Rok 2014 ve znamení krystalografie

Není snad člověka, který by neobdivoval krystaly. Asi nejznámější a nejpomíjivější nám nabízí voda, ať už jako sněhové vločky, jinovatku nebo v nejrůznějších podobách ledu. Však taky symetrii krystalů v ledu sledoval už před čtyřmi stoletími Johannes Kepler. Dech se nám tají nad krásou drahokamů a téměř nevnímáme obyčejné krystaly soli. Dávní učenci využívali k prvním popisům krystalů geometrii, než se počátkem 20. století podařilo nahlédnout do struktury hmoty prostřednictvím rentgenových paprsků. A protože na letošní rok připadá sté výročí zásadních objevů v oblasti difrakce rentgenového záření, vyhlásilo ho UNESCO Mezinárodním rokem krystalografie.

Nejen křišťál odráží paprsky

Připomeňme, že neviditelné rentgenové paprsky se při dopadu na krystaly určitým způsobem rozptylují. Vědci objevili, že se tak děje jen v určitých směrech, a to díky pravidelnému uspořádání atomů. Když změřili směry a intenzitu rozptýlených paprsků, dokázali vytvořit trojrozměrný obraz atomové struktury krystalů. Krystaly se tak staly ideálními objekty ke zkoumání struktury hmoty – velmi zjednodušeně jsme se tak dostali k principu krystalografie, díky níž můžeme studovat chemické vazby spojující jednotlivé atomy. Dříve mohli lidé pomocí rentgenové krystalografie zkoumat jen krystaly s pravidelným uspořádáním v pevných látkách, v současnosti už krystalografové umějí připravit krystaly i z biologických materiálů, proteinů či DNA.

Kam se podíváte, všude najdeme krystalografii

Zásluhou počítačových modelů se krystalografická metoda rozšířila do biologie i medicíny. Však také vědci stále zdokonalují přístroje, které generují co nejintenzivnější světlo a rentgenové záření. Dosud jen tušené možnosti přinesly například synchrotrony, které slouží krystalografům v dříve nemyslitelných oborech: geologové analyzují mimozemské materiály, archeologové zjišťují složení a stáří artefaktů, díky nim lze ověřit pravost uměleckých děl. Připomeňme, že se ve světě používají unikátní monochromátory pro synchrotronové záření, které vyvíjejí čeští vědci z Fyzikálního ústavu AV ČR.

Technologický vývoj jde nezadržitelně kupředu, a co se dříve mohlo uskutečnit jen na synchrotronech, stává se dnes laboratorní rutinou. Studenti u nás se v současnosti mohou s krystalografií setkat mimo jiné na Matematicko-fyzikální fakultě UK, kde se věnují tzv. práškové difrakci polykrystalických a nanokrystalických materiálů různých druhů, nebo na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze při studiu zbytkových napětí v materiálech, kdy se měří pnutí v povrchové vrstvě materiálu na základě meziatomové vzdálenosti.

Během stovky let si krystalografie doslova prorazila cestu napříč obory a zřetelně míří do stále složitějších biologických struktur nebo k nanostrukturám.

A cože je zmíněná difrakce?

Světlo se nešíří přímočaře, jak by se nám mohlo zdát. Šíření ovlivňují jeho vlnové vlastnosti podobně jako u šíření zvuku. Na překážkách srovnatelných s jeho vlnovou délkou dochází k ohybu – tj. k difrakci. Šíří se za překážkou i do prostoru, kde „by být nemělo“. Hranice světla a stínu je však neostrá. Když světlo prochází štěrbinou o rozměru srovnatelném s vlnovou délkou světla, zobrazí se za štěrbinou na stínítku světlé a tmavé proužky různé šířky neboli difrakční obrazce, podle toho, jak za štěrbinou dochází k interferenci procházejících „ohnutých“ vln.

Nobelovské souvislosti

Krystalografická společnost www.xray.cz spolu s Matematicko-fyzikální fakultou UK uspořádala letos k oslavě jubilejního roku 23. dubna seminář. Seminář se konal po 102 letech, kdy německý fyzik Max von Laue uskutečnil první zásadní experiment – za objev rozptylu rentgenových paprsků na krystalech obdržel o dva roky později v roce 1914 Nobelovu cenu za fyziku. Dosud nevídaný způsob, jak určovat strukturu chemických vazeb v atomech a „vidět“ do hmoty, přinesl nové možnosti. Není tedy divu, že na krystalografii mají vazbu další tři desítky udělených Nobelových cen.

Věda, která nestárne

Ve světě současných technologií využívají krystalografické metody nejrůznější obory a jejich aplikace rozhodně nezůstávají pouze v teoretické fázi výzkumu. Krystalografie se uplatňuje nejen při navrhování nových materiálů, v technice, farmacii, biologii či lékařství, ale zasahuje i do matematiky, stále častěji se její pomocí analyzují umělecká díla, uplatňuje se v kriminalistice nebo při výzkumu vesmíru.

Krystalografii najdeme u základů všech současných přírodních věd. Naše země má v tomto oboru dlouhou tradici a je skvělé, že mezi nejdůležitější a nejznámější osobnosti československé krystalografie patří i žena – prof. Adéla Kochanovská –, jejíž osobnosti byla věnována jedna z přednášek celodenního svátečního semináře v Akademii věd.

Oproti tradičnímu pojetí se stále více prosazuje biokrystalografie. Nově tak vznikla Česká společnost pro strukturní biologii, která se zabývá strukturou lékařsky a biotechnologicky důležitých enzymů. A tímto směrem jistě zamíří i mnoho dnešních studentů, ať už najdou uplatnění v Ústavu molekulární genetiky, Biotechnologickém ústavu AV ČR, biotechnologickém a biomedicínském centru BIOCEV, na dalších pracovištích v Brně (CEITEC) a Českých Budějovicích nebo jinde.

Odkazy

http://www.mff.cuni.cz/verejnost/konalo-se/2014-01-krystal
http://www.fzu.cz/oddeleni/oddeleni-strukturni-analyzy/research-subjects/krystalografie-proteinu
http://www.gymhol.cz/projekt/fyzika/09_difrakce/09_difrakce.htm
http://fyzikalniolympiada.cz/texty/difrakce.pdf
http://www.iycr2014.org/about/media-kit

Obrázky biologických krystalů lze stáhnout z oficiálních stránek roku krystalografie:
http://www.iycr2014.org/about/media-kit