Od zrn písku k tekutým krystalům

Počátkem dubna navštívil Prahu prof. Pierre-Gilles de Gennes, jeden z neuznávanějších představitelů teoretické fyziky, nositel Nobelovy ceny z roku 1991 (viz Vesmír 71, 67, 1992/2). Převzal zde mimo jiné čestný doktorát Karlovy univerzity a přednesl přednášku o podstatě chování písku na poušti. P. de Gennes je renomovaný vědec, ale zároveň znamenitý popularizátor. Studoval mimo jiné supravodivost kovů a slitin, kapalné krystaly a polymerní látky. Zajímá ho však také fyzika všedního dne – od cementu a prášků na praní až po zmíněný písek.

Martina Mašková: Pane profesore, získal jste Nobelovu cenu za metody studia materiálů od jednoduchých až po velmi komplikované. Ve své pražské přednášce jste hovořil o fyzice částic. O zrnech, od písku na poušti až po cement a prášky na praní. Proč ve svých přednáškách hovoříte o tak různorodých materiálech společně? V čem vidíte fyzikální pojítko mezi nimi?

Pierre-Gilles de Gennes: Je pravda, že hmota zrn existuje v řadě různých forem, z nichž některé jsou ty, které vyrábíme jako farmaceutické prášky. Jiným typům zrn zase podléháme. Některá z nich se na Zemi objevila nezávisle na nás, třeba právě písek na poušti, a zatím máme daleko k tomu, abychom jim rozuměli. Zrna skladujeme už 2000 let. Vyrábíme hmotu ve formě zrn a uskladňujeme ji. Dnes ji skladujeme v silech, ale dosud dostatečně nechápeme, proč sila čas od času explodují. Přitom to bývají velmi dramatické události.

M. M.: Ráda bych teď zůstala u pouštního písku. Ve vaší přednášce mě zaujalo vysvětlení procesu, jímž se krajina proměňuje v poušť. Jak fyzika tento proces vysvětluje a jak může přispět ke zlepšení stavu přírody v pouštních oblastech?

P. G.: Terén pouště se skládá ze dvou složek. Jednak je tam jíl, tedy jílovitoprachová půdotvorná složka umožňující obdělávání půdy. Jíly vznikají ve sníženinách, kam periodické toky zanášejí jemné naplaveniny. Jílové částečky jsou tak jemné, že když zafouká vítr, zdvihne je třeba 2000 m vysoko, a pak je může odnést i velmi daleko. Půda opouští Afriku, ubírá se směrem k Atlantskému oceánu a v budoucnu bude obohacovat Kanárské ostrovy, možná i povodí Amazonie. To znamená, že v období sucha, kdy se jílový prach zvedá často, ztrácí poušť své bohatství.

Druhým typem pouštních zrnek je písek. Je to složka méně zajímavá, ale zato tvořená většími zrny. Ta se vznesou jen do výšky několika metrů, nanejvýš 10 m vysoko. Horší je, že písek „cestuje“ po zemi. Pohyb písečných dun má pro krajinu vážné důsledky, protože písek zasypává oázy.

M. M.: Co by proti tomu měli lidé dělat? Tedy jaké poznatky nebo doporučení může fyzika nabídnout pro obhospodařování krajiny v pouštních oblastech?

P. G.: Toho, oč se mohou lidé snažit, je mnoho. Chtěl bych se ale zmínit o činnosti, jejímž cílem je zastavit pohyb písečných dun důmyslným vysazováním větrolamů. Musí to být zároveň laciné, protože v těchto zemích, jak víte, nejsou na budování složitých systémů peníze. Chtěl bych vyzdvihnout originální zařízení Bofix, které ve Francii postavil pan Meunier. Použil odpadky, které našel v blízké vsi, například tyčky z plotu, plastové láhve či sáčky. Sestavil z nich malou jednotku, v níž je možné udržovat vláhu. Voda stéká dolů postupně, tudíž se udrží déle a důmyslným způsobem zavlažuje malé stromečky. Je to typický příklad, jak bychom měli myslet.

M. M.: Dovolte mi teď přejít k jiným otázkám, jimž jste věnoval pozornost. Pokud vím, zabýval jste se mimo jiné strukturou látek a studoval jste například elektronové uspořádání molekul v kapalných krystalech. Díváme se na displeje hodinek, na obrazovky počítačů a televizorů. Jejich podstatou jsou kapalné krystaly, které existují v přírodě, ale vyrábějí se také v laboratoři. Na jejich vývoji jste se podílel. Mohl byste se zmínit o podstatě těchto látek i rozvoji celého oboru?

P. G.: Přibližně před sto lety se přišlo na to, že některé kapaliny mají mimořádné optické vlastnosti. Jejich molekuly nejsou orientovány náhodně, ale mohou vést světlo určitým směrem. Tento fakt poprvé objevil rakouský botanik F. Reinitzer. Zjistil tyto vlastnosti u určité složky cholesterolu.

Pak nastalo důležité období, kdy kapalné krystaly zkoumal francouzský fyzik George Fridel. Pracoval se skrovnými prostředky, měl jen mikroskop a neměl peníze, ale podstatu těchto dějů pochopil správně. To bylo ve dvacátých letech našeho století.

Třetí období výzkumu kapalných krystalů nastalo v 70. letech tohoto století, kdy jsme zjistili, že i z velmi tenkého filmu kapalných krystalů je možné vyrobit zobrazovací zařízení, a to právě díky citlivosti krystalů. V okamžiku, kdy se krystalů dotkneme, totiž změní strukturu, a tedy i vzhled. To znamená, že i s velmi malou baterií, kterou máme v hodinkách, je možné vysílat impulzy, jež mění vzhled kapalných krystalů a tím umožňují, že se na displeji objeví například číslice hodin. V baterii je sice velmi málo energie, nicméně vydrží třeba dva roky. A právě tím je tento systém jedinečný. Všechno to ale souvisí s epochou F. Reinitzera, který vlastnosti kapalných krystalů objevil, a také G. Fridela, jenž je interpretoval.

M. M.: A jaký je aktuální stav výzkumu v tomto oboru?

P. G.: Lidé už vynalezli řadu nových typů kapalných krystalů. Nespokojili se s těmi, které se vyskytují v přírodě, ale hodně krystalů už vyrábějí uměle. U počátků výroby stáli například němečtí chemici, dnes se tím zabývají Američané a Francouzi. Jednou jsem takhle stál ve frontě na oběd s kolegou ze Spojených států, který se jmenuje Bob Meyer. V té frontě mi řekl, že má v hlavě nápad na výrobu nového typu kapalných krystalů. Přemýšlel o zajímavé symetrii molekul a napadlo ho, že některé molekuly by chemikové mohli zkonstruovat tak, aby se tím změnily jejich elektrické vlastnosti. Způsob organizace molekul ho napadl v té jídelně (bylo to na Univerzitě Paříž-Jih v Orsay) a o šest měsíců později jsme už měli na stole první feroelektrické kapalné krystaly. Takže vidíte, že to je oblast, kde představivost dosud hraje velkou roli.

M. M.: Pane profesore, když hovoříme o kapalných krystalech, napadá mě, že ačkoliv se zabýváte hlavně fyzikální teorií, stál jste u zrodu řady materiálů, které se dnes vyrábějí průmyslově. Narážím na váš výzkum polymerů. Co si myslíte o spolupráci a propojení vědy s průmyslem, co se vám na tom zdá nejdůležitější?

P. G.: V nějaké formě taková spolupráce existovala vždycky. Většina velkých vědeckých objevů vzešla z praktických problémů. Například termodynamika vznikla díky skutečnosti, že Angličané na konci 18. století vynalezli parní stroj. A když se blížíme k současnosti, chtěl bych se zmínit o zajímavé epoše chemie, kdy Goudier úspěšně vyrobil to, čemu dnes říkáme kaučuk. Zjistil, že má před sebou pozoruhodný produkt, ale vůbec nevěděl, proč se dá tento produkt tak lehce tvarovat a lze u něj dosáhnout tak obrovských deformací. Muselo uplynout ještě 100 let, abychom pochopili, z čeho se kaučuk skládá (že jde o makromolekulární řetězce nebo polymery) a aby proces jeho výroby byl řízený. Tento příklad rád cituji, abych ukázal, že vývoj průmyslu předcházel úvahy vědců. ¹⁾