Rozprawy doktorskie IFJ PAN (Doctoral dissertations of IFJ PAN)
Permanent URI for this collection
Browse
collection.page.browse.recent.head
Item Application of the 9.4T MRI system with a cryo-coil to study demyelination in the animal model of multiple sclerosis(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2023) Piędzia, Weronika; Węglarz, Władysław; Burda, Květoslava; Figiel, HenrykPraca doktorska opisuje zastosowanie różnorodnych technik badawczych na systemie do obrazowania magnetyczno-rezonansowego (MR) w polu 9,4T w celu badań procesów demielinizacji w modelu mysim stwardnienia rozsianego (łac. sclerosis multiplex, SM). Wiele istniejących chorób neurologicznych jest obecnie diagnozowanych w późnych stadiach rozwoju. Spowodowane jest to brakiem metod umożliwiających diagnozę na wczesnym, pre-symptomatycznym etapie co pozwoliłoby na efektywne leczenie. Obrazowanie magnetyczno-rezonansowe (ang. MRI) dostarcza wysokiej jakości obrazów z bardzo dobrym kontrastem tkanek miękkich dzięki różnicy w czasach relaksacji pomiędzy tkankami co związane jest z ich różnym składem chemicznym. Ponieważ SM powoduje zmiany w ilości i strukturze mieliny (główny składnik istoty białej), obrazowanie magnetyczno-rezonansowe potencjalnie mogłoby wykryć te zmiany bazując na pomiarach zmian czasów relaksacji a w konsekwencji umożliwić wczesną diagnozę tej groźnej i do tej pory nieuleczalnej choroby. Do skutecznego obrazowania mieliny, a stąd diagnozy SM, potrzebny jest jednak odpowiedni kontrast pomiędzy białą a szarą istotą. Niestety czasy relaksacji istoty białej i szarej, w szczególności czas T2, są bardzo krótkie i porównywalne ze sobą co powoduje trudności natury technicznej w ich obrazowaniu i zróżnicowaniu na uzyskanych obrazach MR. Dlatego, aby otrzymać najwyższy możliwy kontrast, wymagany jest bardzo dobry stosunek sygnału do szumu (ang. SNR) oraz właściwa i zoptymalizowana sekwencja impulsowa. W pracy zastosowany został system do obrazowania oparty o magnes nadprzewodzący o natężeniu pola magnetycznego 9,4T wyposażony w cewkę kriogeniczną. Tak wysokie pole oraz chłodzona cewka pozwoliły na otrzymanie maksymalnego sygnału i stąd maksymalnej rozdzielczości obrazu. W celu pomiarów krótkich czasów relaksacji T2 mieliny badane były sekwencje obrazujące oparte o echo spinowe (SE) oraz dwu- i trójwymiarowe sekwencje tzw. ultra short echo time (UTE). W dalszej kolejności zastosowana została sekwencja inversion recovery ultra short echo time (IR-UTE), która dodatkowo wprowadziła ważenie czasem T1. Wyniki badań pokazały, że technika obrazowania IR-UTE pozwala na pomiary czasów relaksacji T1 i T2 mieliny w modelu zwierzęcym ale nie umożliwia obrazowania wielowarstwowego in vivo ze względu na długi czas pomiaru. Dlatego została także przetestowana sekwencja o nazwie “segmented magnetization prepared rapid gradient echo (MP-RAGE)”, która pozwoliła na otrzymanie wysokiej jakości obrazów 3D istoty szarej i białej w akceptowalnym dla badań czasie akwizycji. Co więcej, testowane były różnego typu impulsy selektywne radiowej częstości (rf), np. Version S, Mao oraz Levitt-Freeman, które pozwalają na odpowiednie ogniskowanie magnetyzacji w niejednorodnym polu B0 generowanym przez magnes i podatność magnetyczną próbki oraz w niejednorodnym polu B1 produkowanym przez cewkę powierzchniową użytą w badaniach. Impulsy te pozwalają na zmniejszenie artefaktów związanych z echami stymulowanymi. Badania in vivo poprzedzone były badaniami fantomów w celu znalezienia optymalnych parametrów sekwencji, kształtu impulsu rf oraz odpowiedniego ułożenia cewki powierzchniowej. Wyniki badań in vivo zostały potwierdzone badaniami ex vivo MRI o wysokiej zdolności rozdzielczej oraz badaniami histopatologicznymi. Do badań zmian zawartości mieliny zastosowany został kupryzonowy model MS, w którym zmiany w istocie białej odzwierciedlają zmiany występujące u człowieka. W wyniku prac otrzymane zostały trójwymiarowe obrazy mózgu przy użyciu zoptymalizowanych sekwencji IR-UTE oraz MP-RAGE, które umożliwiły detekcję mieliny i jej zaniku. Następnie zostały obliczone średnie wartości sygnału w wybranych obszarach mózgu reprezentujących szarą i białą materię oraz płyn mózgowo-rdzeniowy. W celu kwantyfikacji wyników wykonano histogramy różnych warstw mózgu u myszy zdrowych i poddanych diecie kupryzonowej. Histogramy pokazały, że zawartość mieliny w ciele modzelowatym i korze mózgowej jest statystycznie różna u zwierząt chorych w porównaniu z grupą kontrolną. Wyniki badań pokazały, że zastosowane metody obrazowania (IR-UTE oraz MP-RAGE) z użyciem krio-cewki w polu 9,4T uwidaczniają kontrast pomiędzy białą i szarą materią, przewyższając obecne metody oceny demielinizacji w mózgu mysim in vivo. Cele pracy były następujące: 1) ocena wartości badawczej obrazowania magnetyczno- rezonansowego w wysokim polu magnetycznym mikrostruktur mózgu zawierających rożne ilości mieliny w modelu mysim MS; 2) zbadanie czy obrazowanie rezonansowe w wysokim polu magnetycznym przy użyciu krio-cewki oraz odpowiednich sekwencji impulsowych może pokazać uszkodzenia mieliny występujące w kupryzonowym modelu zwierzęcym MS. Cele te zostały osiągnięte i wyniki pokazały, że zoptymalizowany system pracujący w polu 9.4T, może istotnie być użyty do oceny ubytków w zawartości mieliny w mózgu myszy w modelu zwierzęcym MS. Wyniki pokazują potencjał zastosowania zaproponowanych metod obrazowania MR w przyszłych badaniach klinicznych stwardnienia rozsianego. Wszystkie badania na zwierzętach zostały przeprowadzone za zgodą Komisji Etyki.Item Elastic and rheological properties of human bladder cancer cells: from single cells to spheroids(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2022) Gnanachandran, Kajangi; Lekka, Małgorzata; Podesta, Alessandro; Budkowski, Andrzej; Laidler, Piotr; Nowak, WiesławWiadomo, że mechaniczne i mikroreologiczne właściwości komórek, wraz z rearanżacjami w ich cytoszkielecie aktynowym, są związane z progresją nowotworu przez przejęcie ważnej roli w badaniach nad diagnostyką nowotworów. Hodowle komórek 3D mogą naśladować naturalne środowisko komórek i niektóre cechy guzów litych, będąc szeroko stosowanymi jako potencjalne modele in vitro do odkrywania nowych cech biologicznych komórek rakowych i odkrywania leków przeciwnowotworowych. W tym badaniu do utworzenia wielokomórkowych sferoidów wykorzystano trzy linie komórkowe z różnych stadiów raka pęcherza moczowego: HCV29 (rak niezłośliwy), HT1376 (rak III stopnia) i T24 (rak przejściowokomórkowy IV stopnia). Komórki te również charakteryzują się innym cytoszkieletem aktynowym. Ich właściwości mechaniczne i mikroreologiczne są badane za pomocą mikroskopii sił atomowych (AFM) w nanoskali oraz spektroskopii sił hydraulicznych (HFS), innowacyjnej techniki aspiracji mikropipetowej, w skali makro. Prace te skupiały się głównie na zrozumieniu, w jaki sposób zmieniają się właściwości lepkosprężyste komórek w hodowlach 2D, tj. pojedynczych komórkach, monowarstwach i sferoidach 3D. Nasze wyniki z AFM pokazują, że zarówno pod wpływem ściskania, jak i naprężenia ścinającego, komórki HCV29 są sztywniejsze niż komórki HT1376 i T24, co potwierdza, że komórki rakowe są bardziej odkształcalne niż komórki niezłośliwe, niezależnie od warunków hodowli. Następnie oceniono związane z wiekiem zmiany właściwości mechanicznych sferoidów, a wyniki porównano z analizą histologiczną przekrojów sferoid. Wyniki AFM wykazały, że wszystkie komórki stają się sztywniejsze z powodu efektu starzenia i reorganizacji ich cytoszkieletu. Zaobserwowano również, że sferoidy utworzone przez komórki HCV29 były jedynymi, które wytwarzały macierz zewnątrzkomórkową (ECM), co może wyjaśniać zmiękczenie tych sferoidów po wykryciu przez HFS. Dlatego zmiany w interakcjach komórka-komórka i komórka-ECM podczas starzenia mogą mieć duży wpływ na mechaniczne zachowanie komórek. Na koniec sprawdzono, czy właściwości mechaniczne uzyskane dzięki HFS można wykorzystać do badania wpływu docetakselu (DTX), leku przeciwnowotworowego, na trzy rodzaje sferoidów raka pęcherza moczowego. Wyniki pokazały, że trzy linie komórkowe zachowują się inaczej i że HFS może wykrywać zmiany mechaniczne wywołane przez lek, nawet w bardzo niskich stężeniach, przed pojawieniem się jakiegokolwiek markera biologicznego, co czyni HFS korzystną metodą oceny aktywności związków przeciwnowotworowych. Biorąc pod uwagę wszystkie wyniki tej pracy, dochodzimy do wniosku, że właściwości mechaniczne i reologiczne sferoidów raka pęcherza, określane za pomocą AFM i HFS, mogą służyć jako markery biofizyczne nie tylko w diagnostyce, ale także w leczeniu tego typu nowotworu.Item High-energy factorization, TMD, off-shell amplitudes and nuclear effects(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2022) Blanco, Etienne; Kutak, Krzysztof; Kotko, Piotr; Gluza, Janusz; Rybczyński, Maciej; Wagner, JakubW niniejszej rozprawie badamy faktoryzację procesów hadronowych w wysokoener-getycznych zderzeniach hadronów, ze szczególnym uwzględnieniem pędu poprzecznego. Praca jest podzielona na trzy etapy : badanie nTMDs, przedstawienie metody otrzymywania amplitud poza powłaką masy amplitud niezmienniczych ze względu na cechowanie oraz badanie ewolucji dżetów w QGP, zgodnie z równaniami BDIM. W pierwszej części otrzymano rozkłady nTMD metodą PB. Był to pierwszy zestaw rozkładów partonowych (Pb) TMD uzyskany tą metodą. Ten rozkład partonów został użyty z generatorem MC KaTie w celu opisu danych CMS na produkcję bozonów Z Drell-Yann (gdzie zachodzi faktoryzacja k_T). Działało to zaskakująco dobrze, biorąc pod uwagę, że elementy macierzowe poza powłoką masy były obliczane tylko na poziomie drzewiastym. Była to również okazja do oszacowania efektów jądrowych i różnych wzorów faktoryzacji (faktoryzacja wysokoenergetyczna, hybrydowa, kolinearna). Technika obliczeń elementów macierzowych poza powłaką masy jest tematem kolejnego rozdziału. Metoda partonów pomocniczych opiera się na wprowadzeniu rozważanego procesu poza powłoką masy w większym procesie na powłoce masy, aby zagwarantować niezmienność cechowania i skorzystać z szerokiwj wiedzy o amplitudach na powłoce masy. Pierwotnie ta metoda została opracowana do obliczeń na poziomie drzewiastym. W przedstawionej pracy jeden z pierwszych kroków w celu uogólnienia metody partonów pomocniczych na poziomie pętli został wykonany przez obliczenie amplitudy jedno pętlowej dla jednego gluonu poza powłoką masy i dowolnej liczby gluonów o dodatniej skrętności. Analizowano również możliwość zastosowania tej metody do otrzymania innych amplitud jednopętlowych. Ostatni temat dotyczy ewolucji funkcji fragmentacji dżetu (opisujących rozkład energii i pędu poprzecznego jego składowej) w gęstym ośrodku, z wykorzystaniem równania BDIM. Równania te opisują utratę energii dżetu przez oddziaływanie dżetu z plazmą oraz rozszczepienie wywołane przez ośrodek, biorąc pod uwagę tylko gluony oraz zakładając że plazma jest statyczna. W pierwszym kroku opracowaliśmy kilka metod rozwiązywania równania BDIM, zanim rozważyliśmy pęd poprzeczny w funkacjach rozszczepień. Na etapie końcowym uogólniliśmy równanie BDIM, aby uwzględnić wkład kwarków do ewolucji. Niniejsza praca opiera się na następujących publikacjach : E. Blanco, A. van Hameren, H. Jung, A. Kusina, and K. Kutak, “Z boson production in proton-lead collisions at the LHC accounting for transverse momenta of initial partons,” Phys. Rev. D, vol. 100, no. 5, p. 054 023, 2019. doi: 10.1103/PhysRevD.100.054023. arXiv: 1905.07331 [hep-ph] E. Blanco, A. van Hameren, P. Kotko, and K. Kutak, “All-plus helicity off-shell gauge invariant multigluon amplitudes at one loop,” JHEP, vol. 12, p. 158, 2020. doi: 10.1007/JHEP12(2020)158. arXiv: 2008.07916 [hep-ph] E. Blanco, K. Kutak, W. Placzek, M. Rohrmoser, and R. Straka, “Medium induced QCD cascades: broadening and rescattering during branching,” JHEP, vol. 04, p. 014, 2021. doi: 10.1007/JHEP04(2021)014. arXiv: 2009.03876 [hep-ph] E. Blanco, K. Kutak, W. Placzek, M. Rohrmoser, and K. Tywoniuk, “System of evolution equations for quark and gluon jet quenching with broadening,” Eur. Phys. J. C, vol. 82, no. 4, p. 355, 2022. doi: 10.1140/epjc/s10052-022-10311-2. arXiv:2109.05918 [hep-ph]. Bardziej ogólne tematy w tej pracy oparte są na następujących podręcznikach : F. Halzen and A. D. Martin, Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics. 1984, isbn: 978-0-471-88741-6 Y. V. Kovchegov and E. Levin, Quantum chromodynamics at high energy. Cambridge University Press, Aug. 2012, vol. 33, isbn: 978-0-521-11257-4. doi: 10 . 1017/CBO9781139022187 H. Nastase, Classical Field Theory. Cambridge University Press, Mar. 2019, isbn: 978-1-108-47701-7 M. D. Schwartz, Quantum Field Theory and the Standard Model. Cambridge University Press, Mar. 2014, isbn: 978-1-107-03473-0 Ponadto bardzo przydatne okazały się następujące tezy : M. Bury, “Phenomenology of transverse-momentum dependent factorizations in hadronic collisions,” Ph.D. dissertation, IFJ-PAN, 2020 F. Van der Veken, “Wilson lines : applications in QCD,” Ph.D. dissertation, Antwerp U., 2014 A. Lelek, “Determination of TMD parton densities from HERA data and appli- cation to pp processes,” Ph.D. dissertation, Hamburg U., Hamburg, 2018. doi: 10.3204/PUBDB-2018-02949 V. Vila Perez, “Jet quenching and heavy ion collisions,” Ph.D. dissertation, Santiago de Compostela U., 2020 M. De Angelis, “QCD Evolution At Amplitude Level,” Ph.D. dissertation, The University of Manchester, 2021.Item Changes in mechanical properties of single cells in the oxygen and glucose deprivation (OGD) model(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2023) Zieliński, Tomasz; Lekka, Małgorzata; Pera, Joanna; Krok, Franciszek; Cybulska, Joanna; Ptak, ArkadiuszUdar mózgu jest jedną z głównych przyczyn zgonów u osób w wieku powyżej 40 lat. Pod względem etiologii wyróżnia się udar krwotoczny i niedokrwienny, ten drugi stanowi znaczną większość przypadków (około 90%). Przyczyną udaru niedokrwiennego jest zablokowanie światła naczynia krwionośnego (na przykład skrzepliną) prowadzące do zablokowania przepływu natlenowanej krwi przez tkankę. Obecnie w terapii udaru stosuje się leki rozpuszczające skrzeplinę (rekombinowany tkankowy aktywator plazminogenu) i przywracające przepływ krwi. Pomimo wielu badań klinicznych i setek potencjalnych leków, wciąż nie ma skutecznej terapii opartej na neuroprotekcji. Badanie zmian właściwości nanomechanicznych tkanki nerwowej oraz poszczególnych komórek może rzucić światło na mechanizmy zaangażowane w patologiczne zmiany zachodzące w komórkach podczas udaru i zrozumieć procesy molekularne, które za nimi stoją. Do oceny i wyjaśnienia zmian właściwości nanomechanicznych różnych modeli komórkowych zastosowano połączone techniki mikroskopii sił atomowych (AFM), mikroskopii konfokalnej i analizy aktywności metabolicznej. Pierwszy model oparty jest na modelu komórkowym SH-SY5Y ludzkiej neuroblastomy. Komórki poddano deprywacji tlenu i glukozy (OGD) przez 1, 3 i 12 godzin. Ich odpowiedź biomechaniczną badano bezpośrednio po ekspozycji na OGD i po 24-godzinnej reoksygenacji (24h RO). Uzyskane wyniki wykazały, że żywotność SH-SY5Y pozostała niezmieniona, ale równolegle aktywność metaboliczna komórek zmniejszała się wraz z czasem trwania OGD. Po 24h RO nie zaobserwowano powrotu do pełni aktywności metabolicznej. Komórki poddane OGD wykazywały wyższą deformowalność niż komórki kontrolne. Zwiększenie deformowalności komórek było silnie obecne w komórkach już po godzinnym OGD, a w warunkach 24h RO deformowalność komórek była na poziomie deformowalności komórek kontrolnych. Drugi model, oparty na mysich pierwotnych neuronach hipokampa, które były komórkami traktowanymi w warunkach OGD przez 1 i 3 godziny, wykazał znaczne zmniejszenie przeżywalności komórek podczas przedłużonej ekspozycji na OGD i reoksygenacji. Badania AFM, analogicznie do modelu SH-SY5Y, wykazały zwiększoną deformowalność komórek. Analiza za pomocą mikroskopu konfokalnego potwierdziła zaburzenia w organizacji sieci aktynowej oraz utratę integralności mikrotubul. Dodatkowo analiza mikroreologiczna potwierdziła zmiany we własnościach lepkich neuronów, korelujące z czasem trwania OGD. Zmiany właściwości nanomechanicznych obu modeli komórkowych przypisano przebudowie różnych składników cytoszkieletu. Zrozumienie przebudowy cytoszkieletu opierało się głównie na odpowiedzi cytoszkieletu aktynowego i jego regulacji przez białko związane z aktyną, kofilinę. W postaci aktywnej (nieufosforylowanej) kofilina odpowiada za przecięcie, zarodkowanie i rozgałęzienie cytoszkieletu aktynowego. Zastosowane modele w różny sposób reagują na warunki OGD. W komórkach SH-SY5Y za zmianę właściwości nanomechanicznych odpowiedzialny jest głównie spadek polimeryzacji aktyny. Aktywność kofiliny odgrywa rolę kompensacyjną w przedłużonej ekspozycji. W modelu neuronalnym aktywność kofiliny wzrasta, istnieje jednak wiele innych mechanizmów modulacji aktywności cytoszkieletu, w tym reorganizacja mikrotubul oraz wzrost objętości komórek (tzw. cell swelling). Przedstawione badanie pokazuje znaczenie nanomechaniki w badaniach nad procesami patologicznymi związanymi z niedokrwieniem, takimi jak udar.Item Zastosowanie druku 3D do modyfikacji wiązki w radioterapii protonowej(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2022) Wochnik, Agnieszka; Olko, Paweł; Warszyński, Piotr; Kozłowska, Beata; Bulski, Wojciech; Tulik, PiotrW nowoczesnych ośrodkach radioterapii protonowej dysponujących najnowszą techniką formowania wiązki w ołówkową wiązkę skanującą PBS (ang. Pencil Beam Scanning) najniższa możliwa energia wiązki protonów wynosi zwykle od 60 do 100 MeV, co odpowiada zasięgowi około 3.1-7.5 cm w wodzie. Leczenie zmian powierzchniowych wymaga zastosowania dyskryminatora zasięgu RS (ang. Range Shifter) w celu zmniejszenia zasięgu protonów. RS zmniejsza zasięg wiązki, ale usytuowany w pewnej odległości od pacjenta, rozprasza również wiązkę, pogarszając jej parametry, a w konsekwencji pogarszając rozkład dawki w pacjencie. Jako alternatywne rozwiązanie w Instytucie Fizyki jądrowej w Krakowie zaproponowano zastosowanie kompensatora wiązki protonowej BC (ang. proton Beam Compensator) wykonanego w technologii druku 3D i spersonalizowanego dla pacjenta. Taki BC pozwala na całkowitą redukcję przerwy powietrznej pomiędzy dyskryminatorem, a pacjentem, ograniczając rozproszenie wiązki. Celem niniejszej pracy było przygotowanie i wdrożenie do praktyki klinicznej indywidualizowanych kompensatorów wiązki protonowej BC, pomocnych w leczeniu zmian powierzchniowych u dzieci. Przygotowano i porównano plany leczenia radioterapią protonową o modulowanej intensywności IMPT (ang. Intensity Modulated Proton Therapy) dla sześciorga dzieci z płytko położonymi zmianami nowotworowymi z użyciem dyskryminatorów zasięgu – RS i BC. Porównano rozkłady dawek, w tym pokrycie struktur tarczowych, a także dawki dla organów krytycznych OAR (ang. Organs At Risks). Przy współpracy w grupą EURADOS WG9 przeprowadzono pomiary porównawcze generowanego w dyskryminatorach promieniowania w CCB IFJ PAN. Zastosowano dwa fantomy antropomorficzne wieku dziecięcego (5 i 10 lat). Do pomiarów użyto zarówno detektorów aktywnych umieszczonych wewnątrz pokoju terapeutycznego, jak i detektorów pasywnych umieszczonych wewnątrz fantomów. Pomiary uzupełniono symulacjami Monte Carlo transportu promieniowania. Analiza porównawcza planów leczenia wykazała, że zastosowanie BC zredukowało obszary napromienione niskimi dawkami i poprawiło dopasowanie kształtu izodoz do leczonej struktury. Ponadto, we wszystkich przypadkach uzyskano zmniejszenie ekspozycji narządów krytycznych. Dawki promieniowania rozproszonego mierzone podczas eksperymentu wraz z grupą EURADOS WG9 zarówno od fotonów, jak i od neutronów wtórnych były niższe dla BC, niż dla RS. Najwyższy stosunek dawek RS/BC dla promieniowania rozproszonego fotonowego uzyskano dla piersi - 12.5 i 13.2 odpowiednio dla fantomu 5 i 10 lat. W przypadku narządów znajdujących się bliżej izocentrum, takich jak tarczyca, dawki neutronowe były niższe dla BC, ale dla narządów bardziej odległych, takich jak pęcherz – dla RS. W toku przeprowadzonych badań stwierdzono, że zastosowanie drukowanych kompensatorów BC, umieszczonych jak najbliżej pacjenta w leczeniu powierzchniowych zmian nowotworowych z zastosowaniem skanującej wiązki protonowej prowadzi do uzyskania bardziej konformalnego rozkładu dawki i nie wzmaga dawek od promieniowania wtórnego w porównaniu do RS, umieszczonego na wylocie wiązki w pewnej odległości od pacjenta. Drukowane kompensatory wiązki protonowej BC mogą być bezpiecznie stosowane u pacjentów pediatrycznych, a wprowadzenie ich do praktyki klinicznej przynosi zyski terapeutyczne.Item Badanie rozcieńczonych roztworów pierścieniowych oraz gwiaździstych polimerów w ograniczonych przestrzeniach(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2023) Hałun, Joanna; Danel, Zoriana; Ciach, Alina; Góra, Paweł F.Przedmiotem badań niniejszej pracy był zarówno rozcieńczony roztwór idealnych polimerów pierścieniowych, jak i polimerów gwiaździstych złożonych z czterech ramion f=4 w Ө-rozpuszczalniku zanurzonym w ograniczonej geometrii szczeliny dwóch równoległych ścianek, a także dużych i małych koloidalnych cząstek o różnych właściwościach adsorbująco-odpychających w stosunku do polimeru. Celem pracy było przedstawienie jaki wpływ na wielkości fizyczne tj: siła oddziaływania, potencjał oddziaływania, czy profil gęstości monomerów, które powstają przez umieszczenie roztworu polimeru w ograniczających go powierzchniach będzie miała zmiana topologii polimeru. W ramach Gaussowskiego modelu przy wymiarowości przestrzeni d=3 oraz uwzględnieniu analogii pomiędzy ferromagnetykami a polimerami zaproponowaną przez de Gennesa [1] zostały przeprowadzone analityczne obliczenia na siłę oddziaływania i potencjał oddziaływania dla rozcieńczonego roztworu polimerów pierścieniowych oraz polimerów gwiaździstych w zamkniętej szczelinie dwóch równoległych ścianek typu cienkich warstw. Każda ze ścianek w cienkiej warstwie ma inne właściwości adsorbująco-odpychające w stosunku do polimeru. Warunek brzegowy Dirichleta-Dirichleta odpowiada sytuacji, kiedy obie powierzchnie są odpychające, natomiast warunek brzegowy Dirichleta-Neumanna opisuje przypadek mieszanych ścianek, czyli kiedy jedna z nich jest odpychająca a druga obojętna. Ponadto biorąc pod uwagę aproksymację Derjaguina [2], która opisuje roztwór dużych koloidalnych cząstek zostały przeprowadzone obliczenia dla siły oddziaływania i profilu gęstości monomerów dla wyżej wymienionych przypadków. Poza tym przeprowadzono obliczenia profilu gęstości monomerów warstwy i uniwersalnej amplitudy dla powyższych topologii polimeru znajdujących się w zamkniętej przestrzeni cienkich warstw, jak również koloidalnych cząstek dużego oraz małego rozmiaru. Z przeprowadzonych obliczeń wynika, że zarówno zmiana architektury, jak i konformacja polimeru wpływa na właściwości fizyczne makrocząsteczki będącej w szczelnie dwóch równoległych ścianek, a także w roztworze dużych i małych koloidalnych cząstek. Siła oddziaływania dla rozcieńczonego roztworu idealnych gwiaździstych polimerów w obu przypadkach jest przyciągająca, ale większa niż odpowiednie siły dla idealnych liniowych, a także pierścieniowych łańcuchów polimerowych w przypadku dwóch odpychających powierzchni. Należy wspomnieć, że siła oddziaływania w przypadku mieszanych ścian, czyli gdy jedna powierzchnia jest odpychająca a druga obojętna, jest mniejsza niż w przypadku dwóch powierzchni odpychających i wykazuje odwrotne zachowanie w przypadku rozcieńczonego roztworu idealnych pierścieniowych polimerów w ograniczonej geometrii dwóch równoległych ścianek o mieszanych powierzchniach. Maksimum gęstości monomerów w warstwie, gdy obie powierzchnie są odpychające znajduje się w środku szczeliny przy L/2. Natomiast, jeżeli jedna powierzchnia jest odpychająca a druga obojętna to maksimum gęstości monomerów w warstwie usytuowane jest w pobliżu odległej ścianki z powierzchnią obojętną, przy której występuje próg adsorpcji. Bardziej skomplikowanej strukturze topologicznej odpowiada mniejszy promień bezwładności, co prowadzi do zmniejszenia gęstości monomerów w warstwie wraz ze wzrostem złożoności struktury topologicznej w obszarze między dwiema odpychającymi powierzchniami, jak również w pobliżu powierzchni, przy której ma miejsce tzw. próg adsorpcji, czyli w sytuacji mieszanych ścianek. Nasuwa się następujący wniosek, że skomplikowana struktura topologiczna polimerów pierścieniowych zapobiega ich adsorpcji na powierzchni i prowadzi do zmniejszenia gęstości monomerów w warstwie, w pobliżu powierzchni adsorpcyjnej. W relacji gęstość-siła niezależnie od topologii polimeru w warstwie stosunek uniwersalnej amplitudy wynosi B=2, pomimo że wartość profilu gęstości monomerów, jak również siły dla polimerów liniowych i pierścieniowych są różne. Profil gęstości monomerów dla rozcieńczonego roztworu polimerów gwiaździstych f=4 przy powierzchni odpychającej jest mniejszy niż polimerów liniowych i pierścieniowych, gdy ścianka znajduje się przy progu adsorpcji sytuacja jest odwrotna. Gęstość monomerów w warstwie zależy zarówno od promienia bezwładności polimerów pierścieniowych, jaki i odległości między ściankami L/R_x , gdzie L-szerokość szczeliny, a R_x to składowa iksowa promienia bezwładności. W przypadku rozcieńczonego roztworu idealnych pierścieniowych polimerów ograniczonych jedną lub dwoma koloidalnymi cząstkami na wpływ gęstości monomerów warstwie ma wielkości mezoskopowej cząstki, jak również odległość a między ścianą a cząstką lub między dwiema cząstkami a/R_x . Zależność między profilami gęstości monomerów dla polimeru pierścieniowego z węzłem typu 0_1 do profilu gęstości monomerów idealnych liniowych łańcuchów polimerowych w przypadku dwóch równoległych ścian o powierzchniach odpychających, a także jednej odpychającej a drugiej obojętnej jest równa jeden [3]. Szczególną rolę w profilach gęstości monomerów w ograniczonych geometriach odgrywają efekty entropowe oraz topologia polimeru. W przypadku małej, koloidalnej cząstki lub nanocząstki w pobliżu ścianki z powierzchnią obojętną, otrzymujemy, że siła jest równa zeru dla rozcieńczonego roztworu liniowych łańcuchów polimerowych, co wskazuje, że na rozcieńczony roztwór polimeru nie wpływa obecność ścianki. Jeżeli rozważamy rozcieńczony roztwór idealnych pierścieniowych łańcuchów polimerowych zamkniętych w roztworze małej, koloidalnej cząstki lub nanocząstki przy ścianie z powierzchnią obojętną obserwujemy, że polimer adsorbuje się na ścianie, co prowadzi do odpychania między małą, koloidalną cząstką a ścianką. Natomiast, w sytuacji gdy ścianka jest odpychająca (warunek brzegowy Dirichleta) pokazuje, że odpowiednia siła oddziaływania staje się przyciągająca. Oznacza to, że zarówno liniowy, jak również pierścieniowy polimer znajdujący się w przestrzeni między małą cząstką a ścianą z powierzchnią odpychającą posiada tendencję do uciekania z ograniczającego go obszaru, co prowadzi do niezrównoważonego ciśnienia na zewnątrz i przyciągania między małą, koloidalną cząstką lub nanocząstką a ścianą. Badanie adsorpcji polimerów na powierzchniach oraz w roztworach dużych, jak i małych koloidalnych cząstek lub nanocząstek cieszy się dużym zainteresowaniem ze względu na szerokie praktyczne zastosowanie w mikro i nanoelektronice, a także medycynie w celu lepszego zrozumienia systemów dostarczania leków, czy też zapobieganie fuzji wirusa z komórkami gospodarza. [1] deGennes P.G. Scaling Concepts in Polymer Physics; Cornell University Press, 1979. [2] Derjaguin, B.V. Kolloid-Z. 1934,69, 155. [3] Matthews R.; Louis A.A.; Yeomans J.M. Mol. Phys. 2011, 109, 1289Item Fizyczne i fizjologiczne aspekty percepcji krótkich sygnałów akustycznych(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2023) Stelmach, Karolina; Zieliński, Piotr; Kamisiński, Tadeusz; Chołoniewski, Marek; Szymański, KrzysztofRozprawa podejmuje temat ilościowego opisu wrażeń, jakie w słuchaczach wywołują skrajnie krótkie sygnały akustyczne. Podstawowa i znajdująca uzasadnienie w przeprowadzonych eksperymentach hipoteza polega na przypisaniu wartości oczekiwanej częstotliwości w widmach takich sygnałów roli, jaką częstotliwość sygnałów periodycznych odgrywa w wywoływania wrażenia wysokości dźwięku. Wykazano, że w przypadku sygnałów czysto gaussowskich ta wartość oczekiwana jest odwrotnie proporcjonalna do czasu trwania sygnału tj. szerokości funkcji Gaussa, a znana z mechaniki kwantowej relacja nieokreśloności ulega pewnej modyfikacji. Wykazano także, że przy założeniu stałego progu rozróżnialności tej efektywnej wysokości dźwięku, najmniejsza zauważalna różnica czasu trwania sygnału spełnia prawo Webera-Fechnera. Przeprowadzone na próbie 36 muzyków i 39 niemuzyków badania behawioralne potwierdziły w pewnym stopniu ten wynik z tą różnicą, że w granicy bardzo krótkich sygnałów najmniejsza zauważalna różnica nie zmierza do zera, lecz do pewnej wartości dodatniej, zależnej od doświadczenia badanych w pracy z dźwiękiem. Jest to więc przykład uogólnionego prawa Webera-Fechnera. Wykonane za pomocą symulatora ludzkich narządów słuchu (Head and Torso Simulator, HATS), zwanego sztuczną głową, pomiary przefiltrowanych przez taki model widm impulsów gaussowskich potwierdziły odwrotną proporcjonalność wartości oczekiwanej częstotliwości do czasu trwania impulsu mimo, że same widma mają skomplikowane kształty i wykazują szereg rezonansów pochodzących prawdopodobnie od mechanicznych części symulatora i/lub od elektronicznych generatorów i odbiorników dźwięku. Wydedukowana z wyników pomiarów na symulatorze zależność najmniejszej zauważalnej różnicy czasów trwania impulsów spełnia również uogólnione prawo Webera-Fechnera, lecz wartość granicy tej różnicy dla czasu trwania sygnałów zmierzającego do zera jest znacznie mniejsza, niż w przypadku uczestników badań behawioralnych. Jest to największa rozbieżność pomiędzy wynikami badań behawioralnych i pomiarami mechaniczno-elektronicznymi. Pochodzenie tej rozbieżności wydaje się ciekawym tematem dalszych badań. Mechanizmy percepcji skrajnie krótkich sygnałów dźwiękowych w różnych warunkach akustycznych może mieć znaczenie w rozwoju środków wyrazu muzyki instrumentalnej i elektroakustycznej.Item Study of three-body Bose-Einstein correlations in LHCb and development of the reconstruction algorithms based on machine learning(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2022) Zdybał, Miłosz; Kucharczyk, Marcin; Kulczycki, Piotr; Łagoda, Justyna; Bołd, Tomasz; Mindur, BartoszNiniejsza rozprawa opisuje przeprowadzone badania korelacji Bosego-Einsteina dla trójek jednoimiennie naładowanych pionów. Wykorzystane przypadki zostały zarejestrowane przez eksperyment LHCb ze zderzeń proton-proton przy energii w układzie środka masy √s = 7 TeV. Jest to pierwsza analiza dotycząca trzyciałowych korelacji Bosego-Einsteina w obszarze dużych pseudopośpieszności, charakterystycznego dla detektora LHCb oraz jest to pierwsze zastosowanie modelu core-halo do interpretacji wyników w zderzeniach proton-proton. Parametry modelu core-halo są wyznaczone dla różnych zakresów krotności cząstek naładowanych. Wraz ze wzrostem krotności cząstek naładowanych, obserwowana zależność może wskazywać na częściowo koherentną emisję pionów. Otrzymane wyniki są zaprezentowane w kontekście innych badań dotyczących tego zjawiska. Druga część rozprawy porusza temat rosnących wymagań na szybką i wydajną rekonstrukcję śladów w eksperymentach fizyki wysokiej energii oraz możliwości zastosowania technik uczenia maszynowego. Zaproponowane oryginalne rozwiązanie wykorzystuje głęboką sieć neuronową do rekonstrukcji śladów w eksperymencie MUonE dedykowanemu poszukiwaniom śladów Nowej Fizyki w sektorze anomalnego momentu magnetycznego muonu. Przedstawiona implementacja spełnia uwarunkowania jakościowe klasycznego algorytmu w zakresie rekonstrukcji, jednocześnie stanowiąc dogodną podstawę do dalszych badań.Item Dynamika i struktura korelacji na rynkach finansowych i fonograficznych(2022) Buda, Andrzej; Kwapień, Jarosław; Góra, Paweł F.; Orłowski, ArkadiuszWspółczynnik korelacji między akcjami definiuje podobieństwo między badanymi walorami i ma znaczenie w konstrukcji optymalnego portfela akcji – czyli takiego, który osiąga maksymalny zysk przy jak najmniejszym ryzyku. Dlatego pierwszą część mojej pracy poświęcam korelacjom na rynkach finansowych i oprócz porównania rynków wschodzących (WIG 20) i dojrzałych (DJIA, DAX, FTSE 100) przy użyciu metod fizyki (wykorzystywane wcześniej w badaniach szkieł spinowych przestrzenie ultrametryczne i drzewa minimalnej rozpiętości) wprowadzam nowe pojęcie – czas życia korelacji. Jest on pomocny w określeniu optymalnego okna czasowego historii cen, potrzebnego do obliczenia współczynników korelacji. Bowiem zbyt krótkie okna czasowe sprawiają, że współczynniki korelacji między walorami pod wpływem fluktuacji cen stają się losowe, z kolei zbyt duże okna czasowe nie odzwierciedlają aktualnych trendów gospodarki, która podlega przecież zmianom. Moje wyniki porównuję z już znanymi rezultatami. Zwłaszcza, że na wszystkich badanych rynkach drzewa minimalnej rozpiętości na ogół odzwierciedlają sektory gospodarcze stworzone przez badane spółki. W dalszej części badam rynki walutowe, które opierają wartość pieniądza w zależności od waluty bazowej, co oczywiście wpływa na strukturę i rozkład korelacji między walutami. Porównuję też trwałość drzew minimalnej rozpiętości w oparciu o różne waluty bazowe. Drugą część pracy poświęcam rynkom fonograficznym, które są szczególnym przypadkiem rynków towarowych, a wybrałem je do analizy głównie z powodu dostępności dokładnych danych o sprzedaży płyt. Przeprowadzam analizę analogiczną jak na rynkach finansowych definiując notowania artysty na listach sprzedaży podobnie jak notowania spółek na giełdzie. W efekcie otrzymuję interesujące korelacje między artystami, które na drzewie minimalnej rozpiętości MST odzwierciedlają tradycyjne podobieństwo stylistyczne dla wszystkich gatunków, z wyjątkiem muzyki pop. Bowiem o ile pozostali artyści podobnie jak akcje na giełdzie zachowują się kolektywnie tworząc sektory gatunkowe, to zamiast sektora artystów w estetyce pop otrzymuję sektor złożony z najbardziej znanych gwiazd, ale różnych gatunków. Oprócz omówienia danych doświadczalnych (sezonowość, etc.) przedstawiam dość bogatą analizę sieciową i statystyczną (gęstości prawdopodobieństwa, wykładnik Hursta, etc.) w porównaniu do rynków finansowych i innych rynków towarowych np. energii, a także trzęsień ziemi. Ponadto aby wyjaśnić dynamikę i trajektorie sprzedaży wprowadzam opracowany wspólnie z Andrzejem Jarynowskim stochastyczny model sprzedaży płyt, który w konfrontacji z rzeczywistością i drzewami minimalnej rozpiętości odzwierciedlającymi kolektywność oddziaływań konsumenckich prowadzi do bardzo ciekawych wniosków. Bowiem okazuje się, że główną przyczyną sezonowego wzrostu sprzedaży płyt pod koniec każdego roku wcale nie jest zagęszczenie premier płytowych, ale zwiększająca rozmiar rynku dodatkowa grupa konsumentów, którzy kupują płyty przed świętami Bożego Narodzenia, co przekłada się na strukturę rynku. Pozostałe cechy dynamiki sprzedaży model stochastyczny odzwierciedla i przewiduje już całkiem skutecznie. W trzeciej części pracy omówione zostało oddziaływanie wielu rynków na siebie w postaci najbardziej prawdopodobnych ścieżek infekcji rozumianej jako rozprzestrzenianie się popularności pojedynczych utworów (singli) w 12 krajach Europy. Na podstawie danych od końca lat 60. XX wieku dla ponad 1700 singli udało się wyodrębnić strukturę rynków w Europie i ich klastrów, które pokrywają się z bliskością kulturową bądź językową krajów i zależą od nośnika - ery analogowej, cyfrowej i Internetu. Analiza przepływu popularności singli w skali jednego kraju podzielonego na regiony – Wielkiej Brytanii (dla danych z roku 1978) także została przeprowadzona. Proces ten został wyjaśniony także w ostatnim rozdziale z punktu widzenia modelu agentowego dla globalnego rynku singli, złożonego z rynków krajowych, stanowiących podsieci typu Barabasiego-Albert o bezskalowej strukturze. Dynamika popularności utworu o zadanej atrakcyjności analizowana jest na zasadach znanych z epidemiologii (agresywność wirusa) i rozprzestrzeniania się innowacji. Założenia modelu zostały przetestowane zarówno w sytuacji, kiedy lokalne rynki mogą stanowić klastry jak również kiedy globalny rynek składa się z podsieci bez klastrów. Odpowiada to różnym wariantom struktury rynku w jego historii, a także bogactwu możliwej dynamiki rozprzestrzeniania się popularności w wielu wariantach – w zależności od atrakcyjności utworu, wyboru początkowego węzła sieci od którego zacznie zdobywać popularność, a także innych parametrów sieci.Item Badanie doświadczalne i analiza modelowa absorpcji wodoru w stopach LaNi5–xPbx, x = 0.1, 0.2, 0.25(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2022) Żurek, Michał; Zając, Wojciech; Deptuch, Aleksandra; Bala, Henryk; Drulis, Henryk; Gondek, ŁukaszWspółczesna energetyka wodorowa zmaga się z problem efektywnego i bezpiecznego magazynowania wodoru. Jedną z bezpieczniejszych i wydajniej¬szych metod składowania wodoru jest umieszczenie go w strukturze ciał stałych, w szczególności w formie wodorków metali lub stopów między¬metalicznych [1]. Najbardziej znanym i szeroko stosowanym w tym celu jest stop LaNi5 [2]. Modyfikacja właściwości absorpcyjnych tego stopu odbywa się na drodze utworzenia trójskładnikowych stopów powstałych w wyniku zastąpienia części atomów Ni innymi atomami np. Al, Sn, Co, Mn [3]. W niniejszej pracy przebadany został roztwór podstawieniowy powstały w wyniku substytucji atomów niklu Ni atomami ołowiu Pb, o większym promieniu atomowym (rPb = 1.80 Å, rNi = 1.63 Å) [4]. Na drodze wytopu łukowego otrzymano jednofazowe stopy o stechiometriach LaNi4.9Pb0.1, LaNi4.8Pb0.2, LaNi4.75Pb0.25. Badane fazy, za wyjątkiem ostatniej [5], praktycznie nie występują w literaturze. Jak wykazano w pracy, częściowa substytucja atomów Ni atomami Pb w badanych stopach ma charakter preferencyjny. W zakresie niskiego domieszkowania zastępowane są atomy Ni w pozycji 2c, a następnie przy wyższych koncentracjach xPb >0.1 atomy w pozycji 3g. Wprowadzenie atomów Pb o większych promieniach atomowych zmienia właściwości krystalo¬graficzne stopów. W całym zakresie domieszkowania obserwowany jest wzrost objętości V komórki elementarnej, który powyżej koncentracji domieszki ołowiu xPb > 0.1 nie kompensuje efektu redukcji promienia tetraedrycznych przestrzeni międzywęzłowych rt [6]. Struktura krystaliczna w znaczącym stopniu wpływa na właściwości absorpcyjne wodoru w tych stopach. Wszystkie stopy pochłaniają wodór przy ciśnieniach powyżej ciśnienia absorpcji związku bazowego LaNi5 oraz poniżej 10 bar. Maksymalna zdolność absorpcji wodoru cmac maleje wraz ze wzrostem domieszkowania ołowiem, osiągając nieznacznie powyżej 1.0 wt.% dla wodorku LaNi4.75Pb0.25 w tem¬peraturze 323 K. Przebadanie kinetyki reakcji pozwoliło na wyznaczenie czasów t90 absorpcji i despocji t10 wodoru w badanych stopach oraz określenie dominującego mechanizmu w procesach. Dla wszystkich badanych próbek najlepsze dopasowanie danych kinetycznych otrzymane zostało modelem pierwszego rzędu JMAK (Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov) [7]. Dane izotermiczne pcT posłużyły do opisu zjawiska absorpcji wodoru modelami fizyki statystycznej przy wykorzystaniu wielkiej funkcji rozdziału Zgc [8]. Stąd możliwe było wyznaczenie ewolucji funkcji termodynamicznych entalpii swobodnej Ga, energii wewnętrznej Eint i entropii konfiguracyjnej Sa w zależności od ciśnienia wodoru i temperatury reakcji. Otrzymane wyniki zostały następnie porównane z wodorkami innych związków LaNi4.25Al0.75, LaNi4.5Co0.5, LaNi4.75Sn0.25.Item Collective dynamics of polarized spin-half fermions in relativistic heavy-ion collisions(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2022) Singh, Rajeev; Ryblewski, Radosław; Das, Arpan; Bożek, Piotr; Sasaki, Chihiro; Spaliński, MichałStandardowa hydrodynamika relatywistyczna przez lata była niezwykle skuteczna w opisywaniu właściwości silnie oddziałującej materii produkowanej w eksperymentach zderzeń ciężkich jonów. W ostatnim czasie nastąpił znaczny postęp teoretyczny w tej dziedzinie, mający na celu wyjaśnienie nowego zjawiska jakim jest polaryzacja spinowa hadronów emitowanych w tych procesach. Chociaż obecne modele z powodzeniem wyjaśniają niektóre dane eksperymentalne tłumacząc je sprzężeniem między polaryzacją spinu a wirowością ośrodka, nadal brakuje jasnego zrozumienia danych różniczkowych. Jest to powszechnie interpretowane jako wskazówka, że spin należy traktować jako niezależny stopień swobody, którego dynamika nie jest sztywno związana z cyrkulacją przepływu materii. W szczególności, jeśli spin jest makroskopową właściwością układu, w równowadze jego dynamika powinna być zgodna z prawami hydrodynamicznymi. W tej pracy przedstawiamy formalizm relatywistycznej hydrodynamiki płynu doskonałego obejmującej spinowe stopnie swobody otrzymanej w oparciu z kwantową teorię kinetyczną dla fermionów o spinie 1/2 i wykorzystujemy ją do modelowania dynamiki materii wytwarzanej w relatywistycznych zderzeniach ciężkich jonów. W oparciu o obserwacje eksperymentalne przyjmujemy, że efekty polaryzacji są małe i wyprowadzamy prawa zachowania dla prądu barionowego, tensora energii-pędu i tensora spinu w używając definicji tych prądów zaproponowane przez de Groota, van Leeuwena i van Weerta . W dalszej części przeprowadzamy analizę właściwości tensora polaryzacji i jego składowych, badamy właściwości propagacyjne składowych polaryzacji i wyprowadzamy prędkość fali spinowej dla dowolnych statystyk kwantowych. Pokazujemy, że poprzeczne składowe polaryzacji podlegają propagacji, analogicznie do fal elektromagnetycznych. Wreszcie, korzystając z naszego formalizmu hydrodynamicznego, badamy czasoprze- strzenną ewolucję polaryzacji dla systemów respektujących pewne symetrie czasoprze- strzenne oraz wyznaczamy średnią polaryzację spinu cząstek na hiperpowierzchni wymrożenia, którą możemy porównać z danymi eksperymentalnymi. Stwierdzamy, że w przypadku niektórych obserwabli, nasze wyniki są jakościowo zgodne z wynikami eksperymentów i innymi obliczeniami modelowymi. Biorąc pod uwagę znaczenie pól elektromagnetycznych w zderzeniach ciężkich jonów, analizujemy również wpływ zewnętrznych pól elektrycznych na dynamikę polaryzacji spinu przy założeniu ekspansji Bjorkena.Item Ciekłe kryształy jako powierzchniowy wskaźnik temperatury. Charakterystyka mezofaz wybranych alkanianów (E)-4-((4-alkiloksyfenylo)diazenylo)fenylu i ich mieszanin(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2022) Piwowarczyk, Marcin; Gałązka, Mirosław; Galewski, Zbigniew; Osiecka-Drewniak, Natalia; Czupryński, Krzysztof; Pawlus, SebastianPrzeprowadzono analizę sytuacji fazowej metodami wzajemnie uzupełniającymi się związków z grupy alkanianów (E) 4 ((4 alkiloksyfenylo)diazenylo)fenylu (nOABOOCm), między innymi: metodami mikroskopii polaryzacyjnej (POM), analizy termo-optycznej (TOA) oraz skaningowej kalorymetrii różnicowej (DSC). Badane związki nOABOOCm można podzielić na pięć szeregów homologicznych (dla n = 3, 5, 7, 8 lub 10) składających się z przynajmniej 18 homologów (dla m = 1 – 19). Łącznie uzyskano 94 związki, w tym 74 wcześniej nie opisane w literaturze. Obserwowano występowanie fazy N, faz smektycznych (SmC, SmI, SmF, SmG oraz SmH), a także polimorfizmu fazy krystalicznej. Dla wybranych przedstawicieli związków z rodziny nOABOOCm wykonano dodatkowe pomiary parametrów fizykochemicznych z wykorzystaniem metod: dyfrakcji promieni rentgenowskich (XRD), Fourierowskiej spektroskopii w podczerwieni (FTIR), szerokopasmowej spektroskopii dielektrycznej (BDS) oraz spektroskopii w zakresie światła widzialnego oraz nadfioletu (UV–Vis). Celem głównym niniejszej pracy doktorskiej było przygotowanie i analiza diagramów fazowych dwuskładnikowych mieszanin związków ciekłokrystalicznych, w których jeden ze składników posiada centrum chiralne. Układy tego typu potencjalnie mogą znaleźć zastosowanie w termografii kontaktowej. Do przygotowania mieszanin ciekłokrystalicznych zawierających związki nOABOOCm z chiralnymi mezogenami wyselekcjonowano dwa homologi: 7OABOOC5 oraz 7OABOOC8. Materiałami zawierającymi grupę chiralną były: pochodna cholesterolu (nonanan cholesterylu) oraz związek zawierający ugrupowanie diazenylowe (2 chloropropionian (E) 4 ((4 undecylofenylo)diazenylo)fenylu). Sytuację fazową przeanalizowano metodami POM i DSC. Wykazano występowanie zjawiska indukowania fazy N*, a także zwiększenie temperaturowego zakresu występowania fazy N* względem czystych związków.Item Complexity characteristics of punctuation usage patterns in written language(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2022) Stanisz, Tomasz; Drożdż, Stanisław; Hołyst, Janusz; Kułakowski, KrzysztofJęzyk naturalny posiada szereg specyficznych cech, które pozwalają traktować go jak układ złożony. Ma on skomplikowaną, hierarchiczną organizację, a właściwości i oddziaływania charakterystyczne dla poszczególnych jego struktur niekoniecznie wynikają wprost z właściwości elementów składających się na te struktury. Tematem pracy jest badanie tych aspektów organizacji języka naturalnego, które w użyteczny sposób można opisywać za pomocą formalizmu stosowanego do opisu układów złożonych. Przedmiotem analizy jest język w formie pisanej - którego próbkę stanowią teksty literackie w kilku językach europejskich (angielskim, niemieckim, francuskim, włoskim, hiszpańskim, polskim i rosyjskim). Pierwszą badaną kwestią są rozkłady potęgowe opisujące częstość występowania słów w tekstach oraz wpływ, jaki na kształt tych rozkładów ma uwzględnienie częstości występowania znaków interpunkcyjnych. Kolejnym zagadnieniem jest reprezentacja tekstów w postaci szeregów czasowych, skonstruowanych w oparciu o podział na zdania lub na fragmenty pomiędzy kolejnymi znakami interpunkcyjnymi. Okazuje się, że szeregi te posiadają cechy często spotykane w sygnałach generowanych przez układy złożone - obecność korelacji długozasięgowych i związanych z nimi odpowiednich struktur fraktalnych lub multifraktalnych. Co więcej, analiza podziału tekstów na fragmenty wyznaczone przez interpunkcję pozwala zaobserwować, że odległości pomiędzy kolejnymi znakami interpunkcyjnymi można opisać za pomocą dyskretnego rozkładu Weibulla; stanowi to pewną statystyczną prawidłowość, której podlegają teksty we wszystkich przebadanych w pracy językach. Ostatnia część rozprawy poświęcona jest sieciom lingwistycznym (sieciom złożonym reprezentującym wybrane aspekty organizacji języka) i koncentruje się na sieciach sąsiedztwa słów - których struktura odzwierciedla współwystępowanie słów w tekstach. Rezultaty badania sieci sąsiedztwa słów wskazują, że wielkości charakteryzujące takie sieci mogą być wykorzystywane do klasyfikacji tekstów, na przykład w rozpoznawaniu autorstwa. Dodatkowo, metody analizy sieci zostały zastosowane do sieci lingwistycznych innego typu, konkretnie do tak zwanych sieci skojarzeń pomiędzy słowami, skonstruowanych w oparciu o dane pochodzące z odpowiednich eksperymentów psycholingwistycznych. W sieciach tych zostały zidentyfikowane złożone struktury, istotnie różne od tych, które można zaobserwować w sieciach przypadkowych. We wszystkich przeprowadzonych analizach dotyczących języka pisanego kluczowym zagadnieniem jest interpunkcja i jej wpływ na mierzalne cechy języka. W analizie częstości występowania słów znaki interpunkcyjne są traktowane jak słowa, co prowadzi do zwiększenia zgodności rozkładu częstości z rozkładem potęgowym, określonym prawem Zipfa. Wzięcie pod uwagę interpunkcji w sieciach sąsiedztwa słów dostarcza użytecznej informacji, której uwzględnienie istotnie poprawia efektywność identyfikacji cech rozróżniających teksty. Z rezultatów analizy szeregów czasowych wynika, że organizacja, jaką do języka wprowadza interpunkcja, ma zarówno właściwości w znacznym stopniu uniwersalne (wspólne dla różnych tekstów), jak i pewne cechy charakterystyczne dla poszczególnych tekstów - na przykład dla tekstów w konkretnym języku.Item Synteza i badanie własności analogów błękitu pruskiego o zredukowanej wymiarowości(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2022) Sas, Wojciech; Fitta, Magdalena; Laskowska, Magdalena; Szałowski, Karol; Tabiś, WojciechMagnetyki molekularne cieszą się w ostatnich latach dużym zainteresowaniem wśród badaczy, głównie ze względu na ich wielofunkcyjny charakter. Posiadają znaczący potencjał aplikacyjny w ogniwach paliwowych, układach kwantowych w funkcji zaworów spinowych, czy zastosowaniach biomedycznych jako nośniki leków czy markery różnych substancji. Jedną z wiodących grup materiałów będących magnetykami molekularnymi są analogi błękitu pruskiego. Cechują się one stosunkowo prostą strukturą krystaliczną, a ponadto mogą być syntetyzowane przy użyciu wielu technik. W niniejszej rozprawie zostały opisane procesy syntezy i analiza właściwości fizykochemicznych dwóch rodzin analogów błękitu pruskiego. W pierwszej części skupiono się na błękicie pruskim Fe4[Fe(CN)6]3 i jego analogu Fe3[Cr(CN)6]2, które zostały uzyskane w postaci warstw oraz nanorurek z wykorzystaniem metody elektrochemicznej redukcji. Zostały scharakteryzowane zarówno związki jednofazowe jak i próbki dwuskładnikowe. Druga część dotyczy związków o ogólnym wzorze Ni3[Fe(CN)6]x[Cr(CN)6]2−x, które zostały uzyskane w postaci proszków, dwóch rodzajów warstw (wykorzystując podłoże PET−ITO oraz Nafion®) i nanocząstek. W tym celu zastosowano techniki szybkiego strącania, wielosekwencyjnej adsorpcji, wymiany jonowej oraz syntezy z wykorzystaniem polimeru PVP. Do charakteryzacji uzyskanych próbek wykorzystano następujące techniki badawcze: skaningową mikroskopię elektronową (SEM), mikroskopię sił atomowych (AFM), spektroskopię w zakresie podczerwieni (FTIR), dyfrakcję rentgenowską (XRD), dynamiczne rozpraszanie światła widzialnego (DLS) oraz magnetometrię z wykorzystaniem magnetometru typu MPMS SQUID. Przedstawiona analiza pokazała, że możliwe jest zaprojektowanie i wytworzenie układów o dobrze określonej stechiometrii i oczekiwanych własnościach fizykochemicznych. Dotyczy to zarówno próbek jedno- jak i wielofazowych i może być realizowane przez dobór odpowiednich warunków syntezy. Ponadto możliwe jest oszacowanie udziału procentowego poszczególnych faz magnetycznych w układach wielofazowych, bazując na danych magnetycznych, nawet w przypadku, gdy nie jest możliwa analiza pierwiastkowa innymi metodami.Item Optimization of proton pencil beam scanning technique for moving targets(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2022) Czerska, Katarzyna; Kopeć, Renata; Sas-Korczyńska, Beata; Ślosarek, Krzysztof; Kukołowicz, PawełRadioterapia protonowa, jedna z najbardziej precyzyjnych i unikatowych form radioterapii, jest jednocześnie jedną z najbardziej dynamicznie rozwijających się technik na przestrzeni ostatnich lat, również w Polsce. Poniższa praca doktorska jest dedykowana wyłącznie radioterapii protonowej tzw. poruszających się narządów, których położenie może się zmieniać w czasie seansu terapeutycznego, co czyni ją jedną z najbardziej złożonych zagadnień w radioterapii w ogólności. Dzięki znacznemu zyskowi terapeutycznemu, obserwowanemu przy wykorzystaniu wiązek protonowych oraz pomimo wielu technicznych wyzwań, leczenie wskazań takich jak, np. rak piersi lub rak płuca, zostało klinicznie zaimplementowane w wielu ośrodkach na całym świecie. Implementację musi jednak poprzedzać szczegółowa i dogłębna analiza zysków, weryfikacja możliwości danego systemu oraz zasadność użycia techniki w konkretnych przypadkach. Zaprezentowane w poniższej rozprawie badania mogą stanowić podstawę dla przyszłych protokołów klinicznych wykorzystywanych w leczeniu poruszających się narządów w Centrum Cyklotronowym Bronowice (CCB) IFJ PAN w Krakowie. W celu oszacowania zasadności wykorzystania wiązki protonowej w leczeniu raka piersi przeprowadzone zostało retrospektywne porównanie z powszechnie dostępną techniką fotonową, a także efektywność dodatkowego wykorzystania tzw. techniki wstrzymanego oddechu w radioterapii protonowej. Rozpoczęcie tego etapu zostało poprzedzone pomiarem oraz wprowadzeniem w CCB IFJ PAN nowej krzywej kalibracji tomografu komputerowego użytego do zebrania danych obrazowych. Wyniki wskazują, iż radioterapia protonowa umożliwia znaczną minimalizację dawek na narządy krytyczne, w tym serce i lewą tętnicę wieńcową zstępującą, co w przyszłości może się przekładać na mniejsze ryzyko wystąpienia późnych powikłań. Ponadto, wykonana optymalizacja oraz weryfikacja wpływu różnych układów wiązek w radioterapii protonowej raka piersi, zarówno dla tomografii wykonanych na swobodnym, jak i wstrzymanym oddechu, pozwoliła na oszacowanie ich wpływu na jakość planu terapeutycznego. Dostępne w CCB IFJ PAN narzędzia wspomagające, m.in. obrazowanie, czy dozymetrię, tj. fantom oddechowy CIRS Dynamic Thorax Phantom, platforma oddechowa CIRS Dynamic Platform, czy system bramkowania oddechowego VisionRT, zostały wykorzystane w celu oszacowania możliwości ośrodka CCB IFJ PAN pod kątem leczenia raka płuca. Prezentowane prace obejmowały wykonanie tomografii 4D, planowanie oraz testy dozymetryczne na stanowisku gantry. Dwa algorytmy do optymalizacji dawki, dostępne w systemie planowania leczenia Varian Eclipse, zostały zweryfikowane pod kątem możliwości ich użycia w tym konkretnym przypadku (Varian Medical Systems, Palo Alto, California). Ponadto, wprowadzono i zwalidowano tzw. technikę repaintigu, tj. wielokrotnego przemiatania warstw energetycznych planu terapii oraz oszacowano wpływ efektu interplay, wynikającego z nałożenia się struktur czasowych ruchu guza oraz wiązki protonowej, na zaplanowany rozkład dawki podczas testów dozymetrycznych dla dwóch krzywych oddechowych z wykorzystaniem fantomu oddechowego.Item Wybrane zagadnienia z fizyki magnetyków molekularnych o różnej wymiarowości opartych na metalach d-elektronowych(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2022) Czernia, Dominik; Pełka, Robert; Podgajny, Robert; Konieczny, Piotr; Szałowski, Karol; Sikora, MarcinMultifunkcjonalne magnetyki molekularne to klasa materiałów metalo-organicznych o unikalnych właściwościach fizycznych, które mogą potencjalnie przyczynić się do rozwoju nowoczesnej technologii. W szczególności prowadzone są badania w kierunku spintroniki, chłodzenia magnetycznego albo bistabilnych przełączników magnetycznych reagujących na zewnętrzne bodźce takie jak światło, ciśnienie albo wilgoć. Aktualne prace skupiają się na aspekcie eksperymentalnym, umożliwiającym wyznaczenie istotnych parametrów związków molekularnych, oraz teoretycznym, pozwalającym zrozumieć korelacje magneto-strukturalne i zastosować je podczas projektowania kolejnych związków, które mają charakteryzować się pożądanymi właściwościami. Głównym celem niniejszej rozprawy doktorskiej jest przedstawienie wybranych teoretycznych metod badań właściwości magnetycznych magnetyków molekularnych bazujących na metalach d-elektronowych oraz ich praktyczne zastosowanie do opisu trzech niskowymiarowych typów związków molekularnych. Pierwsze dwa wybrane modele, metoda ścisłych obliczeń kwantowych oraz przybliżenie pola molekularnego (MFA), opisane są w sposób ogólny umożliwiający wykorzystanie ich dla dowolnego innego układu magnetycznego. W szczegółowy sposób uwzględniono również przykłady wykorzystania tych metod dla konkretnych układów. Dwa kolejne modele to wariacyjna metoda klastrów w przybliżeniu par (CVMPA) oraz klasyczno-kwantowy model jednowymiarowego łańcucha, które w niniejszej pracy rozpatrywano, odpowiednio, dla dwuwymiarowego układu spinów S = 1/2 z anizotropią typu XY oraz jednowymiarowego łańcucha, w którym jony o wysokim spinie ułożone są naprzemiennie z układem dwóch jonów o spinie S = 1/2. W części pracy dotyczącej badań rzeczywistych magnetyków molekularnych opisano zależność podatności magnetycznej łańcucha molekularnego składającego się z jonów Fe(III) oraz Cu(II) za pomocą trzech różnych modeli. Następnie zasymulowano efekt fotomagnetycznych trzech związków molekularnych pochodzących z jednej rodziny, w tym dwóch enancjomerów, bazujących na jonach Mo(IV) oraz Cu(II). Wykorzystano w tym celu dwa modele zakładające niską i wysoką efektywność naświetlania próbek światłem. W części ostatniej, porównując wyniki z modeli MFA oraz CVMPA, wytłumaczono źródło pochodzenia odwrotnego efektu magnetokalorycznego w monokrysztale, w strukturze którego obserwuje się quasi-dwuwymiarowe warstwy spinów S = 1/2 pochodzące od jonów W(V) oraz Cu(II).Item Badanie procesu sekwencyjnej absorpcji dwufotonowej w zakresie promieniowania rentgenowskiego(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2022) Tyrała, Krzysztof; Szlachetko, Jakub; Czapla-Masztafiak, Joanna; Wachulak, Przemysław; Witkowska, Agnieszka; Gawełda, WojciechZjawiska nieliniowego oddziaływania promieniowania z materią są dobrze opisane w zakresie optycznym widma promieniowania elektromagnetycznego i znalazły swoje zastosowanie w wielu technikach badawczych. Rozwój laserów na swobodnych elektronach, emitujących wiązki o wysokiej gęstości fotonów o energiach w zakresie promieniowania rentgenowskiego umożliwił obserwację zjawisk nieliniowych. Szczególnie absorpcja dwufotonowa na rdzeniowych powłokach atomowych, ze względu na specjalne, kwadrupolowe reguły wyboru dla przejść elektronowych, stanowi bardzo interesujące zjawisko i może pozwolić na obserwację wzbronionych w zakresie liniowym przejść atomowych prowadzących do niezbadanych wcześniej stanów elektronowych materii. Nieliniowe zjawisko absorpcji dwufotonowej może przebiegać w dwóch wariantach – jednoczesnym oraz sekwencyjnym, przy czym badania wskazują, że dominującym jest wariant sekwencyjny. Proces sekwencyjny zachodzi poprzez wirtualny stan pośredni o bardzo krótkim czasie życia (Item Magnetotransportowe własności złączy metal/tlenek metalu/metal(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2022) Chojenka, Juliusz; Wolny-Marszałek, Marta; Zarzycki, Arkadiusz; Jartych, Elżbieta; Kozłowski, AndrzejMagnetoopór jest jednym z najczęściej wykorzystywanych zjawisk magnetycznych w zastosowaniach komercyjnych takich jak magazynowanie danych na dyskach twardych wraz z ich odczytem za pomocą głowicy magnetooporowej, czy też czujnikach pola magnetycznego bądź w magnetycznych pamięciach operacyjnych. Obecnie bada się układy, w których łączy się właściwości półprzewodnikowe oraz magnetyczne, aby stworzyć urządzenia spintroniczne, charakteryzujące się niższym zużyciem energii i większą szybkością działania. W poniższej pracy przedstawiłem metody wytworzenia złączy metal/tlenek metalu/metal, w których środkowa warstwa jest półprzewodnikiem powstałym poprzez anodyzację tytanu albo żelaza. Anodyzacja jest elektrochemicznym procesem służącym do produkcji tlenków metali przejściowych, charakteryzujących się występowaniem jednorodnych i uporządkowanych nanostruktur, które mogą przyjmować formę nanoporów lub nanorurek. Występowanie przestrzennie uporządkowanych struktur o rozmiarach dziesiątek nanometrów wpływa na własności magnetyczne oraz elektryczne całego złącza. Dodatkowo, anodyzacja jest procesem, który umożliwia kontrolowanie rozmiarów oraz typu nanostruktur za pomocą przyłożonego napięcia, kompozycji elektrolitu, temperatury oraz czasu. Głównym celem niniejszej rozprawy było stworzenie nanostrukturyzowanego złącza Schottky'ego z dwiema barierami potencjału, które dodatkowo jest czułe na zewnętrzne pole magnetyczne. W trakcie badań wytworzyłem cztery kombinacje złączy metal/tlenek metalu/metal (użyte metale to Ti oraz Fe), a następnie wybrałem jedno z nich do dalszych badań dotyczących wpływu nanostrukturyzacji na jego własności fizyczne. Obrazowanie powierzchni tlenków pokazało ziarnistą morfologię w układach anodyzowanych przy niskim potencjale 5 V oraz nanoporowate struktury dla wyższych napięć 15 V oraz 60 V. Własności półprzewodnikowe potwierdziłem poprzez wyznaczenie wartości przerwy energetycznej równej 2,3 eV dla obu tlenków. Pomiary profili głębokościowych potwierdziły strukturę warstwową złączy, natomiast międzywierzchnia tlenek metalu/metal ujawniły występowanie dyfuzji tlenu do górnej warstwy metalu. Wyniki badań za pomocą magnetometru typu SQUID pozwoliły na określenie podstawowych wielkości magnetycznych. Ponadto, analiza pętli histerezy pokazała istnienie dwóch faz magnetycznych w badanych układach. Większość wytworzonych złączy charakteryzuje się przewodnictwem omowym, poza układem tytan/tlenek tytanu/żelazo o charakterystyce diody Schottky'ego posiadającym pojedynczą barierę potencjału w temperaturze pokojowej oraz dwie bariery energetyczne w temperaturze 50 K. Magnetoopór dla złączy o przewodnictwie omowym ma dodatnie wartości w temperaturze pokojowej oraz ujemne w temperaturze 5 K. Dla złącza Schottky'ego wartości magnetooporu są dodatnie w całym mierzonym zakresie temperatur, a także silnie zależą od polaryzacji prądu.Item Wspomaganie decyzji w planowaniu spersonalizowanej radioterapii protonowej w oparciu o modelowanie radiobiologiczne(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2022) Jeleń, Kinga; Olko, Paweł; Roterman-Konieczna, Irena; Słonina, Dorota; Szefliński, Zygmunt; Kruszewski, MarcinOrganizmy żywe wykazują złożoną reakcję na dawki promieniowania jonizującego. Reakcja na promieniowanie jest często kwantyfikowana poprzez przeżywalność komórek biologicznych i silnie zależy od wielu czynników, zarówno fizycznych jak i biologicznych. Dla porównania działania różnych modalności promieniowana stosuje się pojęcie Względnej Skuteczności Biologicznej (ang. Relative Biological Effectiveness, RBE), które określa stosunek dawek promieniowania referencyjnego i badanego, wywołujących ten sam efekt biologiczny np. przeżywalność. Obecnie w radioterapii protonowej stosuje się, zgodnie z zaleceniami ICRU i AAPM, stałą wartość RBE = 1,1, która służy do wyliczenia aktualnych wartości tzw. dawek biologicznych (DRBE). Wyniki wielu eksperymentów in vitro i in vivo pokazują, że pod koniec toru protonu, w obszarze rosnącej gęstości jonizacji (tzw. pik Bragga) RBE rośnie powyżej wartości 1,1, co może mieć wpływ na wynik leczenia. Dostępne modele radiobiologiczne, oparte na danych uzyskanych z eksperymentów in vitro, wiążą zmienność RBE dla protonów z liniowym transferem energii (ang. Linear Energy Transfer, LET) i stosunkiem α/β z modelu liniowo-kwadratowego (Linear –Quadrtic, LQ). W niniejszej pracy przeanalizowano model radiobiologiczny Wedenberg, zbudowany na bazie wyników 34 eksperymentów dla 10 różnych linii komórkowych, napromienianych monoenergetycznymi wiązkami protonów o wartościach LET z zakresu od 6 keV∙μm^(-1) do 30 keV∙μm^(-1). Model ten ma jeden wolny parametr q =0.434 Gy⋅μm⋅keV^(-1) uzyskany z dopasowania zbioru wartości parametrów α, β w funkcji LET. Parametr ten ma kluczowe znacznie, łączy bowiem wartość RBE z parametrami α, β. Jednak zbiór wartości parametrów α, β wykazuje znaczny rozrzut, co sugeruje, że wartość wolnego parametru q może silnie zależeć od niepewności danych radiobiologicznych. Dlatego w ramach tej pracy zaproponowano probabilistyczne podejście do modelu Wedenberg, polegające na wyznaczeniu rozkładu parametru q(〖α,α〗_ref,β_ref,LET) i analizie wpływu zmienności tego parametru na zmienność RBE. Do propagacji niepewności zastosowano metody statystyczne typu bootstrap i Monte Carlo, proponując tzw. poszerzony model Wedenberg. Wynikiem tego podejścia było uzyskanie nowego rozkładu wartości RBE, ze średnią porównywalną z oryginalnym modelem Wedenberg. Pokazano, że niepewności parametrów modelu LQ (α i β) na poziomie 40% - 60% prowadzą do niepewności RBE na poziomie 5%-7%. Poszerzony model Wedenberg umożliwił analizę niepewności danych radiobiologicznych i ich wpływ na dawkę biologiczną, stosowaną w planowaniu leczenia w radioterapii protonowej. Przeprowadzone porównania potwierdziły, że mimo stosowania uproszczonej analizy niepewności, wyniki modelu Wedenberg niewiele odbiegają od bardziej zaawansowanej analizy i mogą być stosowane do planowania leczenia w radioterapii protonowej.Item Application of mono-, bi- and trimetallic gold (Au NPs), platinum (Pt NPs) and palladium-based (Pd NPs) nanoparticles to enhance the proton irradiation effect of cancer cells in vitro(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2022) Klębowski, Bartosz; Parlińska-Wojtan, Magdalena; Baran, Jarosław; Depciuch-Czarny, Joanna; Gagoś, Mariusz; Kossacki, Piotr; Pawlik, PiotrNowotwory należą do jednych z najczęstszych i najbardziej zagrażających życiu chorób cywilizacyjnych. Niestety, dostępne metody leczenia, takie jak chirurgia, chemioterapia, radioterapia, a nawet immunoterapia często nie dają satysfakcjonujących rezultatów. W związku z tym, niezmiernie ważne jest znalezienie nowych, bardziej efektywnych strategii zwalczania nowotworów. W niniejszej rozprawie doktorskiej zbadano wzmocniony, przeciwnowotworowy efekt napromieniania wiązką protonów (PIr) w obecności nanocząstek, będący rezultatem terapii wykorzystującej rozwój nanotechnologii i niepowodującej wyraźnych uszkodzeń prawidłowych komórek i tkanek, z jednoczesnym działaniem przeciw- nowotworowym. W tym celu zsyntezowano mono,- bi- oraz trimetaliczne nanocząstki (NPs) zbudowane z atomów o wysokiej liczbie atomowej Z (złota – Au NPs, platyny – Pt NPs, palladu – Pd NPs), które dodawano do rakowych oraz referencyjnych linii komórkowych, aby wykazać czy osiągnięty zostanie lepszy efekt PIr w porównaniu do PIr o takiej samej dawce promieniowania, ale bez dodatku NPs do komórek. Zatem, w niniejszej rozprawie wykorzystano interdyscyplinarne podejście, w którym wiedzę o chemicznej syntezie nanocząstek oraz mechanizmach ich wzrostu połączono z właściwościami fizycznymi otrzymanych nanostruktur mającymi bezpośredni efekt biologiczny na komórki. Badania te miały odpowiedzieć także na pytanie, jaki mechanizm: chemiczno-biologiczny czy fizyczny jest odpowiedzialny za zwiększenie śmiertelności komórek rakowych hodowanych z NPs i naświetlanych wiązką protonów. W rozprawie doktorskiej zastosowano wiele fizycznych, chemicznych i biologicznych metod w celu zweryfikowania zawartych w pracy hipotez: analizę aktywacyjną cząstkami (protonami) naładowanymi (ChPAA), transmisyjną mikroskopię elektronową (TEM), spektroskopię dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego (EDS), dyfrakcję elektronową wybranego obszaru (SAED), dyfrakcję rentgenowską (XRD), spektroskopię w zakresie nadfioletu i światła widzialnego (UV-Vis), pomiar potencjału zeta, analizę śledzenia nanocząstek (NTA), mikroskopię holotomograficzną 3D, test MTS (sól 3-(4,5-dimetylotiazol-2-ylo)-5-(3-karboksymetoksyfenylo)-2-(4-sulfofenylo)-2H-tetrazolowa) oraz cytometrię przepływową. W warunkach laboratoryjnych otrzymano metodą mokrej syntezy monometaliczne Au NPs, Pt NPs, Pd NPs oraz bi- i trójskładnikowe kombinacje tych NPs. Wyżej wymienione rodzaje NPs zostały wybrane ze względu na ich właściwości, takie jak wysoka liczba atomowa Z, rozmiar poniżej 50 nm, krystaliczna struktura oraz odpowiednio dobrane stabilizatory. Otrzymane NPs były dodawane do hodowli trzech linii komórkowych raka jelita grubego, cechujących się różną agresywnością i potencjałem przerzutowania, aby określić, który rodzaj NPs powoduje największą cytotoksyczność po PIr. Następnie przeprowadzono długoterminowe obserwacje komórek w czasie rzeczywistym, stosując nieinwazyjną technikę mikroskopii holotomograficznej 3D (Nanolive), uzyskując informacje na temat miejsc akumulacji NPs oraz spowodowanych akumulacją zmian gęstości NPs we wnętrzu komórek. Do wykazania kumulatywnego efektu NPs oraz PIr względem komórek, w pierwszym etapie za pomocą testu MTS wyznaczono nietoksyczne stężenia poszczególnych rodzajów NPs oraz dawki promieniowania protonowego dla wszystkich linii komórkowych. W obu przypadkach dopuszczalnym progiem było stężenie/dawka, które powodowało śmiertelność nie wyższą niż 20 % komórek. Następnie, NPs w takim wyznaczonym stężeniu dodawano do hodowli do odpowiednich linii komórkowych, które następnie naświetlono, po czym w różnych odstępach czasu oceniono ich żywotność za pomocą testu MTS oraz cytometrii przepływowej. Wyniki badań pokazały, że PIr komórek hodowanych z NPs daje większy efekt cytotoksyczny, w porównaniu do PIr bez wykorzystania NPs. Potwierdza to celowość i skuteczność stosowania nanoradiouczulaczy w terapiach antynowotworowych. Jednakże, końcowy efekt PIr zależy nie tyle od rodzaju metalu wchodzącego w skład NPs, ale bardziej od rozmiaru oraz nanostruktury (porowatości) NPs. Wykazano, że ultra małe Pt NPs oraz Pd NPs mają lepsze właściwości radiouczulające w porównaniu do pozostałych NPs. Niewielki rozmiar NPs zapewnia silnie rozwiniętą powierzchnię, a co za tym idzie – warunkuje lepsze właściwości radiouczulające. Najbardziej obiecujące wydają się tu ultra małe Pd NPs, gdyż maksymalne nie-toksyczne stężenie tych NPs było mniejsze niż ultra małych Pt NPs, a końcowy efekt działania Pt NPs i Pd NPs był zbliżony. Porównano także efekt porowatości dwóch struktur AuPd typu rdzeń-otoczka: AuPd CSs z ciągłą palladową otoczką oraz nanomalin (AuPd NRs) z porowatą palladową otoczką. Istotne jest, że oba typy NPs mają zbliżoną zewnętrzną średnicę, składają się z tych samych metali oraz to, że zostały otrzymane za pomocą takich samych reagentów w analogicznej metodzie syntezy. Wyraźnie lepsze właściwości radiouczulające wykazano dla porowatych AuPd NRs, co jest spowodowane przez silniej rozwiniętą powierzchnię tych NPs, co zapewnia lepszy kontakt z komórkami. Zdjęcia z mikroskopii holotomgraficznej 3D pokazały, że Pd NPs akumulują się w jądrach komórkowych. Dla wszystkich badanych linii komórkowych objętość zajmowana przez NPs w komórkach wzrastała liniowo wraz z czasem hodowli i zależała od linii komórkowej – najbardziej widoczne zmiany zaobserwowano dla linii SW620. Oznacza to, że dynamika wnikania Pd NPs była różna dla poszczególnych linii komórkowych. Ważnym dla zastosowań medycznych jest fakt, że komórki wszystkich linii nowotworowych były bardziej wrażliwe na PIr, NPs oraz łączoen działanie PIr z NPs, w porównaniu z komórkami prawidłowymi. Zbadano także mechanizmy interakcji komórek z wiązką protonów i NPs, które prowadzą do śmierci komórek. Wyniki ChPAA wykazały, brak występowania promieniowania gamma charakterystycznego dla nuklidów/izotopów, które mogłyby powstać w wyniku reakcji jądrowej na złocie, platynie lub palladzie, co sugeruje, że fizyczny efekt radiouczulania pełni znikomą rolę w śmierci komórek. W tym kontekście należy oczekiwać, że w radiouczulanie zaangażowany jest głównie efekt biologiczno-chemiczny opierający się na generowaniu m.in. reaktywnych form tlenu (ROS) i/lub hamowaniu podziałów komórki w fazie G2/M, w której komórki cechują się najwyższą wrażliwością na promieniowania. Podsumowując, w niniejszej rozprawie sprawdzono wpływ rozmiaru, struktury, składu chemicznego oraz wartości potencjału zeta NPs na wzmacnianie efektu napromieniowania komórek rakowych oraz prawidłowych. Wykazano, który mechanizm radiouczulania pełni kluczową role w indukcji śmierci komórek nowotworowych, poddanych działaniu NPs oraz PIr. Uzyskane wyniki pokazały, że dodatek zsyntezowanych NPs w nietoksycznym stężeniu do komórek nowotworowych, znacząca zwiększa ich śmiertelność na skutek oddziaływania NPs z wiązką protonów.