Katedra jadrovej fyziky a biofyziky na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave (FMFI UK) je pracoviskom, ktoré sa zaoberá výskumom a vzdelávaním v dvoch hlavných oblastiach: jadrová fyzika a biofyzika.
Oblasť jadrovej a subjadrovej fyziky
Oddelenie jadrovej fyziky sa zameriava na dve hlavné témy prostredníctvom dvoch vedeckých tímov. Jeden z tímov sa zaoberá štúdiom štruktúry ťažkých exotických jadier.
Tento tím spolupracoval na mnohých úspešných experimentoch zameraných na produkciu nových super-ťažkých chemických prvkov, ako sú prvky darmstadtium (Z=110), roentgenium (Z=111) a kopernicium (Z=112) a nových izotopov.
Vďaka progresu vo vývoji experimentálnej techniky je možné aktuálne realizovať aj detailné štúdium vlastností a rozpadu exotických izotopov ďaleko od oblasti stability. Tento výskum využíva najmä metódy rozpadovej spektroskopie pomocou merania rádioaktívnych premien ako je alfa rozpad, beta premena, alebo štiepenie jadier.
V prípade syntézy nových izotopov sú často unikátnym výsledkom aj základné informácie o ich rádioaktívnom rozpade. V mnohých prípadoch však môžeme získať nové informácie o dlhožijúcich izomérnych stavoch, zriedkavých spôsoboch rozpadov ťažkých jadier, ako napr. proces oneskoreného štiepenia po beta premene, či emisie protónov.
Prostredníctvom syntézy nových izotopov získavame taktiež cenné informácie o mechanizme reakcií ťažkých jadier.
Oddelenie spolupracuje s viacerými zahraničnými univerzitami na príprave a realizácii meraní v špičkových inštitútoch ako napr. experiment SHIP v GSI Darmstadt (Nemecko), experiment AGFA v Argonne National Laboratory (USA) a pripravovaný experiment S3 v inštitúte GANIL vo Francúzsku.
Špecifickým experimentálnym smerom je taktiež využitie rádioaktívnych zväzkov na štúdium štruktúry jadier na experimente ISOLDE v inštitúte CERN (Švajčiarsko) kde sa merania zameriavajú najmä na štúdium jadier v okolí olova. Táto oblasť je známa prítomnosťou mnohých fenoménov jadrovej fyziky, ako napr. koexistencia tvarov s rôznou deformáciou a náhle zmeny tvarov atómových jadier.
Druhý tím na oddelení sa zaoberá výskumom hmoty od úrovne jadier až po galaxie pomocou neutrín. Cieľom výskumu je štúdium neutrín a ich základných vlastností.
Jedným z hlavných problémov súčasnej fyziky neutrín je problém ich majoranovskej, resp. dirakovskej (neutrína majú svoju antičasticu) podstaty. Väčšina Teórií veľkého zjednotenia fundamentálnych interakcií vyžaduje, aby neutrína boli majoranovskými časticami. Experimentálne by sa to potvrdilo pozorovaním bezneutrínovej beta premeny jadier.
Experiment SuperNEMO, budovaný v podzemnom laboratóriu Fréjus v Modane vo Francúzsku sa zameriava na hľadanie tohto procesu. Hlavný cieľ je meranie energií a uhlov elektrónov v dvojitom beta rozpade jadier.
Fenomén neutrínových oscilácií predpovedal taliansky fyzik Bruno Pontecorvo v roku 1957. Na základe ďalších objavov vo fyzike elementárnych častíc bol formalizmus neutrínových oscilácií, transformovaný do súčasnej podoby a interpretuje sa ako periodická zmena 3 identít-aróm neutrín pri šírení priestorom.
Neutrínové oscilácie sú kvantovomechanický jav vyžadujúce, aby neutrína vstupujúce do interakcie bez definovanej hmotnosti (elektrónové, miónové a tau neutrína), boli lineárnou kombináciou iných troch neutrín s definovanou hmotnosťou.
Parametre zmiešavania neutrín ako aj rozdiely ich hmotností sú predmetom skúmania experimentu JUNO, ktorý je budovaný v Jiangmen v Číne.
Pozorovanie vysokoenergetrických neutrín z vesmíru môže objasniť pôvod kozmického žiarenia veľmi veľkých energií - miliónkrát väčších dosiahnutých na urýchľovači LHC v CERNe. Nie je pritom známy pôvod a mechanizmy ich urýchlenia.
Neutrínová astronómia chce zistiť zdroje tohto žiarenia, ako aj lokalizovať zdroje neutrín z priestoru mimo našej galaxie. Príkladom sú zrážky čiernych dier, neutrónových hviezd alebo galaxií.
Výhodou je, že neutríno sa pri lete vesmírom neodkláňa ako napríklad nabité častice. Za týmto účelom sa budujú neutrínové teleskopy ako KM3NeT a Baikal-GVD.
V oblasti subjadrovej fyziky sa katedra orientuje na výskum protón-protónových zrážok, protón-jadrových a jadro-jadrových zrážok pri vysokých energiách na urýchľovači LHC v CERNe.
Tu sa zameriava hlavne na:
- štúdium hlboko-nepružných procesov spojených s fyzikou ťažkých kvarkov (experiment ATLAS),
- tzv. mäkkú hadrónovú fyziku zameranú predovšetkým na procesy s vysokou početnosťou a Bose-Einsteinove korelácie, ktorá je zameraná na otázky uväznenia kvarkov (ATLAS),
- štúdium jadro-jadrových (ako aj protón-jadrových) zrážok, ktoré je zamerané na skúmanie nových stavov jadrovej hmoty tzv. kvarkovo-gluónovej plazmy.
Absolvent magisterského štúdia je schopný vykonávať profesiu jadrový a subjadrový fyzik (nuclear and subnuclear physicist).
Absolvent získa nasledovné najdôležitejšie vedomosti, schopnosti a zručnosti:
- získa ucelené úplné druhostupňové vysokoškolské vzdelanie v odbore fyzika,
- nadobudne hlboké teoretické poznatky z jadrovej, subjadrovej a aplikovanej jadrovej fyziky,
- ovláda experimentálne metódy jadrovej a subjadrovej fyziky,
- je schopný samostatne riešiť náročné teoretické problémy na báze zodpovedajúcich matematických metód a vytvárať teoretické modely, popisujúce najrôznejšie fyzikálne procesy,
- vie kvalifikovane obsluhovať rôzne meracie systémy a technologické zariadenia, navrhovať experiment a experimentálne zariadenia, vyhodnocovať a interpretovať výsledky experimentálnych meraní,
- je schopný navrhovať a realizovať počítačové simulácie fyzikálnych procesov,
- získané fyzikálne poznatky a experimentálne zručnosti je schopný aplikovať do rôznych oblastí fyzikálneho výskumu a spoločenskej praxe,
- má schopnosť komunikovať s odborníkmi z iných oblastí vedy a techniky,
- bude ovládať aspoň jeden vyšší programovací jazyk, základy informačných a komunikačných technológií, štatistického spracovania dát, tabuľkových procesorov, spracovanie textov a grafickej prezentácie výsledkov,
- je schopný komunikovať aspoň v jednom cudzom jazyku, s využitím domácej a zahraničnej literatúry je schopný navrhovať riešenia fyzikálnych problémov, publikovať a inými spôsobmi prezentovať výsledky odbornej činnosti,
- je schopný samostatne sa učiť, využívať dostupné informačné zdroje a dbať na permanentné vzdelávanie,
- je schopný šíriť fyzikálne poznatky na zrozumiteľnej úrovni medzi laickou verejnosťou.
Všetky predchádzajúce vedomosti, schopnosti a zručnosti sú budované a rozširované s dôrazom na humanitu, rešpektovanie ľudských práv, etiku správania sa vedca a so zreteľom na ekonomické a spoločenské súvislosti.
Študijný plán sa skladá z povinných, povinne voliteľných a výberových predmetov. Medzi povinné sú zaradené základné predmety, ktoré tvoria jadro študijného programu a profilujú absolventa, ktoré sú potrebné pre zvládnutie oboch blokov. Povinne voliteľné predmety sú zamerané na prehĺbenie vedomostí nadobudnutých absolvovaním povinných predmetov, pričom tieto predmety sú spoločné pre viac blokov.
Voliteľné predmety sú naviazané na tri bloky študijného programu:
- Jadrová a neutrínová fyzika
- Aplikovaná jadrová fyzika
- Subjadrová fyzika
ktoré určujú stanovený profil absolventa. Výberové predmety obohacujú štruktúru a univerzatilitu študijného programu.
Za povinné predmety musí študent získať 68 kreditov. Za obhajobu diplomovej práce a Štátnu záverečnú skúšku musí študent získať 22 kreditov. Za povinne voliteľné predmety musí získať aspoň 13 kreditov, čo znamená, že v súčte povinné a povinne voliteľné predmety musí študent získať aspoň 103 kreditov. Zvyšné kredity môže získať absolvovaním výberových predmetov z ponuky.
Po absolvovaní študijného programu Jadrová a subjadrová fyzika jeho absolventi nemajú problémy s uplatnením sa v odbore, alebo s využitím nadobudnutého vzdelania v širokom spektre príbuzných odborov (skúsenosti s umiestňovaním absolventov dosiaľ fungujúceho magisterského študijného zamerania).
Absolventi tohto štúdia majú veľmi dobré predpoklady na pokračovanie v doktorandskom štúdiu v študijných programoch jadrová a subjadrová fyziky, teoretická fyzika alebo environmentálny fyzika na Slovensku, ale aj v zahraničí.
Absolventi, ktorí nepokračujú vo vzdelávaní na vyššom stupni majú uplatnenie predovšetkým v oblasti spektrometrie a monitoringu rádioaktívneho žiarenia v životnom prostredí alebo v okolí rádioaktívnych zdrojov ako samostatní odborní pracovníci.
Ďalej majú uplatnenie ako radiační fyzici v rôznych medicínskych zariadeniach pri diagnostike a rádioterapii.
Takisto sú pripravení na výkon funkcie odborných referentov so zameraním na kontrolu rádioaktivity, kontrolu dodržiavania zásad radiačnej ochrany počínajúc úradmi životného prostredia na rôznych stupňoch štátnej správy, úradoch verejného zdravotníctva až po Úrad jadrového dozoru.
Po povinnom zaškolení vychádzajúcom z platnej legislatívy sa taktiež uplatňujú v prevádzke jadrových elektrárni ako operátori a na iných pozíciách.
Vzhľadom na kvalitné vzdelanie v matematike a informačných technológiách sa časť absolventov uplatňuje v pozíciách rôznych analytikov, správcov komplikovaných počítačových systémov a sietí ako aj vývojárov špecializovaného softvéru pre vedecko-technické aplikácie.
Oblasť biofyziky
Biofyzika je interdisciplinárny vedný odbor, ktorý sa študuje na najvýznamnejších univerzitách vo svete. Výnimkou nie je ani Univerzita Komenského (UK).
Na fakulte FMFI UK je štúdium biofyziky možné absolvovať na Katedre jadrovej fyziky a biofyziky, kde oddelenie biofyziky vedie profesor T. Hianik.
Štúdium v odbore Biofyzika poskytuje vedecké vzdelanie potrebné pre samostatnú a tvorivú výskumnú prácu zameranú na aplikáciu fyziky pre štúdium procesov prebiehajúcich v živých organizmoch.
Živý organizmus je komplexným systémom, ktorý disponuje stále veľkým množstvom nezodpovedaných otázok. Aj z tohto dôvodu biofyzika zahŕňa široké spektrum viacerých oblastí štúdia a výskumných aktivít.
Na FMFI UK sa pozornosť biofyzikálneho výskumu upriamuje do oblastí nanotechnológií a vývoja biosenzorov.
Koncept nanotechnológií predstavil v roku 1959 významný fyzik R. Feynman na stretnutí americkej fyzikálnej spoločnosti, na prednáške s názvom „There is a planty room at the bottom“, kde poukázal na priestor a potenciál štúdií manipulácie hmoty na atomárnej úrovni.
Od tejto doby bolo uskutočnených niekoľko revolučných experimentov vo fyzike, v chémii i biológii, ktoré demonštrovali Feynmanove myšlienky.
V súčasnosti sa nanotechnológie považujú za platformu s potenciálom prínosu benefitov do rôznych oblastí života.
Súčasné nanotechnológie umožňujú prípravu rozmanitých nanočastíc - kovových, polymérnych, lipidových a iných. Sú to objekty, ktorých rozmery sa pohybujú v rozmedzí od 1 nm do <1000 nm.
Nanočastice disponujú mnohými unikátnymi vlastnosťami, ktoré vychádzajú práve z ich redukovaných rozmerov.
Výhodou nanočastíc je napríklad vysoký pomer povrchovej plochy k objemu, chemická a geometrická nastaviteľnosť, funkcionalizácia povrchu a ich schopnosť interagovať s biomolekulami na uľahčenie prenosu cez bunkovú membránu.
Tieto vlastnosti môžu byť využité napr. vo farmaceutickom priemysle, pri vývoji diagnostických metód alebo v materiálových vedách.
V biofyzikálnych laboratóriách FMFI UK pracujeme s rôznymi typmi nanočastíc.
K tradičným prenášačom liečiv na báze nanočastíc patria lipozómy.
Lipozómy sú sférické vezikuly pozostávajúce z lipidovej dvojvrstvy, ktorá môže mať rôzne lipidové zloženie. Do lipozómov je možné zabudovať (enkapsulovať) liečivo, lipidovú dvojvrstvu stabilizovať napr. polyetylénglykolom a zabezpečiť tak efektívnejší prenos terapeutickej látky do miesta jej účinku.
Ďalším, intenzívne študovaným typom nanočastíc sú dendriméry. Jedná sa o polymérne nanočastice s unikátnou rozvetvenou štruktúrou pripomínajúcou korunu stromu.
Veľkosť dendrimérov závisí od stupňa ich rozvetvenia, nachádza sa v intervale od 1 - 10 nm.
Podobne ako u lipozómov, aj do dendritickej štruktúry je možné zabudovať liek, prípadne jej povrch funkcionalizovať ďalšími molekulami, napr. pre cielené doručenie lieku.
Špecifické cielenie je vysoko žiadúce napr. pri chemoterapii. Výhodou cieleného transportu chemoterapeutickej látky pomocou nanočastíc modifikovanými cieliacimi molekulami je minimalizácia nežiaducich účinkov na zdravé tkanivá.
Dodávání léků na bázi nanočástic v boji proti rakovině
Oblasť vývoja biosenzorov je dôležitá aj z hľadiska zabezpečenia kvality potravín. Kontrola kvality jedla je dôležitou oblasťou monitoringu potravinových produktov s cieľom zabezpečenia vyhovujúcich požiadaviek smerovaných ku konzumentom.
V rámci tohto potravinového balíčka zohráva mlieko a kontrola jeho kvality veľmi dôležitú úlohu.
Oddeleniu biofyziky FMFI UK sa pod vedením prof. Tibora Hianika podarilo vytvoriť konzorcium, ktoré bolo úspešné v získaní významného grantu Európskej únie v programe Marie Sklodowska Curie Action (MSCA) - Research and Innovation Staff Exchange (RISE) v rámci výzvy H2020-MSCA-RISE-2015.
Do projektu s názvom: Inovatívne technológie v detekcii enzymatickej kvality mlieka (FORMILK), ktorého riešenie začalo v roku 2016 je zapojených celkom 6 výskumných inštitúcií a 4 firmy zo Slovenska, Maďarska, Írska, Kanady a USA.
Koordinátorom projektu je prof. Tibor Hianik.
Hlavným cieľom projektu je vývoj nových metód analýzy aktivity mliečnych enzýmov, takých ako plazmín a laktáza.
V posledných rokoch vo svete značne pokročil aj výskum v oblasti génovej terapie. Jej hlavné nedostatky sú spojené s malou efektívnosťou transfekcie buniek.
Prof. Langmuir-Blodgettovej vanička (KSV NIMA KN 1003) je zariadenie, ktoré sa používa na formovanie a kompresiu monovrstiev na povrchu danej subfázy a na meranie povrchových javov v dôsledku tejto kompresie.
Umožňuje monitorovať intermolekulárne interakcie v dvojdimenzionálnom molekulárnom systéme a tak poskytnúť prehľad o termodynamike prieniku častice do lipidového prostredia, resp. permeabilitu cez bunkové membrány, ako aj o vplyve na štrukturálne a elastické vlastnosti lipidovej monovrstvy.
Zetasizer NANO ZS90 je zariadenie na meranie veľkosti častíc pod 90 stupňov uhlu rozptylu pomocou Dynamického rozptylu svetla (DLS). Taktiež umožnuje merať zeta potenciál pomocou Laserovej Dopplerovej Mikroeletroforézy.
Veľkosť a náboj častíc patria faktorom, ktoré sú dôležité pre skúmanie pri vývoji systémov na prenos liečiv nanočasticami.
Tieto parametre sú zodpovedné za celý rad biologických účinkov, ako je bunková absorpcia a toxicita.
Hydrodynamická veľkosť závisí od hmotnosti aj tvaru (konformácie).
DLS je obzvlášť dobrá technika pri snímaní prítomnosti veľmi malých množstiev agregátov.
Techniku je možné použiť na štúdium vlastností bunkových membrán, zmien ich biochemickej kompozície a ich interakcie s membránotropnými polymérmi za rôznych podmienok.
Čítačka mikrodoštičiek (Tecan Spark 10M) je prístroj na čítanie absorbancie, fluorescencie a luminiscencie s možnosťou využitia napr. pri štúdiu bunkovej proliferácie a cytotoxicity skúmaných látok v rôznych bunkových líniách.
Prístroj s kombináciou testu toxicity Alamar Blue je užitočný na stanovenie životaschopnosti buniek.
Test Alamar Blue je založený na redukcii slabo fluorescenčného rezazurínu, ktorý vedie k vysoko fluorescenčnému resorufínu ako indikátora životaschopnosti.
Intenzita fluorescencie je úmerná živým bunkám.
Spektrofotometer UV-VIS, fluorimeter Agilent Cary 5000 a FTIR spektrometer Shimadzu Prestige sú štandardné analytické prístroje na identifikáciu zložiek zmesi a charakterizáciu optických vlastností biologických vzoriek na základe absorpcie, rozptylu a emisie svetla.
Oddelenie biofyziky taktiež disponuje vektorovými analyzátormi Agilent, Sark 110 a potenciostatmi Autolab a CH Instruments, ktoré umožňujú štúdium afinitných interakcií na povrchoch pomocou akustických a elektrochemických metód.
| Pozícia | Meno a priezvisko | Kontakt |
|---|---|---|
| Vedúci katedry | prof. RNDr. Jozef Masarik, DrSc. | F1 374 456 |
| Zástupkyňa vedúceho katedry | prof. RNDr. Iveta Waczulíková, PhD. | F1 230 626 |
| Tajomník katedry | Ing. RNDr. Milan Melicherčík, PhD. | F1 228 381 |
| Vedúci oddelenia jadrovej fyziky | doc. Mgr. Stanislav Antalic, PhD. | F1 270 453 |
| Vedúca oddelenia biofyziky | prof. RNDr. Melánia Babincová, DrSc. | F1 226 685 |
tags: #fmfi #katedra #jadrovej #fyziky
