Krakowskie Konsorcjum Naukowe im. Mariana Smoluchowskiego "Materia-Energia - Przyszłość" (Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH, Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UJ, Wydział Chemii UJ, Instytut Katalizy i Fizykochemii Powierzchni im. Jerzego Habera PAN w Krakowie oraz Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego PAN w Krakowie) weźmie udział w 20 pikniku naukowym organizowanym przez Polskie Radio i Centrum Nauki Kopernik. Piknik odbędzie się w Warszawie dnia 7 maja 2015 r. na stadionie narodowym. Konsorcjum przygotowuje aż 24 bardzo ciekawe pokazy. Poniżej znajdą Państwo ich krótkie opisy.

Hodowle komórkowe 3D i trójwymiarowe modele wątroby wspierające operacje chirurgiczne

Trójwymiarowe hodowle komórkowe

W hodowlach komórkowych na zwykłych, płaskich szkiełkach laboratoryjnych, komórki nie zachowują się naturalnie, dlatego nowoczesne, zaawansowane metody testowania (np. toksyczności) leków wykorzystują trójwymiarowe hodowle. W ramach pokazu przedstawimy prototypowe urządzenia do hodowania komórek w środowisku trójwymiarowym.

Laparoskopowe wycinanie guza z wątroby ma tę podstawą zaletę, że procedura minimalnie narusza ciało pacjenta. Z drugiej strony, nawigowanie wewnątrz pacjenta jest utrudnione, a sam nowotwór nie może być naruszony ze względu na ryzyko powstania przerzutów. Chirurgowi ma pomóc prezentowany przez nas odwzorowany w skali 1 do 1 przeźroczysty model wątroby pacjenta wydrukowany za pomocą drukarki 3D, na podstawie zrobionego wcześniej indywidualnego skanu CT. Wewnątrz modelu widać mianowicie dokładne położenie raka względem naczyń krwionośnych.

Pokaz przygotowany przez Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie.

Czy można sterować komputerem za pomocą myśli?

Interfejs mózg-komputer

Interfejs mózg-komputer pozwalający na bezpośrednią komunikację pomiędzy mózgiem a odpowiednim urządzeniem zewnętrznym. Oznacza to możliwość sterowania urządzeniami za pomocą myśli.

Te niegdyś futurystyczne pomysły stały się dziś szansą na lepsze życie ludzi chorych, którzy nie mogą komunikować się z otoczeniem.

Już dzisiaj interfejsy mózg-komputer umożliwiają pacjentom pisanie tekstów lub podstawowe sterowanie maszyną za pomocą świadomie generowanych fal mózgowych.

Żeby jednak stworzyć efektywny interfejs mózg-komputer, należy najpierw zrozumieć jak "działa" ludzki mózg i poznać techniki pozwalające na jego "podglądanie".

Pokaz przygotowany przez Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie.

Diagnostyka medyczna - termogram

Rozpraszanie światła na cienkiej warstwie ciekłego kryształu

Ciekły kryształ termotropowy to faza danej substancji występująca w pewnym zakresie temperatur. Substancje wykazujące fazy ciekłokrystaliczne zbudowane są z anizotropowych molekuł (w przypadku kształtów prętopodobnych ich długość wynosi ok. 35 A, a grubość 5 A).

Istnieje wiele różnych faz ciekłokrystalicznych. Jedną z nich jest skręcony nematyk (nazywany też cholesterykiem), który zbudowany jest z molekuł chiralnych. Molekuły w fazie skręconego nematyka układają się w warstwy w taki sposób, że kierunek długich osi molekuł przy przejściu z warstwy do warstwy ulega skręceniu o pewien mały kąt. W efekcie tworzy się tak zwana spirala (helisa) cholesteryczna. Skok takiej spirali jest porównywalny z długością światła białego. Białe światło padając na cienką warstwę ciekłego kryształu cholesterycznego ulega rozproszeniu opisywanemu wzorem Bragga, gdzie d =p/2 (p - sok spirali). Z kolei skok spirali silnie zależy od temperatury - małe zmiany temperatury powodują, że zmienia się skok spirali i inna długości fali będzie spełniała prawo Bragga. W efekcie obserwuje się zmianę zabarwienia wraz temperaturą.

Pokaz przygotowany przez Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie.

Pierwszy polski cyklotron C-48 Jego rola w badaniach medycznych na ogólnym tle rozwoju fizyki akceleratorowej

Zasada działania cyklotronu .Modelowanie zachodzących w nim zjawisk fizycznych.

Cyklotrony już od kilkudziesięciu lat dają fizykom możliwości fantastycznych odkryć w dziedzinie badań jądra atomowego. Równolegle, cyklotron dzisiaj - to futurystyczne, skuteczne narzędzie w terapii jednej z najgroźniejszych chorób i źródło radioizotopów niezwykle przydatnych w diagnostyce medycznej.

Pierwszy polski cyklotron - wspólne dzieło naukowców Uniwersytetu Jagiellońskiego, Akademii Górniczo-Hutniczej i Instytutu Fizyki Jądrowej - pierwszą wiązkę przyspieszonych protonów wygenerował 29 grudnia 1956 roku. Przez ponad 30 lat służył polskiej fizyce nie tylko jako cenne narzędzie do odkrywania tajemnic jądra atomowego. W znacznym stopniu wykorzystywano go do naświetlania próbek medycznych. Na stanowisku wystawienniczym w części centralnej pokazywana będzie oryginalna miedziana komora przyspieszeń tej unikalnej aparatury wraz z jej wyposażeniem. Niewiele pierwszych cyklotronów ocalało do tej pory - dlatego ten główny element krakowskiego C-48 jak i on cały stanowi unikat na skalę światową.

Godny podkreślenia jest fakt tworzenia go przez wybitnych fizyków krakowskich - Profesora Adama Strzałkowskiego - nestora polskiej fizyki, Profesora Jacka Hennela - twórcy polskiej szkoły magnetycznego rezonansu jądrowego, Profesora Andrzeja Hrynkiewicza i Profesora Jerzego Janika i innych naukowców.

W trakcie pokazów zobaczymy jedyną w Polsce replikę pierwszego cyklotronu Ernesta O. Lawrenca oraz pomysłowe interaktywne modele (mechaniczny i elektrostatyczny) objaśniające:

- zasadę działania cyklotronu

- dużą, w skali 1:1 makietę jarzma C-48

- kilka innych oryginalnych jego elementów - w tym miedziane duanty, - dokumentację techniczną,

- filmy: z demontażu C-48 i o historii odkrycia cyklotronu przez E. O. Lawrenca -Nagroda Nobla 1939 rok

- program komputerowy do symulacji pracy cyklotronu z możliwością zadawania parametrów przez widzów

- kilka innych niespodzianek.

Pokaz przygotowany przez Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie.

Od laboratorium do leku

Synteza i projektowanie potencjalnych leków

W trakcie pokazu zaprezentowane zostaną doświadczenia, które umożliwią zapoznanie się z poszczególnymi etapami projektowania i syntezy potencjalnych leków oraz metodyką wykorzystywaną do testowania ich aktywności. Poruszana tematyka leży w kręgu zainteresowania licznych ośrodków naukowych i pozwoli przybliżyć złożoność procesu wytwarzania leków oraz odkrywania innowacyjnych terapii. Zwiedzający będą mogli zapoznać się z takimi zagadnieniami jak: ekspresja i oczyszczanie białek rekombinowanych będących celem potencjalnych leków, projektowaniem i syntezą związków biologicznie aktywnych, weryfikacją aktywności otrzymanych związków oraz procesem formowania się kryształów kompleksów białkowych na potrzeby badań rentgeno-strukturalnych. W trakcie prezentowanych doświadczeń wykorzystane zostaną zaawansowane techniki laboratoryjne takie jak: chromatografia powinowactwa, chromatografia cienkowarstwowa (TLC), chromatografia kolumnowa, Western Blot, krystalizacja metodą wiszącej kropli, a także specjalistyczne oprogramowanie (PyMol) umożliwiające oglądanie i analizowanie struktur krystalicznych kompleksów białka jako potencjalnych leków. Duża część zaplanowanych doświadczeń przewiduje czynny udział zwiedzających (dodawanie odczynników powodujące zmianę zabarwienia, używanie mikroskopu, wspólne analizowanie otrzymanych wyników, oglądanie struktur krystalicznych w programie PyMol), dodatkowo uczestnicy pokazów będą mogli poszerzyć swoją wiedzę chemiczną poprzez dyskusję oraz konkursy z drobnymi nagrodami.

Pokaz przygotowany przez Wydział Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie.

Jak badamy, czy jedzenie nie ma za dużo substancji promieniotwórczych?

Techniki radiochemiczne, techniki laboratoryjne, detekcja promieniowania

Przy pomocy modelowego rozdzielania chromatograficznego zaprezentowana zostanie jedna z technik laboratoryjnych używanych przy analizie nuklidów alfapromieniotwórczych. Detekcja promieniowania za pomocą licznika Geigera będzie udziałem widzów, gdzie wybrane próbki, w tym również żywności, będą mogły być zbadane przez uczestników. Publiczność dowie się, jak dbamy o zdrowie sprawdzając, czy żywność nie zawiera za dużo substancji promieniotwórczych.

Pokaz przygotowany przez Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk w Krakowie.

Jak badamy, czy człowiek nie jest skażony promieniotwórczo?

Detekcja promieniowania jonizującego, spektrometria całego ciała

Przy pomocy działającego modelu Spektrometru Całego Ciała (oryginalnie jednego z dwóch takich urządzeń w Polsce) uczestnicy pokazu będą mogli samodzielnie wykonać procedury wzorcowania tego spektrometru oraz pomiaru aktywności promieniotwórczej ciała ludzkiego (w formie lalki) w jego wnętrzu. Dowiedzą się, jak dbamy o zdrowie sprawdzając, czy żywność nie zawiera za dużo substancji promieniotwórczych. Ci z nich, którzy potrafią liczyć, będą mogli ocenić w pełni ilościowo względną aktywność stosowanego fantomu ciała ludzkiego. Towarzyszący pokazowi opis pozwoli zrozumieć, jak działa spektrometr promieniowania gamma, jakie substancje promieniotwórcze znajdują się naturalnie w ciele ludzkim oraz jakie stanowić mogą jego skażenie. Będą mogli sami zobaczyć widma promieniowania prawdziwych ludzi i sami zidentyfikować izotopy promieniotwórcze pierwiastków, jakie się w nich kryją.

Pokaz przygotowany przez Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk w Krakowie.

Jak wykorzystujemy substancje promieniotwórcze do zbadania, czy jesteśmy zdrowi?

Radiodiagnostyka, rentgenodiagnostyka, scyntygrafia - diagnostyka radioizotopowa, rezonans magnetyczny

Za pomocą modelowej planszy, obrazującej ludzkie ciało w przekroju oraz bezpiecznego źródła promieniowania zostanie zaprezentowana metoda obrazowania scyntygraficznego. "Wirtualnie" podany modelowi radiofarmaceutyk gromadzony jest przez komórki nowotworowe, co pozwala na jego zlokalizowanie, gdyż emituje on dzięki temu wychwytowi najwięcej promieniowania.

Pokaz przygotowany przez Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk w Krakowie.

Jak wykorzystujemy promieniowanie do wyleczenia człowieka?

Radioterapia, oddziaływanie fotonów i protonów z materią

Za pomocą kolorowych plansz zwiedzający będą mogli poznać zasady radioterapii - jednej z form leczenia pacjentów onkologicznych. Zostanie przedstawione oddziaływanie fotonów i protonów z materią, a w szczególności z komórkami nowotworowymi. Pokazanie charakterystycznego dla protonów piku Bragga pozwoli pokazać zwiedzającym, jak dana energia wiązki protonów przekłada się na zasięg tych cząstek w różnych materiałach, np. w wodzie. Zwiedzający będą mieli okazję samodzielnie dobrać energię protonów w taki sposób, by pik Bragga został zdeponowany na głębokości nowotworowej dla różnych tkanek biologicznych. Prezentowane doświadczenia będą nawiązywać do radioterapii protonowej realizowanej w Centrum Cyklotronowym Bronowice na terenie IFJ PAN w Krakowie.

Pokaz przygotowany przez Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk w Krakowie.

Magnetyczny transport leków w organizmie

Do dyspozycji zwiedzających będzie układ przezroczystych gumowych wężyków wypełnionych wodą. W układzie będzie kapsułka z materiałem ferromagnetycznym. Zwiedzający będzie za pomocą magnesu transportował lek do wskazanego miejsca.

Pokaz przygotowany przez Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk w Krakowie.

Wykrywanie C02 w oddechu

Reakcja CO2 z woda wapienną

Przepuszczanie oddechu przez roztwór wody wapiennej, bezpośrednio słomką lub z worka, do którego wcześniej oddech zostanie pobrany. Wykonanie-prezenter.

Pokaz przygotowany przez Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk w Krakowie.

Wykrywanie acetonu, izopropanolu w wydychanym powietrzu

Reakcja jodoformowa

Obserwacja reakcji z roztworem acetonu. Przepuszczanie oddechu przez roztwór (KI, NAOH) bezpośrednio słomką lub z worka, do którego wcześniej oddech zostanie pobrany.

Pokaz przygotowany przez Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk w Krakowie.

Wykrywanie etanolu w wydychanym powietrzu. Zasada działania współczesnych alkomatów.

Reakcja etanolu z dichromianem (VI) potasu

Obserwacja reakcji z roztworem etanolu. Przepuszczanie oddechu przez roztwór di chromianu potasu, bezpośrednio słomką lub z worka, do którego wcześniej oddech zostanie pobrany. Wykonanie-prezenter. Powstawanie niebieskiego zabarwienia w probówce po wprowadzeniu alkoholu i lekkim ogrzaniu.

Pokaz przygotowany przez Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk w Krakowie.

Analizy chromatograficzne oraz prezentacja procesu analizy oddechu

Adsorpcja, współczynnik podziału Nernsta; termiczna desorpcja i chromatograficzne rozdzielanie składników mieszaniny
Rozdzielanie barwników liścia, pisaka. Nanoszenie przygotowanych próbek wyciągu z liści, atramentu na bibułę - obserwacja rozdzielania.

Krótki film prezentujący proces pobierania próbki wydychanego powietrza od pacjenta, zatężanie próbki, jej analizę chromatograficzną oraz sposób interpretacji wyniku.

Pokaz przygotowany przez Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk w Krakowie.

Centrum Cyklotronowe Bronowice - Gra edukacyjna i/lub quiz - elektroniczny test wyboru

Terapia Protonowa, Diagnostyka Obrazowa, Tomografia Magnetyczno-Rezonansowa, Tomografia Komputerowa

Gra edukacyjna będzie prezentowana w dwóch wariantach: A) Gra Planszowa dla młodszych widzów - rzuty kostką - Droga pacjenta - od diagnozy do terapii z uwzględnieniem zjawisk występujących w cyklotronie - przyspieszanie protonu, zakrzywianie w polu magnetycznym - gantry - niszczenie komórki nowotworowej; B) Quiz - test wyboru na dużym ekranie. Można będzie odpowiedzieć na zestaw pytań związanych z terapią protonową realizowaną w Centrum Cyklotronowym Bronowice. Duży Panel dotykowy z możliwością wyboru jednej z trzech odpowiedzi A, B, C - ilość punktów jest zsumowana i najlepsze wyniki premiowane nagrodami. Zadania o różnym stopniu trudności.

Pokaz przygotowany przez Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk w Krakowie.

Termografia

Rozkład temperatury na powierzchni ludzkiego ciała

Przedmiotem eksperymentu jest pomiar rozkładu temperatury na ludzkim ciele z zastosowaniem kamery termowizyjnej (Fluke ti10) o rozdzielczości 128x250. Termografia to proces obrazowania w paśmie średniej podczerwieni. Umożliwia to rejestrację promieniowania cieplnego emitowanego przez różne obiekty w przedziale temperatur życia codziennego oraz dokładny pomiar temperatury obiektów. Metoda ta znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle, ale też medycynie. W przypadku obrazowania ludzkiego ciała rozkład temperatury wynika z przebiegu podskórnych naczyń krwionośnych, który w przypadku każdego człowieka jest cechą unikatową. W trakcie pokazu przewidziana jest dla chętnych możliwość pomiaru rozkładu temperatury ciała. Zapis termogramu zostanie udostępniony zwiedzającym po zakończeniu pokazu drogą mailową.

Pokaz przygotowany przez Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademii GórniczoHutniczej w Krakowie.

Skanowanie biometryczne, jako metoda rozpoznawania tożsamości

Wykorzystanie niepowtarzalnych cech biologicznych człowieka do jego jednoznacznej identyfikacji

Podczas prezentacji zostanie przedstawione zagadnienie wykorzystania unikatowych cech ludzkiego wyglądu (tęczówka, odcisk palca) jako narzędzia do identyfikacji i weryfikacji ludzkiej tożsamości.

Zostaną omówione najważniejsze cechy oraz systemy biometryczne w kontekście ich możliwości i powszechności ich stosowania. Zostaną również omówione zagrożenia związane z gromadzeniem cech biometrycznych w bazach danych oraz sposoby ich zabezpieczania przed nieuprawnionym dostępem.

Osoby odwiedzające będą miały niepowtarzalną okazję, by zarejestrować własne cechy biometryczne z zastosowaniem czytnika linii papilarnych oraz skanera tęczówki, a następnie zapoznać się z algorytmami wyznaczania z nich cech charakterystycznych warunkujących poprawne rozpoznanie tożsamości. Cyfrowy zapis cech zostanie zwiedzającym udostępniony w formie emailowej.

Pokaz przygotowany przez Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademii GórniczoHutniczej w Krakowie.

Chromatografia bibułowa

Analiza związków organicznych

Chromatografia bibułowa jest techniką służącą do analizy związków chemicznych, badaną nanosi się na bibułę filtracyjną w postaci punktu lub kreski w "punkcie startowym". Następnie bibułę umieszcza się w komorze chromatograficznej, w wyniku działania sił kapilarnych rozpuszczalnik stopniowo wciągany jest w górę bibuły ciągnąc za sobą z składniki badanej próbki, które ulegają podziałowi tworząc oddzielne plamki lub sfery.

Pokaz przygotowany przez Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademii GórniczoHutniczej w Krakowie.

Centryfuga

Mechaniczny podział osadu i cieczy

Centryfuga, potocznie zwana wirówką jest urządzeniem stosowanym do oddzielania zawiesiny od cieczy poprzez wprawienie próbki w szybki ruch obrotowy. Wirówki frakcjonujące stosowane są m. in. do odseparowywania ciężkich krwinek od serum lub plazmy oraz do oddzielenia bakterii w roztworze.

Pokaz przygotowany przez Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademii GórniczoHutniczej w Krakowie.

Homogenizator

Homogenizacja próbki

Wytrząsarka laboratoryjna jest urządzeniem przeznaczonym do mieszania materiału biologicznego lub chemicznego znajdującego się w kolbach, zlewkach, kuwetach i probówkach. Stosowana jest ona przy hodowli bakterii, drożdży, w reakcjach immunologicznych i biochemicznych.

Pokaz przygotowany przez Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademii GórniczoHutniczej w Krakowie.

Detektor iskrowy

Badanie obecności promieniowania jonizującego

Detektor iskrowy to urządzenie pozwalające na detekcję cząstek alfa w powietrzu przy ciśnieniu atmosferycznym. Składa się on z dwóch równoległych elektrod: jednej w postaci płyty metalowej, a drugiej wykonanej z cienkich drutów. Podczas pracy detektora do elektrod przyłożone jest wysokie napięcie, w momencie gdy pomiędzy elektrodami pojawi się cząstka alfa dochodzi do przebicia lawinowego i pojawia się widoczna gołym okiem iskra.

Pokaz przygotowany przez Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademii GórniczoHutniczej w Krakowie.

Mikrotomografia rentgenowska

Metoda obrazowania

Rentgenowska mikrotomografia komputerowa jest pozwalającą na otrzymanie obrazów przekrojowych (2D) i przestrzennych (3D). Przedstawiona zostanie interaktywna prezentacja modelu muchy, obserwatorzy będą mieli możliwość zobaczenia bardzo dokładnego skanu mikrotomograficznego muchy.

Pokaz przygotowany przez Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademii GórniczoHutniczej w Krakowie.

Wirtualna rzeczywistość

Projekcja 3D świata wirtualnego

Wykorzystane zostaną okulary 3D do projekcji świata wirtualnego w celach medycznych.

Pokaz przygotowany przez Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademii GórniczoHutniczej w Krakowie.

Edukacyjny model kardiostymulatora

Działanie stymulatora serca i aplikacji alarmującej

Celem projektu jest analiza pracy serca w przypadku bradykardii bez rozrusznika serca oraz po jego zainstalowaniu w organizmie człowieka, a także ocena efektywności działania tego stymulatora.

Udoskonaleniem projektu jest aplikacja napisana w języku Java, dostosowana pod Android (starszą, jak i nowszą wersję). PeaceMaker, bo tak ją nazwaliśmy, jest w stanie pokazać nam aktualne tętno. Jest ona również przydatna w momencie, kiedy przez dłuższy czas serce nie bije samodzielnie, lecz z pomocą kardiostymulatora. Wysyła wtedy wiadomość sms do rodziny i lekarza z informacją o zaistniałym problemie, a po ustalonym odgórnie czasie również lokalizację GPS pacjenta.

Pokaz przygotowany przez Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademii GórniczoHutniczej w Krakowie.