Fragment okładki książki Marka Miodownika "W rzeczy samej", 2016, Karakter

CZYM WŁAŚCIWIE JEST GALARETKA?

Pewnego dnia w 1998 roku wszedłem do laboratorium w chwili, gdy jeden z techników wyjmował spod mikroskopu kawałek jakiegoś materiału. „Nie jestem pewny, czy mam prawo ci to pokazać. Może lepiej tego nie oglądaj, inaczej będę musiał wypełnić mnóstwo papierów” – powiedział i szybko zakrył badany przedmiot.

(* Prezentujemy fragment rozdziału "Zdumiewająca" z książki "W rzeczy samej" autorstwa Marka Miodownika, poświęconej historii różnych materiałów z codziennego życia)

Pracowałem wówczas dla amerykańskiego rządu w laboratorium badawczym zajmującym się bronią atomową, położonym na pustyni w Nowym Meksyku. Jako obywatel Wielkiej Brytanii miałem przepustkę o niskim poziomie uprawnień, więc w kompleksie laboratoryjnym znajdowały się strefy, do których nie mogłem wchodzić. Prawdę mówiąc, zamknięta była przede mną większa część kompleksu. Teraz jednak wchodziłem do naszego laboratorium, więc zachowanie technika trochę mnie zdziwiło. Wiedziałem jednak, że lepiej nie zadawać pytań. U schyłku lat dziewięćdziesiątych w Stanach bardzo poważnie traktowano zagrożenie infiltracją rządowych laboratoriów przez Chińczyków. Nieco wcześniej amerykański naukowiec, doktor Wen Ho Lee, został przyłapany na wykradaniu i przekazywaniu Chinom tajemnic atomowych, za co skazano go na więzienie w odosobnieniu. Regularnie przesłuchiwano mnie pod kątem znaczenia moich badań dla bezpieczeństwa kraju, a moi amerykańscy koledzy byli stale i coraz mocniej naciskani, by donosić o wszystkich nietypowych rozmowach. Dla mnie, Brytyjczyka o dociekliwym umyśle, skorego do psot i żartów, zadawanie niepotrzebnych pytań było ryzykownym zajęciem. Ten materiał był jednak zupełnie niezwykły i choć widziałem go tylko przez moment i tylko we fragmencie, nie mogłem o nim zapomnieć.

 Nasz zespół badawczy chadzał razem na lunch do różnych barów w pobliżu kompleksu laboratoriów. W tym celu opuszczaliśmy klimatyzowany, bezpieczny budynek, wychodziliśmy na pustynię i wsiadaliśmy do samochodów stojących na rozgrzanym asfaltowym parkingu. Po drodze mijaliśmy płoty pod napięciem, za którymi pomarańczowy, upstrzony kaktusami piasek ciągnął się aż do granicy bazy lotniczej. Jadąc, oglądaliśmy okolicę przez filtr rozedrganego powietrza unoszącego się znad karoserii naszych samochodów. Nigdzie nie było ani skrawka cienia. Cała ta kraina wydawała się zupełnie nierealna, a wrażenie to potęgowała rutyna naszych codziennych zajęć. Jednym z nich były wycieczki przez pustynię, w konwoju rozpalonych do czerwoności promieniami bezlitosnego słońca samochodów, do barów serwujących teksasko-meksykańskie jedzenie. Jeździliśmy tak dzień za dniem, gadając o różnych błahostkach, otumanieni słońcem. Codziennie przypominał mi się tajemniczy materiał i zastanawiałem się, co też to, u licha, było. Nie mogłem o nim z nikim porozmawiać, przez co jeszcze trudniej było mi o nim zapomnieć.

Pamiętałem, że był przezroczysty, lecz dziwnie opalizował, przypominając hologram albo kamień szlachetny. Materiał widmo. Nigdy nie widziałem niczego podobnego. Snułem szalone spekulacje: może wydobyto go ze statku kosmicznego obcych? Po pewnym czasie zacząłem powątpiewać, czy mi się nie przywidział. Wreszcie przyszła mi do głowy paranoiczna myśl, że oni chcą, bym uznał go za wytwór mojej wyobraźni. „Ja naprawdę go widziałem” – powtarzałem sobie w duchu podczas codziennych wycieczek do baru. Zacząłem mieć dziwne myśli o tym osobliwym materiale i traktować go tak, jakby należał do mnie. W końcu zacząłem się martwić, czy dobrze się z nim obchodzą. Tego dnia stwierdziłem, że czas rzucić tę pracę.

Ponownie zobaczyłem tamto tworzywo dopiero kilka lat później. Znów mieszkałem w Wielkiej Brytanii i pracowałem jako dyrektor Wydziału Badań Materiałowych w londyńskim King’s College. Pewnego popołudnia siedziałem w domu, wypisując kartkę urodzinową dla mojego brata, Dana, gdy w wiadomościach telewizyjnych ogłoszono, że 2 stycznia 2004 roku sonda NASA, której celem było zbieranie próbek pyłu kosmicznego, zgodnie z planem przeleciała obok komety Wild 2. Nagle na ekranie zobaczyłem MÓJ MATERIAŁ. Cóż, może nie do końca mój, lecz ten, który tak desperacko chciałem mieć na własność. „A więc to jednak robota obcych!” – zawołałem, siedząc w pustym mieszkaniu, po czym ruszyłem do komputera, by dowiedzieć się czegoś więcej. „Zdobywają go gdzieś w kosmosie” – pomyślałem. Pudło.

Okazało się, że jest to tworzywo zwane aerożelem. Źle odczytałem to, co pokazywali w telewizji: to właśnie aerożel wykorzystywano do zbierania pyłu. Na tym jednak nie poprzestałem i zacząłem gromadzić coraz więcej informacji na jego temat. Dowiedziałem się, że aerożele nie są dziełem obcych, choć mają bardzo osobliwą historię. Wynalazł je w latach trzydziestych niejaki Samuel Kistler, amerykański farmer i chemik amator, który stworzył je tylko po to, by zaspokoić swoją ciekawość na temat galaretki. Galaretki?

Kistler zadał sobie pytanie, czym właściwie jest galaretka. Nie była to ani ciecz, ani ciało stałe. Uznał, że galaretka jest płynem uwięzionym w formie ciała stałego. Kraty jej więzienia są jak niewidzialna, mikroskopijna siatka zrobiona z długich cząstek żelatyny, pochodnej kolagenu, czyli białka tworzącego większość tkanki łącznej – ścięgna, skórę i chrząstki. W obecności wody cząstki żelatyny rozwijają się i łączą z sobą, formując siateczkę, która zatrzymuje cząstki płynu i uniemożliwia im swobodne przemieszczanie się. Żelatyna jest więc jak napełniony wodą balon – z tą różnicą, że struktury zatrzymujące wodę znajdują się w samej wodzie, a nie tylko na zewnątrz.

Siateczka zatrzymuje wodę dzięki sile zwanej napięciem powierzchniowym. To ta sama siła, która sprawia, że woda wydaje się mokra, odpowiada za powstawanie kropel i powoduje, że płyny przylegają do różnych rzeczy. Napięcie powierzchniowe w żelatynowej siateczce jest na tyle silne, że woda nie może wydostać się z galaretki, lecz na tyle słabe, że jej cząstki mają pewną swobodę ruchu, i to dlatego galaretka się trzęsie. Dlatego też dostarcza tak fantastycznych doznań smakowych: składa się w prawie stu procentach z wody i ma temperaturę topnienia około 35°C, więc jej wewnętrzna żelatynowa struktura szybko się rozpuszcza, a uwolniona woda „eksploduje” w ustach.

Proste wyjaśnienie, że galaretka jest płynem uwięzionym w wewnętrznej siateczce, nie wystarczyło Kistlerowi. Chciał się dowiedzieć, czy ta niewidzialna żelatynowa struktura to jedna całość. Innymi słowy, czy tworzy spójny, niezależny szkielet wewnętrzny, który, jeśli jakimś sposobem usunąć z niego wodę, zachowa formę.

By odpowiedzieć na to pytanie, przeprowadził serię eksperymentów, które opisał w liście do czasopisma naukowego „Nature” (nr 3211, t. 127, s. 741). Oto początkowy fragment tego listu, zatytułowanego Coherent Expanded Aerogels and Jellies („Spójne spienione aerożele i galarety”):

Ciecz w galaretach znajduje się w stanie ciągłym, czego dowodzi jej zdolność do dyfuzji, synerezy i ultrafiltracji. To, że daną ciecz w galarecie można zastąpić innymi o zupełnie innych własnościach, jasno wskazuje, że struktura żelu jest niezależna od cieczy, w której jest zanurzona.

Innymi słowy, jak twierdzi Kistler w pierwszym akapicie listu, za pomocą różnych doświadczeń udało się wykazać, że wszystkie cząstki płynu w galarecie są z sobą połączone i można je zastąpić cząstkami innego płynu. Jego zdaniem dowodzi to, że trwały szkielet wewnętrzny istnieje w galarecie niezależnie od cieczy. Użycie słowa „żel” jako terminu znaczeniowo szerszego niż „galareta” wskazuje, że wnioski Kistlera są prawdziwe w odniesieniu do całego wachlarza galaretopodobnych substancji, od litych po ciekłe, takich jak żel do włosów, skrzepnięty bulion z kurczaka czy zastygający cement (w którym wewnętrzną siatkę tworzą fibryle krzemianów wapnia).

Dalej Kistler zaznacza, że nikomu jeszcze nie udało się oddzielić cieczy zawartej w galarecie od jej wewnętrznego szkieletu:

Dotychczas podejmowane próby usunięcia cieczy przez odparowanie poskutkowały tak znacznym skurczeniem się substancji, że nie mogło to pozostać bez wpływu na jej strukturę.

Innymi słowy, poprzedni eksperymentatorzy, którzy próbowali pozbyć się cieczy, odparowując ją, odkryli, że wewnętrzny szkielet po prostu się rozpada. Następnie wynalazca oznajmia triumfalnie, że jemu i jego współpracownikom udało się pokonać ten problem:

Pan Charles Learned i ja, korzystając z uprzejmej pomocy i rad prof. J.W. McBaina, postanowiliśmy sprawdzić hipotezę, zgodnie z którą płyn w galarecie można zastąpić gazem, zapobiegając kurczeniu. Nasze wysiłki uwieńczone zostały pełnym sukcesem.

 Ich błyskotliwy pomysł polegał na tym, by płyn tkwiący w galarecie stopniowo zastępować gazem, dzięki czemu ciśnienie gazu podtrzyma szkielet i nie pozwoli mu się załamać. Najpierw jednak postanowili zastąpić wodę płynnym rozczynnikiem (postawili na alkohol), aby można nim było łatwiej manipulować. Istniało niebezpieczeństwo, że alkohol także wyparuje, lecz znaleźli sposób, by temu zapobiec:

 Parowanie niewątpliwie doprowadziłoby do kurczenia się żelu. Galaretę umieszczono więc w zamkniętym autoklawie wypełnionym cieczą i nagrzanym do temperatury przekraczającej wartość krytyczną dla tej cieczy. Przez cały czas utrzymywano ciśnienie równe ciśnieniu parowania lub wyższe od niego, toteż nie zachodziło parowanie cieczy, a w konsekwencji siły kapilarne na powierzchni żelu nie doprowadziły do jego kurczenia.

Autoklaw to po prostu pojemnik ciśnieniowy, który można podgrzewać. Podniesienie w nim ciśnienia zapobiegło parowaniu, mimo że temperatura przekroczyła temperaturę wrzenia cieczy. Siły kapilarne, o których mowa w tekście, to siły generowane przez napięcie powierzchniowe płynu. Kistler spekuluje, że gdy ciecz jest stopniowo usuwana przez parowanie, te same siły, które utrzymują galaretę w całości, w tym wypadku odpowiadają za jej rozpad. Jeśli jednak podgrzać galaretę powyżej tak zwanej temperatury krytycznej – takiej, w której zaciera się różnica między gazem a cieczą, ponieważ obie te substancje zyskują identyczną gęstość i strukturę – ciecz staje się gazem, lecz nie zachodzi niszczący proces parowania. Pisze:

Po przekroczeniu temperatury krytycznej ciecz przekształca się bezpośrednio i trwale w gaz, nie tracąc ciągłości. Galareta „nie wie”, że płyn zawarty w jej sieciach stał się gazem.

Oto przebłysk geniuszu – pod ciśnieniem wytworzonym w autoklawie nowo powstały gaz nie może się wydostać z galarety, dzięki czemu jej wewnętrzny szkielet pozostaje nienaruszony.

Teraz wystarczy wypuścić gaz. Tym, co pozostaje w naczyniu, jest spójny aerożel o objętości równej objętości galarety.

Gaz powoli ulatuje, a w miejscu galarety widać jej mechanicznie nienaruszony szkielet wewnętrzny. W ten sposób Kistler potwierdził swoją hipotezę. Musiał to być bardzo satysfakcjonujący moment. Na tym jednak badacz nie poprzestał. Wewnętrzne szkielety żeli okazały się bardzo lekkie i delikatne. Składały się głównie z powietrza i przypominały pianę. Kistler zastanawiał się, czy dałoby się je wzmocnić, biorąc na warsztat żel zrobiony z czegoś sztywniejszego niż żelatyna. Wymyślił więc galaretkę o szkielecie zawierającym dwutlenek krzemu – główny składnik szkła. Stosując opisany wyżej proces, stworzył „aerożel krzemowy” – najlżejsze ciało stałe na świecie. To właśnie ten materiał widziałem przez mgnienie oka wiele lat temu w laboratorium na pustyni.

Kistler nie zatrzymał się na tym osiągnięciu – postanowił stworzyć kolejne aerożele, które wymienia w liście:

Do tej pory zdołaliśmy sporządzić aerożele z krzemionki, tlenku glinu, winianu niklu, tlenku cyny, tlenku wolframu, żelatyny, agaru, nitrocelulozy, celulozy i białka jaja kurzego. Nie ma powodu, dla którego listy tej nie można by rozwijać w nieskończoność.

Warto zwrócić uwagę, że choć Kistlerowi udało się stworzyć aerożel nawet z krzemionki, nie potrafił oprzeć się pokusie zrobienia także jego wersji z białka jaja kurzego. Gdy na całym świecie ludzie przyrządzali z jaj puszyste omlety, Kistler upichcił sobie w autoklawie jajeczny aerożel – najlżejszą bezę świata.

Aerożel krzemionkowy wygląda bardzo osobliwie. Jeśli umieścić go na ciemnym tle, tak jak na powyższej fotografii, przybiera niebieskawą barwę, lecz w jasnym otoczeniu staje się prawie niewidoczny. Trudniej go dostrzec niż zwykłe szkło, choć jest od niego mniej przejrzysty. Kiedy światło przechodzi przez szklaną powierzchnię, jego tor ulega niewielkiemu załamaniu – stopień tego odchylenia jest określony przez tak zwany współczynnik załamania światła dla szkła. W przypadku aerożelu odchylenie od pierwotnego toru jest znikome, ponieważ aerożel jest, krótko mówiąc, dużo luźniej upakowany niż gęste szkło. To dlatego nie powoduje odbić powierzchniowych, wydaje się, że nie ma krawędzi, i wygląda, jakby w ogóle nie był ciałem stałym. I faktycznie nie do końca nim jest. Wewnętrzny szkielet galarety ma strukturę przypominającą pianę z baniek mydlanych, z tą różnicą, że wszystkie puste przestrzenie są w niej z sobą połączone. Aerożel krzemionkowy jest tak podziurawiony, że składa się w 99,8 procentach z powietrza i ma zaledwie trzykrotnie większą od niego gęstość – prawie nic nie waży.

Oglądany na ciemnym tle, aerożel krzemionkowy jest wyraźnie niebieski. Skoro jednak zrobiony jest z czystego szkła, powinien być bezbarwny. Przez wiele lat naukowcy zastanawiali się nad tym fenomenem. Odpowiedź okazała się fascynująco dziwaczna.

Kiedy światło słońca przenika do ziemskiej atmosfery, zmierzając ku powierzchni planety, napotyka rozmaite cząstki (złożone głównie z azotu oraz tlenu) i odbija się od nich jak kulka w automacie do gry. Zjawisko to nazywamy rozpraszaniem. Jeśli przy dobrej pogodzie spojrzysz w dowolny punkt nieboskłonu, zobaczysz światło, które przed dotarciem do twojego oka wielokrotnie odbiło się w atmosferze. Gdyby światło w całym spektrum odbijało się w taki sam sposób, niebo byłoby białe. Tak się jednak nie dzieje. Krótsze fale rozpraszają się łatwiej niż te dłuższe, co oznacza, że światło „błękitne” odbija się w powietrzu znacznie chętniej niż czerwone i żółte. Niebo jest więc niebieskie, a nie białe.

Zjawisko rozpraszania Rayleigha, jak się je określa, jest bardzo słabe, dlatego potrzeba ogromnych ilości cząstek gazu, by je zaobserwować – widać je na niebie, lecz już nie w pełnym powietrza pokoju. Innymi słowy, mały fragmencik nieba nie przybiera niebieskiej barwy, ale cała atmosfera już tak. Jeśli jednak niewielką ilość powietrza uwięzić w przezroczystym materiale, który zawiera miliardy miliardów malutkich, rozpraszających światło powierzchni, wówczas barwa tego światła ulegnie zmianie. Aerożel krzemionkowy ma taką właśnie strukturę i to ona odpowiada za jego niebieski odcień. Można więc powiedzieć, że gdy trzymasz jego kawałek w dłoni, w pewnym sensie trzymasz kawałek nieba.

Pianki aerożelowe mają też inne interesujące właściwości, z których najciekawszą jest zdolność do izolacji termicznej – działają niczym bariera chroniąca przed ciepłem. Robią to tak skutecznie, że jeśli na płytce z aerożelu położyć kwiat, a pod nią uruchomić palnik Bunsena, kilka minut później nienaruszoną roślinę wciąż będzie można powąchać.

Podwójne szklenie polega na tym, że pomiędzy dwiema szybami zostawia się lukę, przez którą ciepło przenika bardzo słabo. Atomy szkła są jak widownia na koncercie rockowym – ściśnięte i roztańczone. Gdy muzyka robi się głośniejsza, ludzie zaczynają tańczyć coraz energiczniej i wpadać na siebie. Podobny proces zachodzi w szkle: wraz ze wzrostem temperatury atomy poruszają się coraz intensywniej. Zresztą temperatura to właśnie prędkość, z jaką atomy drgają w danym ośrodku. Jeśli dwie szyby pełne rozedrganych atomów oddzielić od siebie, transfer wytwarzanej przez nie energii pomiędzy szybami będzie utrudniony. To samo zjawisko można wykorzystać, aby zatrzymać ciepło w budynku na Arktyce lub nie wpuścić go do wnętrza w Dubaju.

Podwójnie szklone okna to dobry wynalazek, ale i tak przepuszczają sporo ciepła, o czym dobrze wie każdy mieszkaniec chłodnego kraju, kiedy przychodzi do płacenia rachunku za energię. Czy dałoby się jakoś je ulepszyć? Cóż, można stosować potrójne i poczwórne szklenie, wprowadzając jeszcze więcej nieprzewodzących ciepła stref. Szkło sporo jednak waży, więc okna takie stają się tym cięższe i mniej przezroczyste, im więcej mają szyb. Na scenę wkracza aerożel. Ponieważ ma strukturę pianki, jest jak miliard miliardów warstw szkła i powietrza wprowadzonych pomiędzy dwie warstwy innego tworzywa. Czyni go to doskonałym materiałem izolacyjnym. Po odkryciu tej jego cechy, Kistler w ostatnim akapicie listu napisał:

Poza naukowym znaczeniem powyższych odkryć, nowe właściwości fizyczne tych materiałów wydają się niezwykle interesujące.

Niezwykle interesujące. Skromniś. Człowiek odkrył właśnie najlepszy izolator na świecie.

 


Mark Miodownik: "W rzeczy samej", 2016, Karakter