, M.: Organic Electrochemistry, Marcel Dekker, New York 1991. „ [2] Zuman, P.: Substituent Effects in Organic Poarography, Plenum Press, New York 1967.

Karel Musil Masarykova střední škola chemická [email protected]

Nový přístup k syntéze helikálně chirálních aromátů Ústav organické chemie a biochemie AV ČR, v. v. i. školitel: Mgr. Jiří Míšek

Chiralita, její příčiny a důsledky jsou v posledních desetiletích předmětem vzrůstajícího zájmu výzkumníků z biologie, chemie, fyziky a matematiky.1 Chirální jsou objekty nebo systémy, které jsou vůči sobě navzájem neztotožnitelnými zrcadlovými obrazy (jako pravá a levá ruka). V organické chemii jsou tyto chirální objekty resp. molekuly nazývány enantiomery. Celá příroda a tedy i člověk jsou na molekulární úrovni chirální. Jak se ukázalo, interakce člověka s chirálními molekulami může vyvolat dramaticky rozdílné efekty podle toho, je-li použit jeden nebo druhý enantiomer (např. jeden enantiomer může působit jako léčivo, opačný může být zdraví nebezpečný). Tyto vlastnosti mají dalekosáhlé aplikace v biologii, medicíně a dalších oblastech. Proto je studium chirálních molekul a jejich selektivní syntéza resp. separace jedním z hlavních směrů moderní organické chemie.

.

≡

M-[6]helicen

≡

P-[6]helicen

Schéma 1 Heliceny jsou helikálně chirální sloučeniny skládající se z ortho-anelovaných aromatických kruhů (Schéma 1).2 Jejich unikátní topologie a elektronové vlastnosti by mohly vést k řadě aplikací v enantioselektivní katalýze, chirálním rozpoznání ale i molekularní elektronice. Dosud však chybí jednoduchá a obecná příprava těchto sloučenin v neracemické formě. V nedávné době jsme na našem pracovišti vyvinuli novou metodu přípravy helicenů založenou na [2+2+2] cykloizomeraci triynů,3 která vychází z jednoduchých stavebních bloků a umožňuje přípravu racemických derivátů (Schéma 2).

MLn

Schéma 2 Tato práce se podílí na vývoji asymetrické syntézy helicenů a jejich derivátů. Náš syntetický přístup vychází ze snadno dostupného dibromidu 1, který je transformován na homopropargylový alkohol 2. Následná kinetická rezoluce (KR) racemického alkoholu 2 poskytuje klíčový intermediát 3 (Schéma 3).

I

Br

OH

OH

KR

Br

.

I

Si

1

(R)- či (S)-3

2

Schéma 3 Stavební blok 3 s centrem chirality bude využit k přípravě neracemických triynů vhodných pro stereoselektivní [2+2+2] cykloizomeraci (Schéma 4). Tento přístup by v budoucnosti mohl vést k plně aromatickým enantiomerně obohaceným helicenům a jejich funkcionalizovaným derivátům.

H+

[2+2+2] OH

oxidace

OH

Schéma 4

LITERATURA „ [1] Cohen, J.: Science 267, 1265 (1995). „ [2] Urbano, A.: Angew. Chem. Int. Ed. 42, 3986 (2003). „ [3] Stará, I., G., Alexandrová, Z., Teplý, F., Sehnal, P., Starý, I., Šaman, D., Buděšínský, M., Cvačka, J.: Org. Lett. 13, 2547 (2005).

Si

Kateřina Popelková Gymnázium Opatov [email protected]

Možnosti léčby bolesti chirurgického původu capsaicinem Fyziologický ústav AV ČR, v. v. i. školitel: MUDr. Jiří Paleček, CSc.

Bolest je nepříjemná senzorická a emocionální zkušenost spojená se skutečným nebo potenciálním poškozením tkáně nebo je jako taková popisována. Bolest má subjektivní charakter. Rozlišujeme několik základních typů bolesti. U akutní bolesti dochází většinou k přímé aktivaci nociceptorů bolestivým podnětem. Odeznívá po ukončení vyvolávajícího nociceptivního podnětu. Je vedena specifickým senzorickým nociceptivním systémem z periferie přes míchu do mozkových center. Tento systém je varovným zařízením organizmu, které registruje vnější podněty a chrání ho před poškozením. Jeho ztráta může vést k poškození organizmu. Jestliže působící stimulus je natolik intenzivní, že způsobí tkáňové poranění (mechanické, tepelné, chemické atd.), může se rozvinout bolest chronická, která přetrvává i po odeznění poškození tkáně. Pooperační bolest většinou odeznívá s hojením tkáně, někdy však může přetrvávat a potom mluvíme o bolesti chronické. Ukazuje se, že přes dostupnost analgetik není u řady pacientů léčena pooperační bolest dostatečně. Některé studie navíc naznačují, že neléčená akutní bolest se může rozvinou v bolest chronickou. Proto je nutné nalézt nové analgetické postupy, které by omezily nejen akutní příznaky, ale také eliminovaly možnost vzniku chronických komplikací.

Pooperační bolest vzniká zejména díky přímé aktivaci nociceptorů a také jejich senzitizaci – snížení prahu dráždivosti. Velká část populace nociceptorů exprimuje specifické receptory TRPV1 (Transient receptor potential vaniloid -1), které jsou aktivované teplem, nízkým pH a řadou dalších látek a podnětů. Jednou z takových látek je capsaicin, což je substance přítomná v paprikách a zodpovědná za jejich pálivost. Nízká koncentrace capsaicinu aktivuje TRPV1 receptory a při styku s nervovými zakončeními obsahujícími tyto receptory v kůži nebo sliznicích vede k pocitu pálení a bolesti. Vysoká koncentrace capsaicinu způsobuje desenzitizaci receptorů a také může vést k funkční deaktivaci a až k morfologické destrukci nervových zakončení. Tento efekt trvá zhruba 1 týden, po této době začínají nervová zakončení regenerovat. Capsaicin působí pouze na nervová vlákna, která přenášejí bolest, a proto není aplikací capsaicinu ovlivněna například motorika. V našich pokusech byla předmětem zkoumání zejména akutní bolest, která je přímo spojená s poškozením tkáně chirurgickým zákrokem. V předchozích experimentech bylo ukázáno, že intradermální injekce capsaicinu je velmi efektivní v tlumení pooperační bolesti (Pospíšilová a Paleček 2006). Samotná intradermální aplikace capsaicinu je však bolestivá, a proto není lokální léčba capsaicinem dobře snášena. Jedním z možných řešení by byla aplikace lokálních anestetik před aplikací capsaicinu. Lokální anestetika však blokují vznik akčních potenciálů, a proto by mohla omezit rozvoj degenerace periferních nociceptorů po aplikaci capsaicinu, která je nutná pro jeho účinek. Cílem našich experimentů bylo proto zjistit, zda aplikace lokálních anestetik před aplikací capsaicinu ovlivní jeho analgetické účinky. Metody V našich pokusech jsme testovali citlivost zadní končetiny laboratorního potkana na tepelné podněty pomocí Hargreasova tepelného stimulátoru. Práh pro tepelné podněty byl měřen jako délka aplikace tepelného podnětu nutná k odtažení zadní končetiny, kdy byl současně podnět přerušen. Měření bylo prováděno vždy pětkrát po sobě, s intervalem mezi stimulací nejméně 5 minut, abychom se vyhnuli riziku ovlivnění výsledku přehřátím skla na kterém byla zvířata měřena, nebo senzitizací nervových zakončení v zadní končetině. V kontrolní skupině byla měřena pouze hodnota prahu pro odtažení zadní končetiny 1., 3., 8., 10., 14., 20. den. U experimentální skupiny bylo v krátkodobé etherové narkóze intradermálně aplikováno lokální anestetikum (0,1 ml 0,5% Bupivacainu) do planty pravé končetiny a následně po otestování účinnosti této aplikace lokálních anestetik, bylo

aplikováno 0,1 ml capsaicinu (49 mM) opět v etherové narkóze do stejného místa. Následně byly měřeny hodnoty tepelného prahu pro odtažení zadní končetiny ve stejných intervalech jako u kontrolní skupiny. Výsledky U kontrolní skupiny reagovaly na tepelný podnět obě končetiny stejně. Jejich reakční doba byla v průměru kolem 17 s a v průběhu 3 týdnů experimentu se tato doba neměnila. U experimentální skupiny se hodnoty tepelného prahu u pravé a levé končetiny po aplikaci lokálního anestetika značně lišily. Zatímco u kontrolní končetiny se reakční doba nezměnila po celou dobu trvání pokusu, u experimentální končetiny byla hodnota více než 30 s, kdy byla stimulace přerušena. Druhý den po aplikaci lokálního anestetika a capsaicinu se reakční doba experimentální končetiny výrazné prodloužila v průměru na 25 s. Tato výrazně snížená citlivost na tepelné podněty přetrvávala jeden týden. Poté se také citlivost na injikované končetině začala vracet k původním hodnotám. Tři týdny po aplikaci capsaicinu a lokálního anestetika odpovídala citlivost obou končetin původním kontrolním hodnotám. Diskuze Aplikace lokálního anestetika v našich pokusech vedla k úplné blokádě citlivosti na tepelné a mechanické podněty. Zatímco z literatury je známo, že aplikace lokálního anestetika vede ke ztrátě citlivosti pouze na několik hodin, v našich pokusech byl díky následné aplikaci capsaicinu, práh pro tepelné podněty snížen po dobu jednoho týdne. Naměřené hodnoty přitom odpovídaly hodnotám získaným v předchozích pokusech, které probíhaly pouze s aplikací capsaicinu, bez lokálního anestetika. Naše pokusy ukázaly, že lokální anestetika mohou být aplikována před podáním capsaicinu, aniž by omezily jeho účinek. Lokální anestetika tak mohou představovat významný doplněk léčby capsaicinem. LITERATURA: „ [1] Pospisilova, E., Palecek, J.: Post-operative pain behavior in rats is reduced after single high-concentration capsaicin application. Pain. 2006; 125:233–43.

Anna Rinágelová Masarykova střední škola chemická [email protected]

Screening a kontinuální stanovení aktivity enzymů transformujících nitrily Mikrobiologický ústav AV ČR, v. v. i školitel: Mgr. Vojtěch Vejvoda

Enzymy degradující nitrily a amidy jsou v posledních desetiletích předmětem rostoucího zájmu vědců. Velké množství nitrilů se uplatňuje v chemickém a farmaceutickém průmyslu (bromoxynil – herbicid, akrylonitril – surovina pro přípravu akrylamidu), a proto stoupá také zájem o biokatalyzátory přeměn těchto látek. Při screeningu nových druhů mikroorganizmů, které by byly schopné transformovat nitrily, je třeba prověřit velké množství potenciálních producentů enzymů, a proto je vhodné používat metody, které by měly velkou kapacitu a přitom byly dostatečně přesné. V naší práci jsme se zaměřili na spektrofotometrickou metodu, která byla s úspěchem odzkoušena pro monitorování biokonverze methakrylonitrilu na methakrylamid (viz obrázek 2, Murakami, 2000). Přes svou jednoduchost a rychlost se spektrofotometrické stanovení nitrilů a jejich produktů téměř nepoužívá, neboť nitrily i karboxylové kyseliny, případně jejich amidy, mají velmi blízká absorbční maxima. Proto se pro většinu spektrofotometrických stanovení používá barevných reakcí, kdy některý z produktů reaguje s indikátorem za výrazné změny absorbance při dané vlnové

délce. Nejčastěji se takto stanovují amonné ionty (Yazbeck, 2006), které vznikají při hydrolýze nitrilů, resp. amidů pomocí nitrilázy, resp. amidázy.

Obr. 1: Reakční schéma enzymů transformujících nitrily. Práce prováděná v rámci tohoto projektu byla v plné míře prováděna studentkou Annou Rinágelovou (pochopitelně za odborné asistence). V námi používané metodě jsme se pokoušeli nalézt substráty enzymů nitrilového metabolismu, které by bylo možno stanovit přímo spektrofotometricky jako změnu absorbance v závislosti na rostoucí koncentraci produktů. K dispozici nám bylo zázemí laboratoře, která již delší čas pracuje s enzymy nitrilového metabolizmu a řadu z nich již purifikovala a charakterizovala. Jako zdroj nitrilhydratázy a amidázy jsme používali bakterii Rhodococcus eythropolis A4 a jako zdroj nitrilázy vláknitou houbu Fusarium solani O1. Spektrofotometrická měření jsme prováděli na spektrofotometru Shimadzu PharmaSpec UV-1700. Nejprve

byla

zkoušena

měřitelnost

dostupných

nitrilů

(které

byly

zároveň

akceptovatelnými substráty pro námi používané enzymy) a příslušných karboxylových kyselin a amidů. U vybraných substrátů byla tato metoda ověřena i pro sledování enzymatických reakcí. Ze zkoumaných látek se nám podařilo určit více než 5 substrátů (4-kyanopyridin, 3tolunitril, 4-tolunitril atd.), které lze použít pro screening aktivity. Potěšující bylo, že hojně používaný benzonitril a benzamid patřily k substrátům, které se dají touto metodou stanovit (viz obrázek 2). Pomocí této metody se nám dařilo stanovit aktivitu z rozdílu počáteční a konečné absorbance kyseliny benzoové (časový průběh, on-line stanovení), ale stanovení kyseliny benzoové v reálných vzorcích z reakce katalyzované purifikovanou nitrilázou nebyla prozatím příliš úspěšná. Docházelo totiž k interferencím s reakční směsí, nicméně bylo možné

identifikovat frakce s nejvyšší aktivitou (Vejvoda, 2007). Tato stanovení jsme ověřovali pomocí HPLC.

Obr. 2: Biokonverze nitrilů s uvedením vlnové délky, při které byla reakce monitorována. Sledováním časového průběhu reakcí jsme zjišťovali inhibiční vliv alkoholů na nitrilasovou aktivitu, kdy jsme dosáhli dobré shody s dříve naměřenými výsledky, a stejně tak i pro měření teplotních stabilit nitrilhydratázy, nitrilázy i amidázy. Námi používaná metoda je vhodná pro screening a on-line sledování reakcí, ale je méně vhodná pro kvantitativní stanovení produktů, neboť dochází k interferencím s reakční směsí. Pro screening je třeba zvýšit kapacitu metody, a proto bychom v budoucnu rádi využili pro měření čtečku destiček. LITERATURA „ [1] Christian, G., D.: (1994) Analytical chemistry, John Willey and Sons, Inc., 5th edition „ [2] Yazbeck, D., R., Durao, P., J., Xie, Z. and Tao, J.: (2006) A metal ion-based method for the screening of nitrilases. J. Mol. Catal B: Enzym. 39, 156-159.

„ [3] Vejvoda, V., Kaplan, O., Bezouška, K., Pompach, P., Šulc, M., Cantarella, M., Benada, O., Uhnáková, B., Rinágelová, A., Lutz-Wahl, S., Fischer, L., Křen, V. and Martínková, L.: (2007) Purification and characterization of a nitrilase from Fusarium solani O1. J. Mol. Catal. B: Enzym. Submitted. „ [4] Murakami, T., Nojiri, M., Nakayama, H., Odaka, M., Yohda, M., Dohmae, N., Takio, K., Nagamune, T. and Endo I.: (2000) Post-translational modification is essential for catalytic activity of nitrile hydratase. Protein. Sci. 9, 1024-1030. PODĚKOVÁNÍ Tato práce byla finančně podporována granty IAA 500200708 (GA AV ČR) a LC06010 (MŠMT) a institučním výzkumným záměrem AV0Z50200510.

Michal Seifert Masarykova střední škola chemická [email protected]

Aerosoly ve vnitřním prostředí Ústav chemických procesů AV ČR, v. v. i. školitel: Ing. Vladimír Ždímal, Dr.

Ve své práci se zabývám vlastnostmi aerosolu ve vnitřním a vnějším prostředí. Aerosol je suspenze tuhých a kapalných částic ve velikostním rozmezí 2 nm–100 µm. Podle původu dělíme aerosolové částice do dvou základních skupin. Přírodní – např. mořský příboj, větrné bouře, vulkanická činnost. Lidská činnost – např. spalování, kouření. Částice vzniklé lidskou činností jsou většinou menší, ale mnohem více toxické, a mají negativní dopad na lidské zdraví. Proto je třeba studovat složení a koncentrace aerosolů, na jejich základě definovat a omezit rizika působení aerosolů na lidské zdraví. Lidé tráví mnoho času uvnitř budov, a proto je tato práce zaměřena na studium aerosolových částic ve vnitřním prostředí. Abychom mohli detailně studovat chování aerosolu ve vnitřním prostředí, je třeba umět připravit aerosol určité velikosti. Chování aerosolu totiž vždy velmi významně závisí na velikosti částic. K přípravě aerosolu dané velikosti slouží generátory aerosolů. Existuje řada typů generátorů aerosolů využívajících různé fyzikální principy. Nejčastěji se setkáváme s rozprašovači, ve kterých se roztok nebo suspenze po průchodu tryskou rozbije na malé kapičky a po vypaření rozpouštědla zůstane stabilní aerosol. Podobně může být aerosol generován působením odstředivé síly, když kapalina natéká na rychle rotující disk z jehož okraje se pak odtrhávají malé kapičky jako zdroj aerosolových částic. Aerosol je možné generovat i tak, že za vysoké teploty vypařujeme určitý materiál do proudu plynu a po ochlazení látka zkon-

denzuje ve formě malých krystalků. Aerosoly mohou být generovány také ultrazvukem, případně rozfukováním vrstvy prachového materiálu. V případě aerosolového generátoru MAG 3000, který byl testován v této práci, je k přípravě aerosolu použita kombinace dvou metod. V prvním kroku se roztok soli rozpráší průchodem tryskou, vzniklé krystalky soli jsou pak neseny proudem plynu do vysokoteplotní části sytiče, ve které je do proudu plynu odpařován bis-2(ethyl-hexyl) sebakát. Po ochlazení pak tato organická látka kondenzuje na solných jádrech za vzniku velmi stabilního kapalného aerosolu. Vzhledem k tomu, že průběh změny teploty v chladicí části generátoru MAG je pro všechny částice velmi podobný, mají vzniklé aerosolové částice všechny téměř stejnou velikost, aerosol je takzvaně monodisperzní. Konečnou velikost částic připravených generátorem aerosolů MAG 3000 je možné v širokém rozsahu velikostí měnit změnou teploty v sekci sytiče. Skutečný pracovní rozsah tohoto generátoru jsme testovali v této práci.

Obr. 1: Schéma aparatury K analýze aerosolu připraveného v generátoru jsme použili aerodynamický třídič částic (APS). Tento aerosolový spektrometr pracuje tak, že proudu aerosolu je v zužující se trysce dodáno velké zrychlení (>106m/s2). Těsně za tryskou jsou kolmo k její ose umístěny dva paralelní laserové svazky ve vzdálenosti asi 100 µm od sebe. Měří se čas, za který částice projde vzdálenost mezi dvěma svazky, ten je úměrný aerodynamickému průměru částice. Částice menší než 0,3 µm jsou urychleny v podstatě stejně jako proud vzduchu, a nelze je tedy třídit, částice větší než 20 µm je obtížné vůbec navzorkovat.

Vlastní měření probíhalo podle schématu na obr. 1. Aerosol připravený generátorem byl nejprve naředěn ve dvoustupňovém kapilárním řediči zkonstruovaném v ÚCHP AV ČR, v. v. i., neboť koncentrace aerosolu z generátoru je asi tisíckrát vyšší než horní koncentrační mez spektrometru APS. Ve směšovači byl k aerosolu dále přimíšen vzduch bez částic (procházel vysoce účinným částicovým HEPA filtrem) v takovém množství, aby bylo dosaženo nominálního průtoku spektrometrem. Experiment probíhal tak, že v generátoru aerosolu byla nastavena pracovní teplota, proud aerosolu byl naředěn a po průchodu směšovačem byl nasáván do spektrometru APS, který odebíral vzorky v pětiminutových intervalech. Když došlo k ustálení celého systému a analyzovaný aerosol měl stálou velikost i koncentraci, byly zaznamenáno několik vzorků v tomto ustáleném stavu. Poté byla teplota v syticí části generátoru zvýšena o několik stupňů a po dosažení ustáleného stavu bylo opět zaznamenáno několik vzorků. Postup se opakoval, dokud nebyl proměřen celý dostupný rozsah teplot v generátoru. Součástí mé práce byla pomoc při stavbě aparatury, pomoc při opravě a kalibraci aerosolového spektrometru APS a aerosolového generátoru MAG. Po ukončení jsem se podílel na vyhodnocení naměřených spekter.

Obr. 2: Naměřená závislost polohy velikostního módu na teplotě v sytiči generátoru.

V každém vzorku odebraném v ustáleném stavu byla z naměřeného spektra určena poloha velikostního modu, tedy takové velikosti částic, která se v daném vzorku vyskytovala nejčastěji. Ze všech vzorků naměřených v jednom ustáleném stavu byla určena průměrná po-

loha modu. To bylo provedeno pro celý rozsah teplot v sytiči generátoru. Na obr. 2 je vynesena výsledná závislost polohy modu na teplotě sytiče. Lze vidět, že velikost generovaných částic roste spolu se vzrůstající teplotou v sytiči. Tento průběh jsme očekávali, neboť se vzrůstající teplotou roste tlak nasycených par bis-2(ethyl-hexyl) sebakátu, které kondenzují vždy na stejném množství solných zárodků.

LITERATURA „ [1] TSI inc: Model 3321 Aerodynamic Particle Sizer Spectrometer Instruction Manual, 2001 „ [2] Palas GmbH: Operation Manual MAG-3000

Ondřej Šveda Klasické gymnasium Modřany, Přírodovědecká fakulta UK v Praze, Katedra biochemie [email protected]

Mikrobiální enzymy jako biokatalyzátory pro hydrolýzu heterocyklických nitrilů Mikrobiologický ústav AV ČR, v. v. i. školitel: Ing. Ludmila Martínková, CSc.

Heterocyklické dinitrily se jeví jako výhodné výchozí látky pro chemickou syntézu amidů a kyselin, které jsou významnými komponentami ve farmaceutických a výživových produktech (nikotinamid, kyselina nikotinová) nebo meziprodukty pro přípravu jiných léčiv (kyselina isonikotinová – prekurzor tuberkulostatika isoniazidu). Nitrily mohou sloužit jako snadno dostupné reaktanty pro syntézu těchto amidů a kyselin, které jsou citlivé na extrémní podmínky chemické hydrolýzy nitrilů, a proto je enzymová konverze vhodnou alternativou. Částečnou hydrolýzou dinitrilu by bylo teoreticky možné získat látku se dvěma rozdílnými funkčními skupinami. Bohužel postupy používané v organické syntéze buď nedovolují provést částečnou hydrolýzu, nebo jsou příliš náročné, aby je bylo možné využít ve větším měřítku. I zde je proto vhodné využít biokonverzi, která často probíhá regioselektivně, tj. transformuje se jen jedna z funkčních skupin. V minulosti bylo objeveno a prozkoumáno mnoho enzymů schopných biokonverze heterocyklických nitrilů. Něteré enzymy zkoumané v naší laboratoři jsme použili pro naši práci. Porovnávali jsme jejich aktivitu vůči 2,4-, 2,6- a 3,4-pyridindikarbonitrilu a 2,3pyrazindikarbonitrilu. Jako biokatalyzátor jsme použili nitrilázu z vláknité houby Fusarium

solani a bakteriální komplex nitrilhydratázy a amidázy z kmene Rhodococcus erythropolis A4. Reakce těchto dinitrilů probíhaly dvěma způsoby. Prvním byla reakce katalyzovaná celými buňkami v reakční směsi, druhým bylo použití částečně purifikovaného enzymu. Experimenty v rámci této studie (kultivaci mikroorganizmů a přípravu enzymového preparátu, vlastní biokonverze nitrilů a analýzy vzorků, přípravu vzorků pro spektrální měření) prováděl student Ondřej Šveda – nejprve za odborné asistence a později již i samostatně, při čemž projevil velkou initiativu a invenci. Reakce 2,4-pyridindikarbonitrilu s nitrilázou vedla ke vzniku 2-kyano-4-karboxylové kyseliny; reakce s komplexem nitrihydratáza-/amidáza vedla ke stejnému produktu přes meziprodukt, kterým byl 2-kyano-4-karboxamid (viz obr. 1).

Obr. 1: Nitrilhydratáza/amidáza

Obr. 2: Nitriláza

Enzymová transformace

Enzymová transformace

2,4-pyridindikarbonitrilu

2,6- pyridindikarbonitrilu

N

CN

N

i

N

rychle CN 2a

CONH2

ii

pomalu

CN

CN

CONH2

i N

velmi rychle

CN 1a

CN 1b

2b

ii pomalu

i

rychle i

pomalu

COOH i) Rhodococcus erythropolis (nitrilhydratasa/amidasa), pH 8, 28 °C

N

CN

COOH ii) Fusarium solani nitrilasa, pH 8, 28 °C

N CN 1e

N CONH2 1c pomalu i

2c

Obr. 1. Enzymová transformace 2,4-pyridindikarbonitrilu

CONH2

i) Rhodococcus erythropolis (nitrilhydratasa/amidasa), pH 8, 28 °C

COOH N

ii) Fusarium solani (nitrilasa), pH 8, 28 °C

COOH 1d

2,6-pyridindikarbonitril byl nitrilázou transformován na 6-pyridin-2-karboxylovou kyselinu. Použitím enzymového komplexu jsme získali kyanoamid; tato látka vznikala velmi rychle a rychle se měnila na další meziprodukt – diamid, který posléze reagoval s druhým enzymem v komplexu (amidázou) a velmi pomalu vznikala dikyselina (viz obr. 2). Aktivita enzymů vůči ostatním dvěma substrátům byla velmi nízká a nepodařilo se nám získat dostatečné množství produktu pro jejich analýzu. Výsledkem naší práce nebylo jen získání uvedených látek s dvěma různými funkčními skupinami, ale i zjištění nejvhodnějších podmínek pro reakce a chromatografickou analýzu těchto látek. Tyto poznatky mohou později usnadnit práci při dalším výzkumu heterocyklických dinitrilů. PODĚKOVÁNÍ Tato práce byla finančně podporována granty IAA 500200708 (GA AV ČR) a LC06010 (MŠMT ČR) a institučním výzkumným záměrem AV0Z50200510. Děkujeme Dr. H. Pelantové a Dr. M. Kuzmovi (MBÚ AV ČR, v. v. i.) za určení identity připravených látek pomocí nukleárně magnetické rezonance.

Adam Těhník Střední odborná škola – obor Chemicko-farmaceutická výroba [email protected]

Studium povrchů metodami mikroskopie rastrovací sondou Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, v. v .i. školitel : RNDr. Hana Tarábková, Ph.D.

Mikroskopie rastrovací sondou Mikroskopie skenující (rastrovací) sondou (Scanning Probe Microscopy) je soubor experimentálních metod určených ke sledování struktury a některých vlastností povrchu zkoumaných látek s vysokým rozlišením. Základem těchto mikroskopických technik

je

využití interakcí vzorku se sondou pohybující se v malé vzdálenosti nad jeho povrchem. Dvě základní metody jsou: rastrovací tunelová mikroskopie (STM) a mikroskopie atomárních sil (AFM). Obě techniky umožňují zobrazovat vzorky jak na vzduchu, tak v kapalině či ve vakuu a nacházejí uplatnění v celé řadě fyzikálních i nefyzikálních oborů (biologie, genetika, chemie atd.) i v technických aplikacích. Řešená problematika V rámci stáže na Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, v. v. i., jsem se při měření modelových monokrystalických substrátů (zlato, vysoce orientovaný pyrolytický grafit–HOPG) seznámil s principy a experimentální technikou měření AFM (obr.1) na

vzduchu a pod kapalinou a možnostmi zobrazení struktury látek dosahující až atomárního rozlišení. Získané zkušenosti jsem využil při řešení dílčích úkolů výzkumných projektů svého školícího pracoviště: „Studium vlastností souboru kovových (Ni, Au, Pt) nanočástic deponovaných na monokrystalickém substrátu“ a „Studium vrstev oxidu titaničitého se zaměřením na jejich použití v solárních článcích“.

Obr.1: Schematické znázornění principu snímání velikosti interakce mezi sondou a povrchem vzorku při měření metodou mikroskopie atomárních sil (AFM)

Soubor niklových nanočástic na HOPG Nikl a jeho sloučeniny patří do skupiny katalyticky aktivních kovů, které jsou využívány v mnoha výrobních procesech a organických syntézách. Jemně rozptýlený nikl je velmi účinným hydrogenačním katalyzátorem, který působí na reakci dvojné vazby mezi uhlíkovými atomy s vodíkem za vzniku vazby jednoduché. V poslední době je nikl zkoumán také s ohledem na možnosti jeho využití v nových typech velkokapacitních baterií. Manipulace s niklovým katalyzátorem je zjednodušena pokud je nikl nanesen ve formě nanočástic na inertní podložce. Pro optimalizaci katalytické aktivity je nutné zabývat se jeho strukturou. Mým úkolem bylo zobrazení struktury souboru niklových nanočástic napařených na HOPG při různých parametrech napařování a zjistit, jak je jeho uspořádání ovlivněno provedením elektrochemického experimentu.

Nanostruktury oxidu titaničitého Oxid titaničitý je velmi stabilní sloučenina, která nachází praktické uplatnění v řadě oborů (při výrobě barev, ve sklářském a keramickém průmyslu, při výrobě vysoce kvalitního papíru, jako plnivo při výrobě plastických hmot). Polovodivých vlastností TiO2 je využíváno v barvivových solárních článcích a fotokatalytických procesech čištění odpadů. TiO2 solární články (tzv. Grätzelovy) se skládají z elektricky vodivého skla, tvořícího kladnou elektrodu, na které je nanesena vrstva oxidu titaničitého s naadsorbovaným barvivem, elektrolytem obsahující sloučeniny jódu a záporné elektrody . Jedním z parametrů, který ovlivňuje účinnost přeměny solární energie na elektrickou, je tloušťka a struktura vrstvy TiO2. V rámci své studentské stáže jsem se zabýval strukturou tenkých vrstev TiO2 nanášených různými postupy na vodivou podložku. LITERATURA „ [1] Kolektiv autorů: Metody analýzy povrchů (ed. Luděk Frank, Jaroslav Král). Academia, Praha 2002 „ [2] Janda, P., Weber, J.: Mikroskopie rastrovací sondou. Vesmír 128, 1998, 381– 384. „ [3] Internet: www.wikipedia.cz

Jan Vejmola Střední průmyslová škola elektrotechnická [email protected]

Hodnocení otěruvzdornosti keramiky Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v. v. i. školitel: Ing. Pavel Ctibor, Ph.D.

Úvod Plazmové

nástřiky

představují

v současné

době

významnou

součást

nových

materiálových technologií. Plazmové nanášení umožňuje vytvářet nové typy materiálů, které výrazně zlepšují odolnost základního materiálu proti vnějším vlivům. Předností uvedené technologie je i možnost připravovat samonosné součástky z keramických materiálů, případně vytvářet vrstvy na rozměrných součástech. Tyto nové materiály uživateli umožňují zásadní inovace, případně přinášejí řešení, která jsou výrazným zlepšením dosud používaných postupů. Ústav fyziky plazmatu AV ČR v. v. i., je nositelem patentu a jediným pracovištěm v ČR zaměřeným na vývoj technologie plazmového nástřiku pomocí vodou stabilizovaného plazmatronu WSP®. V oblasti vrstev odolných proti otěru, která nabývá v současnosti na důležitosti, byl v Ústavu fyziky plazmatu AV ČR v. v. i., proveden výzkum vrstev nanášených WSP® i jinými technologiemi. Plazmově nanášené vrstvy se vyznačují typickou strukturou, která je určujícím faktorem jejich

fyzikálních vlastností. Vzhledem k principu nanášení, který spočívá ve stříkání

roztavených částic daného materiálu, je nanesená vrstva heterogenní, charakterizovaná přítomností roztavených částic prášku ztuhlých při dopadu (splatů), pórů, mikrotrhlin a částic natavených a ztuhlých během letu. Defekty ve vrstvě a pevnost mezisplatové vazby ovlivňují

odolnost proti otěru, lomovou houževnatost, modul pružnosti atd. Pro technologie plazmového nanášení je typická přítomnost (nevelkého množství) nedokonale roztavených částic, které nebyly po dopadu zploštěny, a tedy svým původním tvarem silně narušují homogenitu lamelární struktury nástřiku. Kromě nepravidelných dutin zhruba o rozměrech částic výchozího prášku jsou přítomny i dutiny o rozměrech řádově menších, jejichž původ lze spatřovat ve zbytcích kráterů v jednotlivém splatu či plynové bublině rozdělené při dopadu kapky na víc menších bublin. Dalším charakteristickým rysem plazmových nástřiků je přítomnost trhlin, které vznikají jako výsledek uvolňování pnutí v nástřiku během ochlazování. Tyto trhliny jsou přednostně orientovány rovnoběžně s maximálním odvodem tepla, tedy kolmo k podložce. Vrstvy jsou otěrovým činidlem postupně obrušovány, podobně jako při obrábění broušením. K porušení keramických vrstev dochází především v důsledku vzniku mikrotrhlin ve splatech a postupného uvolňování takto vytvořených částic z vrstvy. Studované materiály Pro aplikace s vysokými nároky na otěruvzdornost za mokra se z keramik používají nejčastěji Al2O3, Cr2O3 a jejich kombinace. Existuje bohatá škála keramik, které mají výhodné vlastnosti pro proces plazmového nástřiku, avšak s jejich chováním při otěru za mokra nejsou zkušenosti, a to ani v zahraničí. Mezi ně patří zde dále popsaná keramika typu FeTiO3. Minerál ilmenit FeTiO3 je titanovou rudou hojně se vyskytující v přírodě, která je využívána pro výrobu čistého kovu Ti a také keramiky TiO2. Samotný FeTiO3 nenacházel dosud v technické praxi uplatnění. V rámci vyhledávacího výzkumu v ÚFP AV ČR v. v. i., je sledováno, zda ve formě plazmového nástřiku má tato keramika inženýrskou perspektivu. Naše výsledky otěru jsou malou podmnožinou jeho komplexního popisu. Obr. 1: Schéma přístroje SAR tester

Měření odolnosti vůči otěru Jako experimentální zařízení byl použit přístroj pro standardizované zkoušky otěru sestrojený dle normy ASTM G 75 – 95, SAR tester (Slurry Abrasion Response) − viz. obr. 1. Při něm konají vzorky (1) přímočarý pohyb tam a zpět v nádobce s abrazivní suspenzí (3). Povrch vzorku, který studujeme, je orientován dolů a tře se o zrna abrazivní suspenze. Dno nádoby je vyloženo speciální pryží (4) zvolenou tak, aby neovlivňovala podmínky měření a ochránila dno nádoby před probroušením. Testují se v souladu s normou současně čtyři vzorky, na každý je působeno shora závažím (5) odpovídajícím síle 22 N. Na konci každého úseku dráhy dlouhé 30 cm je držák (2) se vzorkem nadzdvižen (6) o několik desetin mm, aby se abrazivní suspenze stále dostávala v dostatečném množství pod vzorek, tj. ke studovanému povrchu. Přístroj sestává dále z ložiskového vedení (8), elektromotoru (7) a počítadla otáček (9). Po vykonání dráhy dlouhé 2304 m jsou vzorky odebrány, vysušeny a zváženy. Další cyklus testu začíná vždy s novou abrazivní suspenzí, přičemž se vzorky otočí v předozadní orientaci. Takové cykly otěru a vážení proběhnou čtyři, než je test ukončen. Výsledky lze vyjádřit v podobě grafu závislosti kumulativních objemových úbytků na vykonané dráze. Toto předpokládá znalost hustoty materiálu nástřiku. Čím menší je objem materiálu obroušený ze vzorku při testu, tím lepší je jeho otěruvzdornost. Ta se dá také vyčíslit součinitelem otěruvzdosnosti vyjádřeným např. jako metry vykonané dráhy potřebné na 1 mm3 úbytku objemu materiálu. Pak tedy je odolnost proti otěru tím vyšší, čím vyšší je tento součinitel.

Objemový úbytek [mm3]

250 200 150

1

2

3

4

Průměr

100 50 0 0

2304

4608 Dráha [m]

Obr. 2: Výsledky měření otěruvzdornosti ilmenitu

6912

9216

Jan Vlachý Gymnázium Budějovická [email protected]

Jednoduchá měření odezvy slunečních článků na různé druhy světelných zdrojů Fyzikální ústav AV ČR v. v. i. školitel: RNDr. Antonín Fejfar, CSc.

Solární články přeměňují sluneční energii na elektrickou. Na počátku se solární články používaly zejména v oblastech, kam bylo obtížné vést elektrickou síť – ať už pro přístroje na odlehlých místech, domy na samotách nebo také třeba pro kalkulačky. Vzhledem ke snižujícím se výrobním nákladům se těchto využití nachází víc a víc a fotovoltaické výrobě elektřiny lze předvídat příznivou budoucnost. Je relativně šetrná vůči životnímu prostředí, solární články mají dlouhou životnost a v rámci obnovitelných zdrojů stále širší uplatnění. Při stávajícím rychlém vyčerpávání neobnovitelných zdrojů (snad s výjimkou jaderné energie) se dá očekávat, že časem budou solární články konkurovat jiným zdrojům energie i ekonomicky. Když dopadne sluneční světlo na povrch článku, mohou jeho fotony článkem projít, odrazit se nebo mohou být pohlceny polovodivým materiálem článku. Energie pohlcených fotonů vybudí elektrony z valenčního pásu do vodivostního pásu. Část pohlcené energie se může opět vyzářit jako fotony nebo způsobit vibrace mřížky (tedy, na makroskopické úrovni, zahřívání článku). Po excitovaném elektronu potom zůstane oblast s kladným nábojem – toto místo můžeme pro aproximaci brát také jako částici – díra. Elektrony a díry jsou rozděleny vnitřním elektrickým polem v článku na přechodu mezi oblastmi dopovanými na P a N typ.

Pomocí kontaktů na P a N oblastech můžeme z článku odebírat elektrické napětí a proud. Vnějším regulačním obvodem se nastavuje pracovní bod pro maximální výkon, tj. nastaví se zátěž článku tak, aby byl součin odebíraného napětí a proudu největší. Takto to funguje u “klasických” solárních článků (ať už deskových nebo tenkovrstvých), což jsou vlastně velkoplošné polovodičové p-n diody. Některé nové přístupy používají jiný způsob – např. u organických polymerních článků se místo PN přechodu využívá objemový heteropřechod nebo v elektrochemických článcích aktivovaných barvivy jsou nosičem náboje ionty.

Obr. 1: Povrch slunečního článku z krystalického křemíku s vyleptanou pyramidální strukturou určenou pro zlepšení záchytu světla Počátečním cílem projektu bylo prozkoumat záření dataprojektoru a uvážit, zda by se dal využívat jako jednoduchý simulátor slunečního záření. Zakoupené simulátory bývají velmi drahé, svépomocí postavené jsou často zase značně komplikované. Dataprojektory jsou běžně dostupné a mají dostatečnou intenzitu. Navíc se u nich dá nastavovat barva záření, a daly by se tedy použít i pro měření spektrální odezvy článků. Bylo tedy třeba jednak proměřit záření dataprojektoru, jednak ho porovnat se zářením ze Slunce a s dalšími světelnými zdroji. Dalším cílem bylo měřit závislost činnosti článků na úhlu dopadajícího světla, podobně jako se úhel osvětlení mění během dne a roční doby. Zajímalo nás, zda se na úhlových závislostech projeví pyramidální struktura používaná pro zlepšení záchytu světla na povrchu krystalických článků (viz obr. 1). Naopak u článků amorfních by jediná změna protékajícího proudu měla vyplývat pouze z různého osvětlení pod různými úhly.

Základní schéma pokusů (viz obr. 2) tvořil zdroj světla (dataprojektor, později halogenová lampa) v konstantní vzdálenosti od osvětlovaného článku. Osvětlovaný článek byl upevněn na podstavci, který umožňoval nastavení jak normálového, tak azimutálního úhlu (rozsah úhlů se lišil podle konkrétního zapojení, zpravidla čítal asi 200 stupňů). Měřili jsme závislosti jednak voltampérové, jednak závislosti protékajícího proudu na úhlu natočení (azimutálního nebo normálového; jeden byl vždy konstantní a pohybovali jsme s druhým). Místnost byla relativně dobře zatemněná, navíc měření ukázalo, že šum z vnějšího osvětlení by byl zanedbatelný (v porovnání s použitými zdroji světla) i např. při rozsvícení stropního světla. Články byly proměřované přístrojem Keithley 2400, který byl přes rozhraní GPIB zapojen do počítače s programem TafLab (umožňujícím ovládat laboratorní přístroje prostřednictvím programovacího jazyku Delphi). Dataprojektor byl k počítači připojen také, což umožňovalo měřit charakteristiky při různé barvě a intenzitě osvětlení. Nejprve jsme si vyzkoušeli samotné proměřování voltampérových charakteristik u článků. Dospěli jsme k závěru, že je vhodné umístit zdroj světla do dostatečné vzdálenosti, jinak zahřívání článku ovlivňuje vodivost. Dále jsme se pokusili proměřit intenzitu záření pro různé barvy (nastavovaných na počítači prostřednictvím systému RGB). Zelená barva se ukázala jako nejintenzivnější.

Obr. 2: Schéma měření charakteristik slunečního článku při různém úhlu dopadu světla Některá měření byla překvapivá: ukázalo se například, že nastavení vyšší intenzity plochy promítané projektorem se nemusí nutně promítnout v odpovídajícím nárůstu intenzity osvětlení měřené Lutronem. Ukázalo se také, že voltampérové charakteristiky krystalických článků měřené při osvětlení dataprojektorem vykazují velmi výrazný šum (obzvlášť patrné to bylo v porovnání s halogenovou lampou – viz obr. 3). Při proměření osciloskopem se ukázalo, že záření dataprojektoru je časově závislé, zřejmě díky opakovanému obnovování promítaného obrazu, a proto se dataprojektor jako sluneční simulátor nehodí.

Při pokusech o měření vlivu pyramidální struktury článků jsme nejdříve měnili buď jen normálový, nebo pouze azimutální úhel. Pro článek s hladkým povrchem lze očekávat, že při změnách azimutálního úhlu se proud nakrátko nemění, při změnách normálového úhlu se proud nakrátko mění kvůli změnám osvětlení podle cosinového zákona. Takové závislosti jsme skutečně naměřili při použití amorfního článku. Vliv azimutálního úhlu dopadu světla jsme naopak očekávali pro krystalický článek s povrchem složeným ze čtyřbokých pyramid. Přítomnost pyramid lze pozorovat i prostým okem: při osvětlování laserem pod určitým úhlem odrazy skutečně odpovídaly dané krystalické struktuře.

Obr. 3: Srovnání volt-ampérové charakteristiky článku naměřené pomocí dataprojektoru a halogenové lampy Maximální vliv azimutálního úhlu na funkci slunečního článku jsme očekávali při nastavení normálového úhlu blížícího se sklonu pyramid na povrchu. Výsledky měření proudu nakrátko skutečně vykazovaly kolísání proudu v závislosti na natáčení v azimutálním směru, ale závislost vyšla jinak, než se očekávalo. Napadlo nás, zda neočekávané výsledky nejsou zapříčiněné poškozením článku (který byl už na první pohled značně poškrábaný). Vyměnili jsme článek za jiný stejného druhu. Při některých úhlových natáčeních vycházela jiná data (!), ta se ale podobala spíše článku amorfnímu (tzn. změny jen v závislosti na osvětlení). Je pozoruhodné, že při osvětlování přes modrý filtr (modrá je daným článkem odrážena nejvíc, a tak by případná zvýšená odrazivost byla ješte patrnější) se hodnoty u poškozeného článku znatelně změnily, u článku nového ale nic takového zřetelného nebylo. Dosažené výsledky lze shrnout takto: použitý dataprojektor se jako simulátor slunečního

záření nehodí kvůli časové závislosti. U krystalického článku se pomocí závislosti proudu na úhlech nepodařilo potvrdit vliv pyramidálního povrchu, je však možné, že při hlubší analýze získaných dat (například po odečtení závislosti na osvětlení) by se objevil. Dalším zajímavým zjištěním byla rozdílnost výsledků pro dva stejné, ale různě opotřebené články. Výsledky úhlových závislostí proudu nakrátko pro amorfní článek odpovídaly očekávaným výsledkům pro hladký povrch. LITERATURA „ [1] Solar Cells; Operating Principles, Technology and System Application - Martin A. Green - 1982 by Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey 07632 - ISBN 0-13822270-3 „ [2] HALLIDAY, D., RESNICK, R., WALKER, J.: Fyzika: vysokoškolská učebnice obecné fyziky. Část 4. Elektromagnetické vlny, optika, relativita [Orig.: Fundamentals of physics] / přeložil J. Komrska a kol. z 5. vyd. Brno : Prometheus, 2000

Martin Zábranský Gymnázium Litoměřická [email protected]

Pikráty ferrocenových aminoalkoholů jako samouspořádané krystalické látky Přírodovědecká fakulta UK v Praze, Katedra anorganické chemie školitel: doc. RNDr. Petr Štěpnička, Ph.D.

Samouspořádané pevné látky mají pravidelnou strukturu, danou periodickým opakováním určité základní stavební jednotky v krystalové mřížce. K tomu, aby vznikla taková struktura, je zapotřebí vybrat vhodné stavební jednotky, jejichž periodické uspořádávání je zprostředkováno nekovalentními mezimolekulárními interakcemi. Při přípravě samouspořádaných látek je klíčové využití vodíkových vazeb, což jsou trojstředové čtyřelektronové interakce. Vodíkové můstky vznikají interakcí vodíku se dvěma prvky s větší elektronegativitou, než má sám vodík, za předpokladu, že má atom prvku, na kterém vodík vázán není, k dispozici volný elektronový pár. Významnou roli při výstavbě struktury v kombinaci s vodíkovými interakcemi hrají také π-π interakce aromatických kruhů, elektrostatické interakce (včetně iontových) a van der Waalsovy síly. Vodíkové vazby lze rozlišovat podle typu atomů, mezi kterými se vyskytují, na O···O, O···N a další, podle vazebné energie na slabé a silné a podle typu na intramolekulární a intermolekulární. Při získávání samouspořádaných krystalických látek je tedy obecně výhodné použití základního kamene, který bude složen ze dvou složek, které silně interagují a z nichž každá bude nabízet několik možností pro interakce se svým okolím tak, aby výsledná struktura byla

co nejstabilnější. Příkladů samouspořádaných krystalických látek odvozených od ferrocenu bylo již popsáno mnoho, obvykle se jedná o látky s polárními substituenty jako např. karboxylové kyseliny a alkoholy.1 Již dříve byly studovány struktury amidů ferrocenových karboxylových skupin nesoucích 2-hydroxyethylové skupiny na atomu dusíku2 a také anorganické soli aminoalkoholu FcCH2NHC(CH3)2CH2OH.3 V další práci jsme se rozhodli využít reakce používané dříve k přípravě definovaných derivátů aminů pro účely identifikace — tvorby solí s kyselinou pikrovou, tj. 2,4,6-trinitrofenolem. Cílem této práce tedy bylo připravit a studovat samouspořádané

krystalové

struktury

solí

kyseliny

pikrové

s

aminoalkoholy

FcCH2NHCH2CH2OH (1), FcCH2NHC(CH3)2CH2OH (2) a dále s opticky čistým, chirálním derivátem (S)-FcCH2NHCH(CH(CH3)2)CH2OH (3) (Fc = ferrocenyl). Postup přípravy látek 1,4 2,3 35 byl již dříve uveřejněn. Při přípravě krystalických pikrátů jsme do zkumavky navážili 22,9 mg (0,1 mmol) kyseliny pikrové a rozpustili ji v minimálním množství ethylacetátu (roztok A). Do jiné zkumavky jsme navážili 0,1 mmol aminoalkoholu a rozpustili jej v co nejmenším množství ethylacetátu (roztok B). Čirý roztok B jsme vpravili do zkumavky s roztokem A, zamíchali, případně přefiltrovali a vzniklý roztok převrstvili cca 7 ml hexanu. Zkumavku jsme zazátkovali a vložili do lednice. Krystaly, které se vyloučily během několika dní, jsme izolovali odsátím a jejich složení potvrdili elementární analýzou. Struktura pikrátu připraveného z aminoalkoholu 1 (= látka 4), byla stanovena difrakcí rentgenového záření na monokrystalu. Jak je vidět na obr. 1, v základní jednotce struktury pikrátu 4 je rovina aromatického kruhu pikrátového anionu téměř rovnoběžná s rovinou cyklopentadienylů ferrocenu (mezirovinný úhel činí 11,64(9)°). Aromatický kruh je však vysunut směrem od ferrocenového sloupce a je značně vzdálen. Není tedy pravděpodobné, že mezi oběma aromáty existuje π-π interakce. Tato ale existuje mezi jednotlivými pikrátovými anionty, jak ukazuje obr. 3. Pikrátový anion je natočen svým fenoxidovým atomem kyslíku O2 směrem ke kladnému náboji na dusíku aminoalkoholu. Tak vznikají vodíkové vazby N···O2 a O1···O2, které dále podporují vodíkové vazby O8···N a O3···O1. Blízkost aminoalkoholových řetězců navíc vede ke vzniku vodíkových můstků mezi nimi (N···O1) (obr. 2). Na protilehlé straně pikrátového anionu se v krystalové struktuře nachází další řetězec aminoalkoholu, se kterým interaguje nitroskupina v poloze 4, konkrétně O6···C12. Podobná situace nastává u sousedního anionu, čímž se struktura v monokrystalu periodicky opakuje. Struktury pikrátů odvozených od 2 a 3 se analyzují v současné době.

Obr. 1: Pohled na struktury pikrátu 4 ukazující značení atomů. Elipsoidy teplotního pohybu odpovídají hladině pravděpodobnosti 30 %.

Obr. 2: Vodíkové vazby ve struktuře pikrátu 4. Donor-akceptorové vzdálenosti: N···O1 2,748(2) Å, N···O2 2,778Å(2), N···O8 2,869(2)Å, O1···O2 2,680(1)Å, O1···O3 3,140(2)Å.

Obr. 3: Interakce aromatických kruhů ve struktuře pikrátu 4. Vzdálenost středů kruhů je cca. 3,408 Å. Podobná vzdálenost šestičetných uhlíkových kruhů v grafitu je jen o málo delší (3,35 Å). Šipky vyznačují vodíkové vazby propojující sousední molekuly v krystalu.

REFERENCE „ [1] (a) Braga, D., Grepioni, F., Desiraju, G. R.: Chem. Rev. 1988, 98, 1375–1405. (b) Braga, D., Maini, L., Polito, M., Tagliavini, E., Grepioni, F.: Coord. Chem. Rev. 2003, 246, 53–71. „ [2] Štěpnička, P., Císařová, I.: CrystEngComm 2005, 7, 37–43. „ [3] Štěpnička, P., Císařová, I., Ludvík, J.: J. Organomet. Chem. 2004, 689, 631–638. „ [4] Hess, A., Brosch, O., Weyhermueller, T., Metzler-Nolte, N.: J. Organomet. Chem. 1999, 589, 75–84. „ [5] Jenišová, A.: Bakalářská práce, PřF UK, Praha 2004.

Lucie Zemanová Gymnázium Arabská [email protected]

Vliv různých forem chronické hypoxie na tělesný růst, hematokrit a myokard laboratorního potkana Fyziologický ústav AV ČR, v. v. i. školitel: RNDr. Jan Neckář, Ph.D.

Ischemická choroba srdeční je civilizačním onemocněním, které začalo výrazně postihovat populaci ve 2. polovině 20. století. Dnes je prvořadým zdravotním problémem nejen obyvatelstva České Republiky. V našem státě je příčinou téměř jedné čtvrtiny úmrtí a další čtvrtině obyvatel život ztěžuje. Proto si myslím, že ač výzkum v této oblasti v poslední době velmi postoupil, je třeba se touto chorobou dále zabývat, nacházet možnosti její léčby a prevence a zkoumat vlivy, které na myokard působí jak škodlivě, tak protektivně. Jednou z možností, jak ochránit srdce před vznikem a důsledky infarktu myokardu, může být chronická hypoxie. Výzkumy z 50. a 60. let minulého století prokázaly, že lidé žijící ve vysokých nadmořských výškách Jižní Ameriky mají snížený výskyt akutních ischemických srdečních příhod. Toto zjištění vedlo k řadě studií, které prokázaly ochranný účinek chronické hypoxie na myokard experimentálně. V počátku 70. let pak byl zjištěno, že nejen

permanentní chronická hypoxie, ale i její intermitentní forma navodí kardioprotekci (Neckář 2005). Hypoxií rozumíme nerovnováhu mezi dodávkou kyslíku a požadavky tkáně. Jinými slovy to znamená, že organizmus má nižší přísun kyslíku (dochází ke snížení parciálního tlaku O2 v arteriální krvi), než na jaký je zvyklý. Chronickou hypoxií je pak myšlena situace, kdy je tomuto stavu organizmus vystaven dlouhodobě a je nucen se na něj adaptovat. Chronicky hypoxických podmínek lze dosáhnout několika způsoby, nejrozšířenějším je tzv. systémová hypoxie. Její přirozenou formou je buď adaptace na vysokohorské prostředí (výšková hypoxie), nebo fetální oběh, u kterého zásobení kyslíkem odpovídá hypoxii v nadmořské výšce cca 8000 m. Experimentálně můžeme systémové hypoxie dosáhnout umístěním laboratorních zvířat do hypoxické komory. Snížení parciálního tlaku kyslíku je dosaženo buď odčerpáním části vzduchu (hypobarická hypoxie), nebo změnou složení plynů (normobarická hypoxie). Adaptace v hypobarické hypoxické komoře svým nízkým atmosférickým tlakem simuluje pobyt ve vysoké nadmořské výšce, takže ji lze považovat za experimentální model výškové hypoxie. K rozvoji změn stačí i každodenní několikahodinová hypoxická expozice (intermitentní chronická hypoxie; Ošťádal a Kolář 1988). Při adaptaci na chronickou hypoxii proběhne řada fyziologických a metabolických změn, např. stimulace tvorby červených krvinek a následný vzestup hematokritu. Tyto změny zvyšují toleranci srdečního svalu k ischemii. Bohužel mechanizmus nebyl dosud zcela objasněn. Nic není černobílé, a tak vyvolává chronická hypoxie také negativní změny, mezi které patří vznik hypoxické plicní hypertenze nebo hypertrofie pravé komory srdeční. Cílem mé práce bylo zjistit, jak ovlivní adaptace na permanentní normobarickou hypoxii tělesný růst laboratorního potkana, velikost jeho srdce a hodnoty hematokritu, a porovnat, jak se změní sledované parametry u různých formem intermitentní chronické hypoxie (normobarická a hypobarická) a zda může hrát roli omezení přístupu k potravě a pití v průběhu dne. Laboratorní potkany jsme adaptovali na hypoxické podmínky s využitím dvou typů hypoxických komor, hypobarické a normobarické. V našich pokusech byla zvolena míra hypoxie 10 % O2, která odpovídá nadmořské výšce 5 500 metrů. Pokusy byly prováděny na pěti skupinách zvířat v průběhu 60 dní. Kontrolní potkani byli chováni po celou dobu v normoxických podmínkách. Skupina PNH byla vystavena permanentní normobarické hypoxii, tj. setrvávala v hypoxii po celou dobu experimentu. Další tři skupiny byly vystaveny intermitentním formám hypoxie (8 h denně 5 dní v týdnu). V případě sk. IHH se jednalo o hypobarickou hypoxii, sk. INH byla adaptována v normobarické komoře a sk. INH+J byla

také adaptována v normobarické komoře, ale navíc měla přístup k potravě a pití v průběhu osmihodinové hypoxické expozice. Minimálně jednou týdně byl každý jedinec zvážen a byla mu odebrána krev z ocasu do kapilár a po centrifugaci byl stanoven hematokrit. Po ukončení adaptace byl zjišťován vliv různých forem chronické hypoxie na velikost myokardu. Potkani byli usmrceni vysokou dávkou anestetika, srdce bylo vyjmuto z hrudníku, propláchnuto fyziologickým roztokem a rozděleno na septum, levou a pravou komoru. Tři části myokardu byly zváženy a zaznamenány jejich hmotnosti. Výsledky projektu ukázaly řadu zajímavých a nových objevů poukazujících na rozdílný vliv různých forem chronické hypoxie na kardiovaskulární systém. U skupin PNH a IHH jsme zjistili významné zpomalení tělesného růstu oproti normoxickým kontrolám (pokles tělesné hmotnosti o 10 a 16 %), což ale nebylo zjištěno u skupin adaptovaných intermitentně v normobarické komoře (INH, INH+J). U všech hypoxických skupin jsme zaznamenali zvýšení hladiny hematokritu, které dosahovalo u potkanů adaptovaných v normobarické komoře (PNH, INH, INH+J) nárůstu o 20 % v porovnání s normoxickými zvířaty. Intermitentní hypobarická hypoxie (IHH) způsobila dvojnásobný vzestup tohoto parametru (40 %). Konečně všechny formy hypoxie vedly k hypertrofii pravé komory, což jsme zjistili stanovením její relativní hmotnosti k hmotnosti těla. K mnohem výraznějšímu hypertrofickému růstu došlo u skupin PNH a IHH. Porovnání skupin INH a INH+J dále ukázalo, že 8 h denně bez pití a potravy nemá u potkanů zásadní vliv na adaptační změny vyvolané chronickou hypoxií. Analýzou odborné literatury jsme zjistili, že srovnáním vlivu normobarické a hypobarické hypoxie byla dosud věnována velmi malá pozornost a když, tak pouze v souvislosti s akutními fyziologickými účinky hypoxie. O to víc jsou dosažené výsledky u dlouhodobě adaptovaných potkanů cenné. O „specifickém vlivu hypobarické hypoxie“ na kardiovaskulární systém, který se projevuje prohloubením adaptačních změn, se zmiňuje Savourey a kol. (2003), který sledoval akutní efekt obou forem hypoxie na saturaci krve kyslíkem a dýchací parametry u lidí. Podobně hypobarická hypoxie vedla k častějšímu výskytu experimentálně navozené horské nemoci (komplex příznaků vyskytujících se u lidí ve velkých výškách, způsobených nedostatkem kyslíku a nedostatečnou aklimatizací) v porovnání s jedinci testovanými v normobarické hypoxické komoře (Roach a kol. 1996). Stanovení hmotností jednotlivých částí srdcí potkanů také ukázalo, že intermitentní hypobarická hypoxie má největší vliv na adaptaci myokardu k hypoxii. Zdá se tedy, že opakovaný hypoxický stres (intermitentní hypoxie) spojený s hypobarií mohou být faktory,

které se společně podílejí na rozvoji systémové hypertenze pro organismus škodlivé (Semenza 2006). Rozvoj negativních důsledků adaptace na chronickou hypoxii pak může zásadně ovlivnit její pozitivní působení, kardioprotektivní účinek (Kolář a Ošťádal 2004).

LITERATURA „ [1] Kolář, F., Ošťádal, B.: Physiol Res 53(Suppl 1):S3-13, 2004. „ [2] Neckář, J., Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy v Praze, 2005. „ [3] Ošťádal, B., Kolář, F.: Čs Fyziol 37: 15-32, 1988. „ [4] Roach, R. C., Loeppky, J. A. , Icenogle, M. V.: J Appl Physiol 81: 1908-1910, 1996. „ [5] Savourey, G., launay J-C, Bernard, Y., Guinet, A., Travers, S.: Eur J Appl Physiol 89: „ 122-126, 2003. „ [6] Semenza, G. L.: Exp Physiol 91: 803-806, 2006.

Hlavní partner projektu Otevřená věda:

Akademie věd ČR Partneři projektu Otevřená věda:

Přírodovědecká fakulta UK Fakulta elektrotechnická ČVUT Česká společnost pro biochemi i a molekulární biologi i Krátký film Praha a. s.

Mediální partneři projektu Otevřená věda:

Redakce: Andrea Nová a Anna Martinková, 2007 Design © Dana Martinková, 2007