KVANT

Polymerer består af lange, kædeformede molekyler opbygget af et stort antal mindre molekyler, monomerer. Polymerer kan fremstilles, så de spontant selv-organiserer i domæner, der danner ordnede krystal-lignende strukturer med gitterlængde i nanometer-området. Småvinkel neutronspredning er blandt de væsentligste teknikker, som anvendes til at studere og forstå disse materialer.

Småvinkelspredning af røntgen- (SAXS) og neutronstråling (SANS) er blandt de væsentligste teknikker til eksperimentelle strukturelle studier af bløde materialer, såsom polymerer, biomolekyler og kolloider. De typiske dimensioner, som kan undersøges med SAXS og SANS er fra 10 til 1000 Å, det vil sige indenfor nanometer skalaområdet. SAXS og SANS kan derimod ikke give information på atomar længdeskala.

Hvis medicin kunne indgives kontrolleret i de organer, hvor der er brug for den, og på en måde så den ikke samtidig bliver spredt ud i de raske organer, ville det være muligt at behandle en lang række sygdomme bedre og med færre bivirkninger. Der eksisterer f.eks. adskillige cellegifte, som har stort potentiale i forhold til kræftbehandling, men som man ikke tør bruge i praksis, fordi de har for store bivirkninger i de raske organer. Der forskes derfor intensivt i såkaldte "drug delivery" systemer. Det ideelle drug delivery system kan for eksempel være en lille kapsel, der holder medicinen indkapslet, så længe kapslen bevæger sig rundt i blodbanerne, og først lukker medicinen ud når den er kommet hen til den del af kroppen, hvor den skal virke. Denne artikel beskriver, hvordan en kombination af neutron- og røntgenstråling kan benyttes, når sådanne partikler skal udvikles.

"Olie er vandafvisende": de farverige overflader på vandpytter, giver synligt bevis for dette dagligdags fænomen. På samme måde kan stråler af neutroner, i stedet for lysstråler, bruges til at undersøge egenskaberne af meget tynde overfladelag. I det følgende vil vi fortælle om princippet ved neutronrefleksioner, og give eksempler på deres anvendelse.

Vandrensning og specielt fremstillingen af ultrarent vand er et hastigt voksende område af forskningen indenfor miljøvenlig og bæredygtig udvikling. Den kombinerede effekt af svindende drikkevandsressourcer og et stærkt stigende behov for ultrarent vand til fremstilling af nanoteknologiske produkter gør at vi står overfor store teknologiske udfordringer i produktionen af rent vand på en så effektiv og energibesparende måde som muligt. Imidlertid har naturen selv et elegant bud på hvordan vand renses effektivt. Her belyses hvordan vi kan lade os inspirere af naturens vandrensning til at udvikle en ny og mere effektiv vandrensningsteknologi.

I fortsættelse af 'Den gode stemning I' fra KVANT, december 2009, gennemgås træk af ørets fysik og sammenhængen med vores opfattelse af toner og harmonier. Musikalitet beror bl.a. på ørets evne til at Fourieropløse klange, men ny indsigt kan også opnås gennem forståelsen af den harmoniske forvrængning, som finder sted i mellemøret. Dette vil jeg underbygge med beskrivelser af simple, mindre kendte forsøg, der er lette at udføre.

Vi ved alle, at en papirvifte, der viftes fra side til side, fremkalder en luftstrøm. Men hvordan dannes egentligt denne strømning? Hvordan ser den ud? Går strømningen altid 'udad' eller kan der opstå et sug? Det var spørgsmål som disse, der motiverede et eksperiment i vores laboratorium, hvor en af os (TS) lavede sit ph.d.-projekt om hvirveldannelse [1].

European Spallation Source (ESS) bliver en fælles-Europæisk forskningsfacilitet til undersøgelse af materialer ved hjælp af spredning af langsomme neutroner. Den vil blive meget (10-100 gange) mere effektiv end tilsvarende anlæg i Europa, Japan (J-PARC) og USA (SNS). Den vil derfor blive verdens førende neutronfacilitet, som kan ventes brugt af 2000-4000 forskere hvert år inden for mange discipliner af teknik og naturvidenskab. En tegning af ESS faciliteten er vist på Figur 1.

I denne artikel vil vi skitsere modellering og fysik knyttet til især biomolekyler, og hvordan disse sammen kan fungere som en levende celle. Vi skal kort gennemgå nogle grundlæggende begreber i levende systemer, med fokus på hvad der gør biologiske systemer så forskellige fra de systemer man normalt undersøger i fysik.

I denne artikel diskuteres nogle grundlæggende spørgsmål, som uundgåeligt opstår i vores forsøg på at forstå, hvad liv er. Det er overraskende, at disse forsøg konfronterer os med både grundlagsproblemer i fysik og med filosofiske spørgsmål om definition af virkeligheden.

Vi vil skitsere nogle principper og resultater i et omfattende projekt, der prøver at undersøge sammenhænge mellem muligheden for liv, som vi kender det, og fysikkens naturlove, som vi kan forestille os dem.

Inden i vores kroppe opererer de såkaldte molekylære motorer langt fra termodynamisk ligevægt, hvor deres opførsel på grund af deres lille størrelse ultimativt er bestemt af termiske fluktuationer. Helt ny fysik er nødvendig for i detaljer at studere energiprocesser i disse små biologiske maskiner.

Vi er omgivet af netværk. Vores sociale forbindelse danner forskellige netværk: netværk af venner, kolleger, familier, eller seksuelle partnere. Vi kommunikerer via et væld af teknologiske netværk: vi kan ringe til hinanden, sende emails, skrive til hinanden via Facebook, eller sende Snaps. Infrastruktur-netværk leverer el, vand og varme til vores hjem, mens vi bevæger os på transportnetværk som fx motorveje, busser, toge, eller fly. Vores biologi er også reguleret af netværk – fx regulerer vores gener hinanden i et komplekst netværk - så når et menneske får kræft, kan det skyldes en ubalance i gen-regulations netværket. Givet den centrale rolle som netværk spiller henover hele vores verden, er forståelsen og en matematisk beskrivelse af netværk en af det 21. århundredes vigtigste intellektuelle og videnskabelige udfordringer.

I dette temanummer af KVANT sættes der fokus på fysikkens anvendelser i sundhedssektoren. KVANT har i samarbejde med ''Dansk Selskab for Medicinsk Fysik'' sammensat en række bidrag fra danske hospitalsfysikere, med eksempler på forskning og anvendelser samt dagbogsnotater, der tilsammen giver et indblik i dette vigtige felt.

Hvad laver en hospitalsfysiker egentlig? Kan man være nørd og arbejde i sundhedssystemet samtidig? Er det sjovt at være hospitalsfysiker? I disse 3 dagbogsartikler - skrevet af tre hospitalsfysikere med meget forskellige grenspecialer (nuklearmedicin, diagnostik og stråleterapi) og fra forskellige dele af Danmark - inviterer vi Jer indenfor i tre meget forskellige verdener.

Strålingsbiologi, eller radiobiologi, er læren om ioniserende strålings vekselvirkning med levende celler eller væv. Faget omfavner såvel sygdomme og forøget sygdomsrisiko forårsaget af stråling, som de fysiske, kemiske og biologiske tilstande der opstår når ioniserende stråling tilfører energi til levende væv. Der er således tale om et vidtspændende område, der forener mange grene af natur- og lægevidenskaben. I denne artikel vil vi koncentrere os om den ioniserende elektromagnetiske stråling, vi anvender til behandling af kræftpatienter.

Absorberet dosis målt i gray er udgangspunktet for at gennemføre en optimal strålebehandling af kræftpatienter. Denne artikel redegør kort for det fysiske grundlag for sådanne målinger samt for forskning og udvikling på en nyt laboratorium for medicinsk dosimetri, som DTU Nutech har oprettet på DTU’s Risø campus ved Roskilde.

Med 850.000 skanninger hvert år i Danmark leverer CT-skannere livsvigtig information i forbindelse med diagnosticering og kontrol af patienter med en bred vifte af forskellige sygdomme. I de senere år er flere og flere specialfunktioner blevet implementeret, hvoraf én af dem er ''Dual-Energy CT'' (DECT). I forhold til en almindelig CT-skanning, kan man med DECT lave materialebestemmelse af kroppens forskellige væv, hvilket kan bruges til fx differentiering af plaktyper i kranspulsårerne.

I 1984 blev den første magnetisk resonans (MR) scanner i Danmark installeret, doneret af Simon Spies. I dag er MR-scanneren et uundværligt diagnostisk apparatur på hospitalerne indenfor et utal af undersøgelser og sygdomme.

I nuklearmedicin anvendes radioaktivt mærkede sporstoffer som administreres til patienten typisk via indsprøjtning i blodåre, alternativt oralt eller via inhalation. Et sporstof, på engelsk kaldet tracer, er i nuklearmedicinsk sammenhæng et radioaktivt nuklid (atomkerne) eller et radioaktivt mærket molekyle der anvendes i så små mængder, at den proces man ønsker at følge/belyse, ikke påvirkes. Grundlæggende udnytter man, at radioaktive og stabile isotoper af samme grundstof har identiske kemiske egenskaber, hvilket muliggør at man, ved at spore radioaktiviteten, kan følge kemiske processer i kroppen. Da man registrerer signaler fra enkeltatomer, kan følsomheden blive meget høj, og de stofmængder og koncentrationer der kan følges, tilsvarende små (pmol).

Dansk Center for Partikelterapi (DCPT) er under etablering ved universitetshospitalet i Aarhus med det formål at kunne tilbyde danske patienter kræftbehandling med protonbestråling. I denne artikel introduceres lidt af den fysik, som gør strålebehandling med partikler attraktivt - men som også gør det til en teknologisk udfordrende disciplin.

Med den nært forestående kommissionering af Dansk Center for Partikelterapi ved Aarhus Universitetshospital, planlagt til oktober 2018, er det relevant med en simpel, men alligevel stort set retvisende, gennemgang af den såkaldte Bragg-kurve og dens top. Som yderligere motivation til en sådan gennemgang er et emne med arbejdstitlen ''Medicinsk fysik'' for tiden under overvejelse til brug for ''fysik i det 21. århundrede'' i gymnasieskolen fra 2018. I denne artikel gives en analytisk tilgang til energitabskurven for protoner op til deres endelige rækkevidde. Formålet er at give en kortfattet og overskuelig gennemgang af en tung, elektrisk ladet partikels indtrængning i stof med særlig vægt på aspekter relevante for partikelterapi.

Kunstig intelligens har få årtiers udvikling bag sig, mens naturlig intelligens har udviklet sig over mange millioner år. Aber, kragefugle og havpattedyr kan synes overraskende intelligente, mens for eksempel insekter, regnorme og bløddyr omvendt umiddelbart virker temmeligt dumme. Men hvor intelligente er ikke-menneskelige dyr egentlig, og hvordan kan vi forstå evolutionen bag deres – og dermed vores – naturlige intelligens og bevidsthed?