Fagligt indhold
Bløde materialer er materialer, som nemt kan deformeres uden at øge temperaturen. Eksempler er væsker, geler, polymerer og strukturer lavet af biomolekyler. Levende organismer er karakteriseret ved, at de konstant kan ændre form og struktur, fordi de er opbygget af bløde materialer. Biofysik er et videnskabeligt område, som bruger fysikkens redskaber til at studere biologiske processer. Biofysik benytter i høj grad vores viden om bløde materialer til at forstå biologiske processer. De fysiske principper bag mange biologiske processer på celleniveau er stadig ikke forstået, så der venter spændende opgaver for fremtidens biofysikere.
Dette forløb indeholder tilbud om 2 øvelser, der giver et godt indblik i biofysikkens fundamentale redskaber, eksemplificeret ved diffusion og væskers fysik.
Øvelse 1: Brownsk bevægelse
Diffusion er en af vigtigste fysiske mekanismer til transport af molekyler over korte afstande, eksempelvis i celler. Diffusion skyldes grundlæggende, at molekyler bevæger sig tilfældigt på grund af deres temperatur.
I denne øvelse bruger du et mikroskop til at filme den tilfældige ’Brownske’ bevægelse af en lille plastickugle i vand som en illustration af den molekylære mekanisme for diffusion.
I vandet bevæger vandmolekyler sig tilfældigt med stor hastighed og kolliderer hele tiden med hinanden og med overfladen af plastickuglen. Men kollisionerne med kuglen er aldrig helt symmetrisk fordelt, hvilket resulterer i, at kuglen også bevæger sig tilfældigt, dog meget langsommere end vandmolekylerne. Einsteins teori for Brownsk bevægelse fra 1905 beskriver statistikken for en kugles bevægelse ('diffusion’) i væsker og kobler bl.a. bevægelsen sammen med kuglens størrelse og væskens viskositet
I øvelsen optager du en kort film af plastickuglens tilfældige bevægelse i vandet. Kuglens præcise bane bestemmes efterfølgende med billedanalyse i en computer og vi undersøger statistikken for kuglens skridt. Ved hjælp af Einsteins teori kan vi bruge analysen til at beregne størrelsen af kuglen.
Øvelse 2: Væskers fysik
Den flydende tilstand er en af de tre konventionelle tilstandsformer af stoffer. De fysiske egenskaber af væsker bestemmer i høj grad, hvordan processer i levende celler foregår, og væskers fysik er også relevant for mange teknologiske anvendelser.
Eksempler på væskers fysiske egenskaber er eksempelvis deres densitet, viskositet, overfladespænding, grænsefladespænding til andre væsker (fx olie) og væskers kontakt til faste stoffers overflader, også kaldet kontaktvinklen.
I denne øvelse undersøger du udvalgte fysiske egenskaber af væsker. Overfladespændingen for en væske kan betragtes som en kraft i væskeoverfladen, der altid forsøger at minimere overfladearealet. I øvelsen måles overfladespænding ved at betragte formen af en ’pæreformet’ hængende dråbe, som er deformeret af tyngdekraften.
I øvelsen måles også viskositet, som er en egenskab, der fortæller, hvor meget væsken deformeres, når den udsættes for kræfter. Vi kan måle viskositet ved at måle hvor hurtigt, små metalkugler falder gennem en væske. Viskositet har i naturen afgørende betydning for diffusion og Brownsk bevægelse.
Endelig vil vi måle væskers kontakt til overflader ved at måle den såkaldte kontaktvinkel mellem væskedråbe og en fast overflade.
Praktiske detaljer
Eleverne får sparring med forskeren bag forløbet, hvilket foregår samtidig med et besøg på SDU eller alternativt online via Zoom.
Mød Forskeren bag projektet
Adam Cohen Simonsen, lektor i eksperimentel biologisk fysik
Fysik er et sæt redskaber og love til at beskrive naturen på det mest fundamentale niveau. Men fysikkens love gælder indenfor alle områder af naturen; også indenfor områder, som normalt betragtes som tilhørende andre videnskaber som f.eks. biologi eller materialevidenskab.
I vores forskningsgruppe anvender vi metoder og teknikker fra fysikken til at beskrive og karakterisere biologiske systemer og bløde materialer. Vi arbejder primært med avanceret mikroskopi og billedanalyse af mikroskopi-billeder, eksperimentelle modelsystemer (f.eks. studier af kunstige membraner og geler og teoretiske modeller for biologiske processer).
Biologiske systemer er grundlæggende opbygget af fire typer molekyler, nemlig proteiner, fedtstoffer, DNA og kulhydrater. Disse stoffer vekselvirker med hinanden via fysiske kræfter og danner komplekse selvsamlede strukturer, som udgør fundamentet for liv på det molekylære niveau. Ved at forstå fysikken bag biologiske strukturer og processer kan vi for eksempel komme nærmere mekanismer for, hvordan sygdomme opstår, og hvordan de kan behandles.
Biologisk fysik trækker på en lang række grundlæggende discipliner i fysik f.eks. mekanik, termodynamik og statistisk fysik. Vi arbejder med en lang række metoder, bl.a. udvikling og modificering af mikroskopiske teknikker, fremstilling af kunstige efterligninger af levende systemer og udvikling af algoritmer til billedanalyse.
En forudsætning for liv på celleniveau er indkapslingen af biologiske processer i en mikroskopisk beholder (celle). Desuden er cellers indre organiseret som en række organeller der varetager specialiserede funktioner i cellen. Afgrænsningen af celler og organeller sker alle ved hjælp af membraner, som basalt set er opbygget som et dobbeltlag af fedtmolekyler, der spontant selvsamler i vand. Biologiske membraner varetager livsvigtige funktioner i celler, herunder transport og regulering cellens sammensætning. Biofysikere bruger fysikkens metoder og begreber til at forstå detaljerne bag biologiske processer.
Jeg vil give en introduktion membraners fascinerende fysik og som eksempel beskrive, hvordan celler selv kan ’lappe’ huller i membranen efter en skade. Ved at kombinere studier af levende celler, kunstige modelmembraner og teori prøver vi at kommer tættere på den mekanisme, celler benytter til reparation af membraner.