Reklama

Nanoświat

Nanoświat

06.12.2007
Czyta się kilka minut
Jako mały chłopiec poznawałem świat prostymi metodami. Schowani z bratem i siostrą pod łóżkiem albo za piecem, przy pomocy śrubokręta, łyżeczki do herbaty czy noża błyskawicznie rozkręcaliśmy nie tylko zabawki (by sprawdzić, co gra w bączku albo dlaczego nakręcana kluczykiem żabka skacze), ale i budziki, zegarek dziadka, radio, aparat fotograficzny Druh. Znajdowane w nich sprężyny, trybiki, lampy elektronowe, soczewki, potencjometry itp. stanowiły już dla nas elementarne składniki, z których złożony jest świat.
F

Fizycy i chemicy, a wcześniej alchemicy działają podobnie: starają się "rozebrać" materię na elementarne składniki. Początkowo wydawało im się, że wszystko jest zrobione z czterech żywiołów: ziemi, powietrza, ognia i wody (choć np. u Chińczyków było pięć żywiołów: zamiast powietrza metal i drewno), ale idea atomów jest równie stara. Podobnie z pomysłami na temat cząsteczkowej budowy materii. Wychodząc z założenia, że istnieją najmniejsze kuliste cząsteczki wody, już Kepler dochodził do ważnych wniosków na temat budowy płatków śniegu, które dziś uznajemy za początek krystalografii (patrz jego "Noworoczny podarek", "Książki w Tygodniku" nr 50/2006). Dziś fizycy wysokich energii dotarli do składników bardziej elementarnych niż atomy, a nawet składniki atomów - do kwarków. Ale to nie koniec drogi. Budowana mozolnie teoria strun ma dotknąć jeszcze głębszego poziomu. Czy istnieje najbardziej elementarny poziom organizacji materii, poniżej którego już nic nie ma? Nie znamy odpowiedzi na to pytanie, ale niektórzy uważają, że tak i że jesteśmy już blisko dokopania się do samego dna.

Na bardziej przyziemnym i dostrzegalnym gołym okiem poziomie wszelka otaczająca nas materia jest złożona z substancji (powietrze, woda, drewno, metale, plastiki, guma, tłuszcz itd. - ta lista prawie nie ma końca). Większość tych substancji można rozłożyć na prostsze składniki. Tego rozkładu nie można jednak ciągnąć za daleko, w końcu otrzymujemy substancje, których już rozłożyć się nie da. Nazywamy je pierwiastkami chemicznymi, jest ich nieco ponad sto. To z nich zbudowany jest świat wokół nas i to z nich, jak z klocków LEGO, poskładane są cząsteczki związków chemicznych. Zastąpiły dawne "żywioły", czego ślad odnajdujemy w języku: w angielskim słowo element oznacza zarówno pierwiastek, jak i żywioł właśnie (we francuskim czy niemieckim jest tak samo).

Historię poznawania różnych substancji i umiejętności ich wytwarzania oraz separowania opisał w pasjonującej książce "Materia cywilizacji" Stephen Sass (Wydawnictwo Diogenes, Warszawa 2000). Jak ważne było opanowanie metod wytwarzania różnych substancji, świadczy nazywanie epok historycznych epokami żelaza, brązu, ceramiki takiej czy innej. Ciekawe, czy za parę tysięcy lat nasza epoka będzie nazywana epoką C2H5OH (czyli alkoholu etylowego) albo epoką C9H13N, czyli (±)1-fenylo-2-aminopropanu (amfetaminy)?

Lektura "Galerii cząsteczek" jest jak słuchanie przy kolacji czarującego, ekscentrycznego angielskiego profesora. Mieszanina solidnej wiedzy, anegdot, żartu, prowokacji (w stosunku do chemiofobów: "nie bój się, mała plastikowa torebka nie zrobi ci krzywdy"). John Emsley jest chemikiem, który pracował na uniwersytetach w Londynie i Cambridge. Opublikował z Denisem Hallem klasyczny podręcznik akademicki "The chemistry of phosphorus". Sławę przyniosły mu jednak popularne felietony "Cząsteczka miesiąca" w "The Independent". Z pozornie nieefektownych tematów potrafi wyczarować pasjonujące, czasem dramatyczne albo intrygujące jak kryminał (tak pisze na przykład o fosforze), zawsze pełne anegdot historie.

Styl Emsleya znany jest już polskiemu czytelnikowi. W 1996 r. ukazał się u nas kapitalny "Przewodnik po chemii życia codziennego" (Prószyński i S-ka). "Przewodnik" był zorganizowany na zasadzie klasyfikacji chemicznej ("Azotany", "Alkohole", "Dioksyny" itd.). "Galerię cząsteczek" uporządkowano według sytuacji życiowych: dom, środowisko, początki życia, twój metal itp. Pasjonująca lektura i świetna rozrywka intelektualna. Po tych peanach łyżka dziegciu (by utrzymać się w klimacie "Galerii cząsteczek": mieszaniny aromatycznych węglowodorów i kwasów pochodzących z suchej destylacji kory brzozowej): okładka woła o pomstę do nieba. Lektura wymaga przełamania estetycznej "bariery potencjału", jaki wywołuje ta mikstura tandety, kiczu i banału.

Chemia fizyczna to nauka, która wydawała się już zamknięta. Choć nikt nie wątpi w jej użyteczność - w naszym otoczeniu coraz więcej sztucznych substancji - wydawało się, że wszystko w niej wiadomo, że pozostały tylko problemy techniczne. Tymczasem w 1985 r. Harold Kroto (wtedy na Uniwersytecie w Sussex) oraz James R. Heath, Sean O'Brien, Robert Curl i Richard Smalley z Rice University odkryli w Kosmosie (w świetle odległych gwiazd) niezwykłą cząsteczkę węgla - C60 (czyli złożoną z 60 atomów), w której atomy ułożone są tak, że przypomina piłkę futbolową. Kroto, Curl i Smalley za to odkrycie dostali w 1996 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Nie po raz pierwszy odkryto w Kosmosie coś, czego wcześniej nie widziano na Ziemi - przypomnijmy, że hel został najpierw odkryty na Słońcu.

Cząsteczka C60 i podobne C70, C120, C140 czy olbrzymy jak C540 nazwano fulerenami. Okazało się, że poza znanymi od dawna postaciami węgla, takimi jak kryształy grafitu, diamentu i bezpostaciowa sadza, w przyrodzie jest miejsce na coś jeszcze. Przypomniano sobie o przeoczonej wcześniej pracy Eiji Osawy z Toyohashi University of Technology (1970), w której przewidział on istnienie takich cząsteczek. Pech uczonego, ale dowód na potęgę teorii fizycznych i ludzkiego rozumu - Osawa zobaczył w swych równaniach coś, czego istnienia nikt wtedy nie podejrzewał i czego nikt nie widział w naturze.

Nazwa "fulereny" pochodzi od Richarda Buckminstera "Bucky" Fullera (1885-1983), amerykańskiego wizjonera, architekta, poety i wynalazcy. Wynalezione przez niego sposoby przykrywania dużych powierzchni, tzw. kopuły geodezyjne, przypominały odkrywcom C60 te cząsteczki węgla. Szybko nauczono się produkować fulereny, a także odkryto, że występują one dość powszechnie, np. w sadzy.

Okazało się też, że istnieją inne, arcyciekawe cząsteczki węgla, nazwane nanorurkami. Mają one postać cylindrów powstałych ze zwinięcia jednoatomowej warstwy grafitu. Ich średnica wynosi kilka nanometrów, czyli miliardowych części metra, ale długość może być miliony razy większa i dochodzić do ułamków milimetra. Są fantastycznym przykładem obiektów jednocześnie mikro- i makroskopowych. Jeden ich wymiar mieści się w skalach atomowych, a drugi można zobaczyć gołym okiem.

Nanorurki mają niezwykłe własności mechaniczne (są superwytrzymałe), elektryczne, magnetyczne i cieplne. Badania fulerenów i nanorurek oraz podobnych struktur otworzyły zupełnie nowy rozdział technologii - nanotechnologię, oferującą bajkowe możliwości budowania superminiaturowych, supertrwałych, superprecyzyjnych urządzeń. Mamy nadzieje na precyzyjne leki dostarczane do konkretnych komórek, na atomowej grubości nici i przewody, na komputery o niewyobrażalnych dziś możliwościach itd. Nanotechnologie zaczynają też wzbudzać przerażenie. Supermocne materiały będą niemal niemożliwe do utylizacji. Problemy z azbestem (wszechobecne mikrocząsteczki o rakogennym działaniu) są poważnym ostrzeżeniem. Materiały nanotechnologiczne mogą się okazać problemem o wiele poważniejszym.

Andrzej Huczko i Michał Bystrzejewski z Uniwersytetu Warszawskiego napisali świetny podręcznik fulerenów, nanorurek i ogólniej - nanofizyki i nanotechnologii. Książka "Fulereny. 20 lat później" nie jest lekturą popularną, choć może z niej korzystać każdy, kto ma ścisłe bądź politechniczne przygotowanie. "Fulereny" mówią o historii odkrycia, własnościach fizycznych i chemicznych tych cząsteczek, metodach ich otrzymywania, a także zastosowaniach praktycznych. Lektura obowiązkowa dla każdego, kto chce wiedzieć, co to jest nanotechnologia i czy należy się jej bać.

A boją się zwykle ci, którzy nie wiedzą. Strach ma nie tylko wielkie oczy, ale i pustą głowę. Po trzecim roku fizyki spędziłem lato na praktyce w Instytucie Badań Jądrowych w Świerku pod Warszawą. Uciążliwość codziennego dojeżdżania do odległej o ok. 30 kilometrów miejscowości rekompensowałem sobie okrutnymi żartami z kolegów humanistów. Mówiłem im, że w IBJ w powietrzu aż roi się od atomów, a w halach doświadczalnych pełno jest cząsteczek chemicznych. Przerażeni zastanawiali się, dlaczego jeszcze nie świecę i dlaczego w ogóle żyję, ale najbardziej: dlaczego ja się wcale nie boję?

  • John Emsley, "Galeria cząsteczek. Portrety fascynujących substancji wokół nas", przeł. Edwin Bendyk, Warszawa 2007, Prószyński i S-ka; Andrzej Huczko,
  • Michał Bystrzejewski, "Fulereny. 20 lat później", Warszawa 2007, Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego.

Ten materiał jest bezpłatny, bo Fundacja Tygodnika Powszechnego troszczy się o promowanie czytelnictwa i niezależnych mediów. Wspierając ją, pomagasz zapewnić "Tygodnikowi" suwerenność, warunek rzetelnego i niezależnego dziennikarstwa. Przekaż swój datek:

Dodaj komentarz

Usługodawca nie ponosi odpowiedzialności za treści zamieszczane przez Użytkowników w ramach komentarzy do Materiałów udostępnianych przez Usługodawcę.

Zapoznaj się z Regułami forum

Jeśli widzisz komentarz naruszający prawo lub dobre obyczaje, zgłoś go klikając w link "Zgłoś naruszenie" pod komentarzem.

Zaloguj się albo zarejestruj aby dodać komentarz

© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]