Jednowarstwowy laser

 Kilka miesięcy temu w czasopiśmie Nature Materials ukazała się ciekawa publikacja niemieckich naukowców "Kondensacja bozonowa ekscytono-polarytonów w krysztale grubości atomu" [1], opisująca jak to przy pomocy egzotycznego stanu kwantowego otrzymano kondensat Bosego-Einsteina z polarytonów, a w efekcie doprowadzono w nich do akcji laserowej.

Brzmi to bez wątpienia bardzo egzotycznie. I trochę mało zrozumiale. Więc już tłumaczę co w tym jest takiego ciekawego.

Atomy i cząsteczki są w stanie pochłonąć energię z promieniowania elektromagnetycznego o pewnej dostrojonej częstotliwości, w związku z tym ich elektrony wchodzą w stan o wyższej energii. Jest on nietrwały, dlatego po pewnym czasie elektrony pozbywają się energii wypromieniowując fotony o pewnej określonej częstotliwości. Czasem emitowane promieniowanie ma inną częstotliwość niż to pochłonięte - na tej zasadzie działają farby fluoryzujące oraz świetlówki, wewnątrz których wytworzony jest ultrafiolet, a ten pochłania farba pokrywająca szklaną rurkę, emitująca z powrotem światło widzialne. Ale może być też tak, że emitowane jest takie samo światło jak to pochłonięte. Wtedy światło wyemitowane przez jedną partię materiału jest pochłaniane przez następną, mającą taką samą zdolność do pochłaniania tej właśnie fali. Skończony czas trwania stanu wzbudzonego powoduje, że światło jest rozpraszane, część energii zamienia się w ciepło, a materiał staje się nieprzezroczysty dla tej wzbudzającej go fali.

Jeśli stan kwantowy, w którym dochodzi to tych pochłonięć i emisji jest odpowiednio na to czuły, możliwa jest emisja wymuszona - uderzenie fotonu w atom lub cząsteczkę, która już nieco wcześniej pochłonęła inny foton i znalazła się w stanie wzbudzonym, wytrąca ją z tego stanu i wymusza wyemitowanie fotonu wcześniej. Teraz przez przestrzeń lecą dwa fotony. Tym rasem taki wymuszony foton ma taki sam kierunek i zwrot co foton wymuszający, nie dochodzi do rozpraszania w różnych kierunkach. Po tym procesie oba fotony, wymuszający i wymuszony, mają taką samą długość fali i kierunek

Akcja laserowa to sytuacja, gdy materiał czuły na takie procesy pochłaniania i emisji, zostanie na tyle mocno naświetlony, że bardzo duża ilość jego cząstek/miejsc pochłaniających znajduje się teraz właśnie w stanie wzbudzonym. Taki materiał jest "nasycony" energią światła i niewiele trzeba aby go z tego stanu wytrącić. Jeśli zarazem ten uzyskany stan jest czuły na emisję wymuszoną, a my stworzymy układ optyczny, w którym fotony poruszają się przede wszystkim w pewnym określonym kierunku, może dojść do akcji laserowej. Po przekroczeniu pewnego zagęszczenia poruszających się w tym samym kierunku fotonów, i miejsc wzbudzonych, czułych na emisję wymuszoną, następuje kaskadowe wymuszenie wypromieniowania światła z całej objętości materiału i powstaje impuls spójnej wiązki światła o tej samej częstotliwości, kierunku i zwrocie. Cała nagromadzona podczas naświetlana energia zostaje uwolniona w krótkim impulsie, stąd duża jasność wiązki laserowej.  

W publikacji omawianej tutaj opisywany jest przypadek wytworzenia takiej sytuacji w materiale półprzewodnikowym o grubości jednego atomu. Warstwę diselenku molibdenu umieszczono między warstwami tlenku krzemu i tytanu. Tlenek ten jest bardzo połyskliwy i odbija wiele fotonów do wnętrza wnęki, choć wciąż jest na tyle przezroczysty, że półprzewodnik między warstwami można manipulować. Był on naświetlany laserem o takiej częstotliwości, aby wytworzyć w nim wzbudzone stany elektronowe w sieci krystalicznej tej monowarstwy.
Wytworzono w ten sposób szczególny stan polarytonów ekscytono-fotonowych.

Ekscyton to kwant wzbudzenia elektronowego w materiale - pewien elektron zostaje wyrwany z poziomu podstawowego, w którym nie może być przewodzony przez półprzewodnik i nabiera takiej energii, że możliwe jest dla niego swobodne przewodzenie. Mówi się wtedy, że przeszedł on do "pasma przewodnictwa". W obrębie grupy elektronów o stanie podstawowym pozostaje po nim dziura, zachowująca się jak cząstka o ładunku dodatnim. Skoro te dwa stany w różnych poziomach energetycznych mają różne ładunki, to mogą utworzyć w materiale układ związany, podobny do miniaturowego atomu - dziura elektronowa, w pobliżu której krąży elektron wzbudzony. Stan taki można w pewnych sytuacjach traktować jak bardzo lekką cząstkę, stąd określenie ekscyton. 

Ekscyton ten oddziałuje z polem elektromagnetycznym, a w czasie ruchu i drgania może je sam wytwarzać, bo jest w końcu układem związanym ładunków a ruch ładunków emituje promieniowanie. Ekscyton może nawet pochłaniać energię promieniowania, co ma decydujące znaczenie w pewnych procesach przewodzenia i rozpraszania energii. Gdy rozpatrujemy cały proces w skali kwantowej okazuje się, że ekscyton reagujący z polem przyjmuje określone, kwantowane stany energetyczne i powiązany jest z kwantem pola elektromagnetycznego - fotonem. Taki stan nazywany jest polarytonem ekscytonowo-fotonowym. Może być on traktowany jak coś w rodzaju cząstki o określonych stanach kwantowych. Jest to wtedy kwazicząstka, złożona z fotonu i kwazicząstki ekscytonu, będącej stanem związanym elektronu z dziurą, czyli... też kwazicząstką. Taka "jakby cząstka" do sześcianu, ale ostatecznie w świecie kwantowym sytuacja ta generuje bardzo konkretne i możliwe do zmierzenia efekty.

Skoro polarytony mogą być traktowane jak cząstki z możliwością przebywania w różnych stanach kwantowych, to powinny podlegać w ramach tego ujęcia różnych kolektywnym zjawiskom. W normalnej sytuacji sąsiadujące ze sobą polarytony powinny mieć różne stany. Ale przy odpowiednim zagęszczeniu, wyrównaniu poziomów energetycznych i bardzo niskiej temperaturze, w której drgania materiału nie wybijają cząstek równowagi, możliwe jest otrzymanie sytuacji, w którym wszystkie cząstki w danym obszarze nabierają tego samego stanu kwantowego. Skoro tak, to przestają być od siebie wzajemnie odróżnialne i dla obserwatora, próbującego wykonać na nich pomiar, zachowują się jak jedna masa lub jak rozciągnięta w przestrzeni jedna cząstka. Nazywa się to kondensatem Bosego-Einsteina i otrzymywano już takie stany w chmurze bardzo schłodzonych gazów, gdzie cząstkami o zrównanych stanach energetycznych były normalne atomy.. 

 Stan wzbudzony ekscytonu nie jest bardzo trwały, w końcu następuje połączenie dziury ze wzbudzonym elektronem. Musi się więc w tym procesie uwolnić energia, i może być uwolniona jako światło. Z kolei utworzony z niego polaryton sam w sobie może znajdować się w wysokoenergetycznym stanie i schodząc do stanu o niższej energii emitować foton.

W tym kontekście zrozumiałe staje się co takiego zrobili naukowcy - wywołali w warstwie półprzewodnika powstanie polarytonów. Te naświetlano tak, aby weszły w wyższy stan energetyczny. Po chwili obniżając energię wydzielały fotony, a te odbijały się od otaczających warstw tlenku i wzbudzały kolejne polarytony. Gdy w wyniku bardzo ostrożnych manipulacji energetycznych udało się uzyskać odpowiednio duże nasycenie materiału wzbudzonymi polarytonami, w dobrze dobranych warunkach wszystkie wyrównały stan kwantowy, utworzyły kondensat Bosego-Einsteina z polarytonów. Zarazem stan energetyczny tych wyjściowych polarytonów jest wrażliwy na emisję wymuszoną, więc w układzie równoległych warstw odbijających dużo fotonów, w którym światło osiągnęło odpowiednią gęstość, doszło do równoczesnej wymuszonej emisji światła w tym samym kierunku i fazie z wszystkich polarytonów tworzących kondensat. Warstwa złożona z pojedynczych atomów zadziałała jak laser i wytworzyła wiązkę światła.

Po co było się tak męczyć? Potwierdza to rozważania teoretyczne, że powinien być możliwy do utworzenia kondensat z takich złożonych kwazicząstek - można więc przetestować różne dodatkowe szczegóły aby lepiej zrozumieć zjawiska zachodzące z kolektywnym oddziaływaniem kwazicząstek, a to zapewne rozwiąże niektóre niejasności w fizyce ciał stałych, od której zależy działanie elektroniki i wielu urządzeń. Obecnie bardzo obiecującym rozwiązaniem technicznym wydaje się opto-elektronika, w której układy scalone działałyby dzięki odpowiedniemu przesyłania światła a nie elektronów, co zwiększa szybkość działania. Po drugie daje to możliwość stworzenia najmniejszych możliwych źródeł światła o laserowych właściwościach, a to jest potrzebne w pewnych układach badawczych. Kolejny kierunek to wytworzenie tego stanu w wyższych temperaturach, bo eksperymentalna temperatura 4K jest ciężka do osiągnięcia w domowych warunkach. Stąd testy z uzyskania tego stanu na warstwach innych chalkogenów o podobnych właściwościach elektronowych, jak cięższy analog diselenek wolframu.
Gdyby zaś udało się wytworzyć taki stan w wysokich temperaturach, to kto wie, czy następną rewolucją w oświetleniu nie będą "żarówki polarytonowe". 

(całe to objaśnienie napisałem kilka miesięcy temu jako komentarz na Wykopie, a teraz uznałem, że ponieważ porządnie się wtedy napracowałem aby przystępnie wyjaśnić, to warto jest dać tekst i tutaj) 

--------

[1] https://www.nature.com/articles/s41563-021-01000-8

Dlaczego złoto jest złote?

Proste pytanie i wcale nie tak prosta odpowiedź. Bo po to aby wyjaśnić, czemu złoto jest złote sięgnąć trzeba nie tylko po fizykę kwantową, ale i teorię względności.

Największy na świecie blok złota o masie 250 kg. Wikipedia 

Metale generalnie charakteryzują się specyficznym oddziaływaniem ze światłem, powodującym powstawanie silnego połysku, a przy odpowiedniej gładkości powierzchni także lustrzanych odbić od powierzchni. Jest to wynikiem wewnętrznej, podstawowej cechy, mianowicie istnienia w ich sieci krystalicznej elektronów nie związanych z konkretnymi atomami, mogącymi wędrować po całej sieci i tworzących tak zwaną chmurę elektronową.
Fotony padające na dany obiekt oddziałują przede wszystkim z elektronami i to od ich stanów zależy, co się z tymi fotonami stanie. Zwykle w atomach lub cząsteczkach elektrony przyjmują pewne określone poziomy energetyczne. Jeśli trafi w nie foton o energii takiej, jak potrzebna do przeskoku na wyższy poziom, to zostanie on pochłonięty. Pochłanianie fotonów o pewnych energiach, odpowiadających fali światła w pewnych długościach, powoduje że odbite światło nabiera koloru.

W przypadku metali jest inaczej - ponieważ elektrony w chmurze nie są bezpośrednio związane z określonym atomem, ich energie zawierają się w pewnym szerszym przedziale. Gdy pada na nie światło, pochłaniają fotony z szerokiego zakresu energii, po czym powracając do poprzedniego stanu emitują je z taką samą energią i w kierunku zgodnym z zasadą zachowania pędu, czas trwania stanu wzbudzonego jest bowiem w chmurze elektronowej bardzo krótki. Obserwujemy zatem odbijanie światła we wszystkich zakresach i brak określonego koloru.
Bardziej trwałe przejścia energetyczne, powodujące pochłonięcie konkretnych długości fal, w większości metali dotyczy dużo wyższych energii, przez co absorpcja zachodzi dopiero w zakresie ultrafioletu.Ultrafioletu nie widzimy, a pozostałe światło jest już odbijane, dlatego metale nie mają własnego koloru.

Miedź

To znaczy nie do końca, miedź ma charakterystyczny żółto-czerwony kolor. Wynika to ze struktury elektronowej - miedź, choć nie leży na samym końcu bloku D ma całkowicie wypełnioną podpowłokę 3d. Następuje to wskutek promocji elektronowej - w drugiej połowie bloku staje się korzystniejsze energetycznie wypełnianie tej podpowłoki, kosztem elektronów z jeszcze bardziej zewnętrznej podpowłoki 4s. Ponieważ w efekcie zewnętrzna powłoka nie jest zupełnie zapełniona, elektrony z tej niższej mogą na nią przeskakiwać. Miedź jest stosunkowo lekka, więc wartość energii fotonów potrzebnej do tego procesu nie jest zbyt wysoka i mieści się w zakresie światła widzialnego. Miedź pochłania fiolet i część błękitu, co daje wypadkowy kolor pomarańczowy.

W przypadku złota nie ma tak łatwo. Jego konfiguracja elektronowa to [Xe]4f¹⁴5d¹⁰6s¹ , ma zatem podobnie jak miedź całkowicie zapełnioną podpowłokę f i d i tylko jeden elektron na podpowłoce 6s. Niezupełne zapełnienie ostatniej podpowłoki umożliwiałoby przeskok elektronu z najbliższej podpowłoki 5d. Jednak z wyliczeń na podstawie praw okresowości wynika, że odstęp energetyczny między tymi poziomami w dużo cięższym i większym złocie wymagałby kwantu energii odpowiadającego światłu z zakresu ultrafioletu. Zatem złoto powinno, jak wiele innych metali, pochłaniać ultrafiolet zaś światło widzialne odbijać bez wpływu na kolor. Tak rzecz wygląda choćby dla leżącego nad nim srebra, o konfiguracji elektronowej [Kr]4d¹⁰5s¹ , które ma czysty, metaliczny wygląd.
Tymczasem jednak pomiary energii jonizacji wskazują na to, że w złocie odstęp energetyczny między podpowłokami jest mniejszy i mieści się w zakresie kwantów światła fioletowego i niebieskiego. Wyjaśnienie tej prawidłowości okazało się dla fizyków bardzo trudne, zarówno na gruncie fizyki klasycznej jak i kwantowej. Nic dziwnego więc, że trzeba było zaprząc do pracy trzecią dziedzinę - fizykę relatywistyczną opartą o efekty przewidziane przez teorię względności.

Ze względu na dwojaką naturę cząstek podlegającym prawom fizyki kwantowej, w ich zachowaniu się wyróżnić można cechy związane z falową formią jak i cechy związane z postacią cząstkową. Wprawdzie więc zrezygnowaliśmy z planetarnego modelu Bohra na rzecz bardziej rozmytych przestrzennie orbitali, ale wciąż przypisujemy elektronom moment orbitalny i pęd.
Im cięższy jest atom oraz im więcej ma łącznie powłok, tym jest większy i tym szybciej musi poruszać się jego najdalszy elektron, na który działa większe przyspieszenie. W przypadku masywnych i dużych atomów z szóstego okresu, prędkości liniowe zewnętrznych elektronów zaczynają stawać się istotnymi ułamkami prędkości światła.* Co zaś zbliża się do tej prędkości, to musi też nabierać relatywistycznych cech. Jednym z efektów, które się obserwuje, jest masa relatywistyczna - zwiększenie bezwładności, czyli pozorny wzrost masy oddziałujący wzdłuż kierunku ruchu.

Efekty te najsilniej odczuwają elektrony podpowłoki 6s, najbardziej zewnętrznej. Relatywistyczny wzrost masy pociąga za sobą zmniejszenie rozmiaru tejże powłoki i spadek energii orbitalnej. W związku z tym odstęp energetyczny między całkowicie wypełnioną podpowłoką 5d a częściowo 6s zmniejsza się. W efekcie zwęża się pasmo energetyczne populacji elektronów w metalu, zaś do przeskoku z niższej podpowłoki do wyższej wystarcza już mniejsza energia - odpowiadająca fotonom z zakresu światła fioletowego i niebieskiego. Obserwowanym więc efektem jest żółty kolor metalu, który w pozostałych zakresach odbija światło bez zmian.
To zresztą nie jedyny efekt. Przybliżenie zewnętrznych elektronów powoduje też zwiększenie energii potrzebnej do wyrwania ich z atomu. Osłabia to skłonność złota do tworzenia związków chemicznych, skutkując jego szlachetnością. Mniejszy rozmiar zewnętrznej, niezupełnie wypełnionej powłoki, skutkuje też większą elektroujemnością i pojawieniem się pewnych cech podobnych do niemetali. Na przykład złoto stosunkowo łatwo tworzy aniony w solach międzymetalicznych z cezem i rubidem. Mniej chętne tworzenie wiązań metalicznych skutkuje słabszym przyciąganiem się do ciebie atomów w metalu, a co za tym idzie dużą miękkością i kowalnością. Efekty te powodują też wysoką przewodność cieplną i elektryczną.

Cez

Efekty relatywistyczne wpływają też na inne pierwiastki, najsilniej ujawniając się w tych na dole układu okresowego, w zaczynających zapełniać lub kończących zapełniane nowej podpowłoki. Ten sam efekt zmiany pasma elektronowego, co u złota, występuje też w przypadku cezu, który w stanie czystym, bez warstewki tlenków, jest jasno-złoty. Zaczynający 7 okres frans także powinien mieć taki kolor, jest jednak pierwiastkiem silnie radioaktywnym, którego nie uzyskano w makroskopowych ilościach, gdyby zaś nawet, to odparowałby pod wpływem własnej aktywności.
Następująca zaraz po złocie rtęć korzysta z tych efektów w odmienny sposób - znajdując się na końcu bloku D ma całkowicie wypełnione podpowłoki 5f i 6s, niechętnie więc tworzy wiązania - również sama ze sobą. Pierwiastki nad nią są stosunkowo niskotopliwe. Relatywistyczne zwiększenie masy dotyczy u niej całej pary elektronowej na najbardziej zewnętrznej podpowłoce, co jeszcze bardziej osłabia wiązania metaliczne. Wiązanie Hg-Hg jest więc na tyle słabe i długie, że już w temperaturze pokojowej drgania termiczne je zrywają. W efekcie rtęć jest metalem płynnym nie tylko w temperaturze pokojowej, ale nawet jeszcze do -39 ° C gdy to ostatecznie krzepnie.

W następujących dalej pierwiastkach z bloku P, relatywistyczne obciążenie dotyczące całej pary podpowłoki s powoduje, że pierwiastki te dużo mniej chętnie oddają te dwa elektrony. Następuje więc stabilizacja poziomów utleniania o 2 mniejszych niż typowo dla grupy. Grupa 13, borowców, ma typowy stopień utlenienia 3, z najtrwalszymi związkami zawierającymi kationy 3+; leżący na samym dole tal, tworzy natomiast trwałe związki na stopniu utlenienia 1 co ma wpływ na jego silne właściwości toksyczne. W grupie azotowców typowym trwałym stopniem utlenienia jest 5, z wyjątkiem leżącego na samym dole bizmutu o preferowanym stopniu 3.
Efekt ten skutkuje też osłabieniem metaliczności i wzrostem elektroujemności metali, przez co ołów jest dość miękki, a bizmut ma wysoką oporność elektryczną.
Relatywistyczne zmniejszenie orbitalu s stanowi też około 10% zjawiska kontrakcji lantanowcowej, czyli nie powiększania się średnic atomów lantanowców, mimo zwiększania się ilości elektronów, za które głownie odpowiada słaba siła ekranująca ładunek jądra podpowłoki f.

--------
* przybliżony wzór na prędkość elektronu na ostatniej orbicie, to liczba atomowa Z, podzielona przez stałą struktury subtelnej, razy prędkość światła.

 https://pl.wikipedia.org/wiki/Efekt_biernej_pary_elektronowej
 https://en.wikipedia.org/wiki/Relativistic_quantum_chemistry

Laserowa mikrofuzja jądrowa

Tym razem wpis raczej fizyczny, ale ten news brzmi tak ciekawie, że warto coś o nim napisać.

Kontrolowana fuzja jądrowa już od kilku dekad wzbudza nadzieję, jako technologia produkcji energii mogąca przebić elektrownie atomowe pod względem stosunku generowanej mocy do ilości zużytego paliwa. Tym bardziej, że paliwo to jest akurat łatwo dostępne - wodór to jeden z najpospolitszych pierwiastków. Cały problem leży natomiast w kontroli - zrobienie bomby termojądrowej nie było takie znów trudne, zrobienie reaktora, w którym reakcja będzie w powtarzalny sposób następować dostatecznie długo, aby wytworzyć energię większą niż włożona, to już kłopot.
Zbudowano już różnego typu tokomaki, stellatory i inne tego rodzaju urządzenia, i na razie ciężko jest zespołom badawczym wyjść poza etap "następnym razem na pewno nam wyjdzie, tylko musimy poprawić parę szczegółów". W zasadzie tylko jeden zespół badawczy doniósł o fuzji, która wyprodukowała nieco więcej energii, niż było jej potrzebne do zapoczątkowania reakcji - badacze z NIF skompresowali kapsułkę z mieszaniną trytu i deuteru przy pomocy 192 wiązek laserowych padających na ścianki kapsułki.[1]

Z tego też powodu zainteresowanie wzbudzają nawet te czysto badawcze urządzenia, w których fuzję daje się uzyskiwać choćby na małą skalę. Znanym przykładem jest fuzja piezoelektryczna, oparta o jonizowanie deuteru w silnym polu elektrycznym wytwarzanym przez kryształy piezoelektryczne - to jest elektryzujące się statycznie podczas szybkiego ogrzewania. Fuzję daje się też uzyskać w fuzorach, gdzie naładowane jony oscylują między dwoma sferycznymi siatkami, do których przyłożono dużą różnicę napięć. Urządzenia tego rodzaju mają jak na razie za niską wydajność i mogą być raczej użyte jako źródło neutronów niż energii.

Ostatnio natknąłem się na publikację opisującą układ fuzyjny może jeszcze nie stanowiący rozwiązania w otrzymywaniu energii, ale dużo prostszy w wykonaniu i użyciu. [2]
Zespół badaczy z Colorado State University opublikował wyniki prac nad zaskakująco prostą metodą otrzymywania fuzji jądrowej. Naświetlili oni przy pomocy femtosekundowego mocnego impulsu laserowego płytkę, pokrytą "lasem" nanowłókien z deuterowanego polietylenu. Mocny impuls laserowy w zasadzie odparował włókna, zamieniając każde w rozprzestrzeniający się obłoczek wysokoenergetycznej plazmy, zawierającej deuterony. Ponieważ włókna były ustawione równolegle, blisko względem siebie, deuterony z sąsiadujących włókien zderzały się ze sobą, z sumaryczną energią wystarczającą, aby doszło do fuzji jądrowej.

Wygląd lasu nanowłókien oraz symulacja energii deuteronów.

Zaobserwowano emisję strumieni wysokoenergetycznych neutronów, o gęstości kilkaset razy większej niż obserwowane dotychczas w innych eksperymentach. Impuls laserowy o energii jednego dżula wystarczał do wytworzenia wskutek fuzji około miliona neutronów. Cały układ eksperymentalny jest dość prosty, nie wymaga stosowania silnych elektromagnesów ani nawet próżni wysokiej jakości. Na razie nie wygląda na to, aby był to sposób na wytwarzanie energii termojądrowej, ale z pewnością jest to dużo tańszy i prostszy w wykonaniu układ do badań samego zjawiska fuzji. Możliwe, że znajdzie zastosowanie jako źródło strumieni wysokoenergetycznych neutronów, nie wymagające akceleatora.

W każdym razie, bardzo ciekawe odkrycie.

-------
[1] http://www.bbc.com/news/science-environment-24429621
[2] Alden Curtis, Chase Calvi, James Tinsley, Reed Hollinger, Vural Kaymak, Alexander Pukhov, Shoujun Wang, Alex Rockwood, Yong Wang, Vyacheslav N. Shlyaptsev & Jorge J, Rocca; Micro-scale fusion in dense relativistic nanowire array plasmas, Nature Communications volume 9, Article number: 1077 (2018)

Chemiczne wieści (15.)

Nowa metoda wykrywania pestycydów w jedzeniu:
Problemem badań analitycznych jest oddzielenie badanych substancji od wszystkiego innego w próbce. Rozdział i przygotowanie oczyszczonej frakcji bardzo spowalniają samą analizę. Badacze z Singapuru zaproponowali ostatnio szybką metodę rozdziału do badania żywności - do rozmiksowanej próbki warzyw dodaje się mikrocząstki pochłaniające substancje podobne do pozostałości pestycydów. Cząstki zawierają wewnątrz magnetyczny tlenek żelaza, więc po pewnym czasie wystarczy zanurzyć w próbce magnes, aby oddzielić je od roztworu. Potem cząstki przemywa się rozpuszczalnikiem zmywając z nich pochłonięte substancje a otrzymany roztwór trafia do analizy. Magnetyczne cząstki można potem użyć jeszcze 30 razy.
W zasadzie jest to modyfikacja metody ekstrakcji do fazy stałej (SPE) o której pisałem przy okazji analizy zawartości kofeiny w kawie.[1]

Lustrzany świat hormonów
Na blogu kilkakrotnie wspominałem już o chiralnych cząsteczkach związków chemicznych. Chiralność to sytuacja, gdy cząsteczka nie posiada elementów symetrii takich jak środek czy płaszczyzna inwersyjna. Geometria ta powoduje, że możliwe stają się dwa izomery tej cząsteczki, wyglądające jak lustrzane odbicia, które nie nakładają się na siebie. Podobny kształt mają nasze dłonie. Lustrzane odbicie jednej wygląda jak druga, ale kształt jednej dłoni nie nałoży się dokładnie na kształt drugiej, choćbyśmy je nie wiem jak wykręcali. Stąd też bierze się nazwa - chiralność od greckiego słowa chira, czyli ręka.

Lustrzane izomery tej samej cząsteczki mają takie same właściwości fizyczne i chemiczne, ale różnie oddziałują z innymi chiralnymi cząsteczkami. Najlepszym tego świadectwem jest różne działanie biologiczne izomerów geometrycznych leków. My sami zbudowani jesteśmy z chiralnych białek, a te z chiralnych aminokwasów. Wszystkie aminokwasy budulcowe w organizmie stanowią izomer L.
Ponieważ jednak umiemy już dziś syntetyzować nienaturalne izomery aminokwasów, czyli izomery D, oraz umiemy sztucznie syntezować białka o zadanej kolejności aminokwasów, rodzi się oczywiste pytanie - jak mogłyby działać na organizm lustrzane izomery całych białek?

Przykładowe izomery prostego tripeptydu. Credit: Pablo Gainza

Badacze z uniwersytetu w Toronto zainteresowali się tym tematem podczas poszukiwań nowych leków. W niektórych chorobach stosowanymi lekami są krótkie białka, peptydy, mające pełnić odpowiednie funkcje biologiczne, zastępować enzymy których w organizmie brakuje, lub blokować te, których jest nadmiar. W leczeniu cukrzycy używane są na przykład mimetyki GLP-1, naśladujące białko które aktywizuje enzymy inkretyny, co wpływa na obniżenie poziomu cukru we krwi.
 Ich stosowanie wiąże się jednak z licznymi problemami - muszą być wstrzykiwane domięśniowo, bo w układzie pokarmowym są trawione przez enzymy trawiące białka; we krwi krążą krótko, rozkładane przez inne enzymy, w dodatku organizm może zareagować na nie alergicznie.

Badacze przeprowadzili symulację, sprawdzając czy istnieją D-izomery krótkich peptydów, które będą tak samo dobrze aktywować GLP-1. Znaleźli pewną obiecującą cząsteczkę, którą zsyntezowano i przetestowano. Otrzymany związek wywoływał taką samą odpowiedź komórek, ale efekt utrzymywał się dłużej.
Ponieważ wszystkie białka w organizmie mają konfigurację L, to peptyd będący izomerem D będzie po pierwsze nie trawiony przez enzymy trawienne bo te, same będąc cząsteczkami chiralnymi, są przystosowane do trawienia L-peptydów, dzięki czemu lek będzie można zażywać w tabletkach; oraz po drugie D-peptyd nie będzie tak szybko eliminowany z krwioobiegu co przedłuży jego działanie i spowoduje, że potrzebne będą mniejsze dawki.

Podobny D-izomer otrzymano też dla peptydomimetyków parathormonu, które podawane są przy zaburzeniach czynności przytarczyc. [2]

Sztuczny słodzik w chemioterapii
Dokładne badania molekularne wykazały kilkanaście lat temu, że w wielu złośliwych nowotworach wyjątkowo dużą ekspresję posiada enzym anhydraza węglanowa IX, która normalnie jest wydzielana w nerkach do usuwania kwasu węglowego z krwi. Jej duża aktywność sprzyja szybkiemu rozrostowi guzów i naciekaniu na okoliczne tkanki. Zaczęto więc uzupełniać terapię o inhibitory tego enzymu, dotychczas stosowane w medycynie jako diuretyki, środki zmniejszające ciśnienie wewnątrz oka czy łagodzące objawy choroby wysokogórskiej. Wstępne wyniki testów są obiecujące i niektóre takie środki wchodzą w fazę badań klinicznych.

Inhibitory te mają jednak swoje wady, w tym skutki uboczne jak wymioty, zmęczenie, objawy grypopodobne. Wiążą się one w dużym stopniu z małą selektywnością leków. Organizm wytwarza 15 różnych anhydraz węglanowych, które pełnią różne funkcje w organizmie, tymczasem nowotwory złośliwe wykazują nadekspresję tylko jednego, anhydrazy IX. Lek, który hamuje działanie nie tylko tego jednego enzymu, ale też i kilku innych, będzie wywoływał dodatkowe niekorzystne skutki.

Zaczęto zatem szukać substancji, które byłyby inhibitorami dużo bardziej selektywnymi. Niedawno doniesiono, że dość selektywne działanie wykazuje sacharyna, pierwszy sztuczny słodzik, wprowadzony do użytku jeszcze w XIX wieku. W tym roku postanowiono przetestować kolejny słodzik - acesulfam, którego struktura jest podobna do sacharyny. Okazało się, że nie tylko wiąże się z enzymem mocniej, ale też dużo bardziej selektywnie i potencjalnie mógłby być, w odpowiednio dużych dawkach, użyty jako dodatkowy składnik terapii nowotworowych. Zastosowanie to byłoby o tyle ułatwione, że jako stary, od dawna znany związek, został przebadany na bardzo wiele sposobów, a to ułatwia rejestrację w nowym zastosowaniu (w zasadzie efekty toksykologiczne, sprawdzane w badaniach klinicznych I fazy, zostały już zbadane).
Naukowcy jednak na tym nie poprzestają, sprawdzają pochodne acefulfamu, chcąc znaleźć jeszcze lepszy związek.[3]

Zdjęcie atomu
Niedawno media obiegła wiadomość, w jakimś stopniu uzupełniająca mój artykuł o obrazowaniu atomów. Udało się przeprowadzić doświadczenie, które umożliwiło ukazanie pojedynczego atomu. Pojawiły się w związku z tym różne wątpliwości ze strony mało rozumiejących eksperyment czytelników, którzy wątpili, czy atom może odbić na tyle dużo światła aby dało się go zobaczyć.
Eksperyment jest bardzo prosty, choć nie nadaje się za bardzo jako technika obrazowania atomów, nie pozwala bowiem na uchwycenie żadnych szczegółów.

Pojedynczy jon strontu został schwytany w pułapkę pomiędzy potężnymi magnesami i między dwoma elektrodami z przyłożonym napięciem. Naładowana cząstka chce poruszać się wzdłuż linii pola elektrycznego, będąc wciąganą w obszar największego gradientu dokładnie pomiędzy elektrodami. Jednak umieszczenie jej w polu magnetycznym powoduje powstanie siły Lorentza, która zakrzywia jej tor. Jon zaczyna więc kręcić małe kółeczka. W osi pionowej utrzymuje go pole magnetyczne, a pole elektryczne nie pozwala mu uciec na boki. Odpowiednia modulacja pola magnetycznego lub elektrycznego ogranicza naładowaną cząstkę do bardzo małej przestrzeni, w obrębie której może jedynie drgać. Jest to najprostszy przypadek pułapki jonowej.
Dzięki zastosowaniu odpowiednio dobranej selekcji, poprzez dodawanie jonom na tyle małych dawek energii aby pojedynczo uciekały z pułapki, można doprowadzić do stanu, gdy zamknięty pozostanie pojedynczy jon. Jak go jednak ujawnić?

Jon strontu został oświetlony ultrafioletem o tak dobranej długości fali, że w jonie zachodziła fluorescencja, to jest pochłaniał fotony ultrafioletu po czym zaraz wypromieniowywał wchłoniętą energię, ale z przesunięciem częstotliwości, świecąc już w zakresie widzialnym. Oczywiście natężenie tego świecenia dla pojedynczej cząstki jest nikłe, jednak przy użyciu odpowiednio czułego aparatu, i długiego, 30-sekundowego czasu naświetlania, nazbierało się go dostatecznie dużo, aby na fotografii ujawnił się mały, jasny punkcik.

Czy punkt ten jest obrazem atomu? I tak i nie. Atom w pułapce zatacza pewną zamkniętą orbitę, toteż gdyby zastosować duże przybliżenie, zamiast punkcika widzielibyśmy pewnie skomplikowaną krzywą. Jest ona jednak w pułapce tak mała, że w użytej rozdzielczości nadal stanowi bezszczegółowy punkt. Uchwycony obraz jest więc raczej statystycznym położeniem atomu, który emitując fotony wykonał w ciągu tych 30 sekund ogromną ilość drgań w pułapce. Zarazem jednak na obraz składa się światło pochodzące od pojedynczego atomu, wykazując, że możliwe jest optyczne wykrycie nawet tak małej cząstki materialnej.[4]
-------------
Źródła:
[1] Xi Yu et al. Pyrethroid residue determination in organic and conventional vegetables using liquid-solid extraction coupled with magnetic solid phase extraction based on polystyrene-coated magnetic nanoparticles, Food Chemistry (2016). DOI: 10.1016/j.foodchem.2016.08.115
[2] Michael Garton el al., Method to generate highly stable D-amino acid analogs of bioactive helical peptides using a mirror image of the entire PDB," PNAS (2018). http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1711837115
[3] Akilah B. Murray et al. "Seriously Sweet": Acesulfame K Exhibits Selective Inhibition Using Alternative Binding Modes in Carbonic Anhydrase Isoforms, Journal of Medicinal Chemistry (2017). DOI: 10.1021/acs.jmedchem.7b01470
[4]  https://www2.physics.ox.ac.uk/research/ion-trap-quantum-computing-group

Jak zrobić zdjęcie atomu?

Kontynuując tematykę atomową, która okazała się całkiem popularna, spróbuję odpowiedzieć na pytanie, które już parę razy mi zadawano - jak wygląda atom i czy kiedykolwiek zrobiono mu zdjęcie?

Głównym problemem w kwestii oglądania atomu, jest to, że jest on bardzo mały. I jest to problemem na trzy różne sposoby: po pierwsze, potrzebny jest układ który ten bardzo drobny sygnał wychwyci, wzmocni i powiększy aby stał się dostępny naszym oczom. Przeciętny mikrofon używany na koncertach i uroczystościach, zbiera dźwięki nawet o głośności szeptu, zaś szereg wzmacniaczy może zwiększyć jego siłę na tyle, aby był słyszalny nawet z drugiego końca sali. Bzycząca tuż przy mikrofonie pszczoła mogłaby być słyszalna. Ale już próba użycia tego mikrofonu, aby uchwycić dźwięk, jaki z pewnością wydaje spadające na ziemię ziarenko maku, jest skazana na niepowodzenie, odgłos jest bowiem tak nikły i słaby, że odbiorniki nie zareagują.
 Podobnie jest z próbami zarejestrowania odbicia światła od atomu. W końcu przecież fotony, zarówno gdy uznamy je za cząstki jak i przy interpretacji jako pęczki falowe, same są bardzo drobne a w strumieniu światła w skali nanometrowej nie osiągają zbyt dużego zagęszczenia. Jeśli zaczniemy zliczać sygnały pochodzące od pojedynczego atomu może się okazać, że w czasie wykonywania zdjęcia dostał 15 fotonami, z czego 4 odbiły się w naszą stronę.

Drugi problem dotyczy natomiast proporcji między działaniem zmierzającym do otrzymania sygnału a zachodzącymi procesami - ze względu na rozmiar, nawet bardzo małe działanie, polegające na zalaniu atomu światłem, może się okazać zbyt duże aby móc otrzymać jakiś sensowny obraz. Fotony z zakresu widzialnego mogą wzbudzać elektrony atomu, a nawet je odrywać. Rzecz zatem w tym, aby zadziałać na tyle mocno aby zarejestrować jakieś szczegóły, a na tyle słabo aby nie zniszczyć obserwowanego.

Trzecim zaś problemem jest to, że rozmiar fali światła jest w większości zakresów wielokrotnie większy od samego atomu, a to ogranicza naszą rozdzielczość.

Rozdzielczość
Rozdzielczością w układach optycznych nazywamy minimalną odległość między dwoma punktami, przy jakiej da się jeszcze dostrzec między nimi różnicę - poniżej tej wartości będą widziane jako jeden punkt. Jest ona ograniczona nie tylko przez czysto techniczne aspekty, w rodzaju mocy soczewek, refrakcję czy wielkość obiektywu. W przypadku bardzo małych punktów świetlnych wytwarzanych przez układ skupiający, znaczenia nabiera też dyfrakcja światła. Dwie plamki, leżące zbyt blisko siebie, zaczną się zlewać za sprawą interferencji nawet jeśli wydawałoby się, że ich obrysy jeszcze się nie stykają.
Granicę dla danej długości fali światła z którego stworzony jest obraz, wyznacza warunek Rayleigha, mówiący jaki jest minimalny kąt przy jakim rozróżniane będą promienie światła o danej długości fali. Im krótsza fala promieniowania, tym większa rozdzielczość. Dla światła fioletowego w standardowych mikroskopach optycznych, minimalna rozdzielczość liniowa to około 200 nm. Atomy są około tysiąc razy mniejsze od tej wartości.
Można próbować omijać te problemy zmniejszając długość fali, czyli brnąć poza zakres widzialny. W tym przypadku tysiąckrotne zmniejszenie długości fali da nam promieniowanie rentgenowskie. Bardzo przenikliwe, trudne do zogniskowania przy pomocy jakichś soczewek, w dodatku jonizujące. W taki sposób klasycznego mikroskopu się nie zrobi

Jeśli nie światło to coś innego
Skoro światło jest ograniczane przez prawa fizyki, to może spróbujmy otrzymać obraz przy pomocy czegoś zupełnie innego? Na przykład rejestracji bardzo drobnych cząstek.

Pierwszym takim pomysłem był mikroskop polowy, oparty o rejestrację elektronów emitowanych przez atomy umieszczone w bardzo silnym polu elektrycznym. Elektrony są bardzo małe (nie zdołano określić średnicy), a długość odpowiadającej im wedle praw fizyki kwantowej fali de Brogile'a jest w sam raz na tyle krótka, aby możliwe było ich użycie do obrazowania poniżej możliwości światła.
Pomysł na mikroskop był bardzo prosty. Wiadomo było, że metale mogą emitować elektrony pod wpływem przyłożonego dużego napięcia. W zasadzie więc można powiedzieć, że w takich warunkach "świecą" elektronami, czerpiąc je wciąż z przyłożonego prądu, i emitując w próżnię pod wpływem pola. Elektrony od miejsca uwolnienia do drugiej elektrody poruszają się po liniach prostych, zgodnie z liniami pola. Miejscem na powierzchni metalu, z którego elektrony są wyświecane najchętniej, są oczywiście atomy bo tam skupia się największe ich zagęszczenie, emisja z przestrzeni pomiędzy, bezpośrednio z wiązań, jest mało prawdopodobna. Z przyczyn geometrycznych najłatwiej emitują elektrony atomy znajdujące się na lokalnych krawędziach, a więc na końcach ostrzy, w mniejszej skali na końcach nierówności, w jeszcze mniejszej na krawędziach warstw w jakie ułożone są atomy w krysztale metalu.

Możliwe jest zatem zbudowanie układu, w którym końcówka ostrza emituje elektrony, a te rozbiegają się po linii prostej dążąc do dużej anody i utrwalając się na błonie fotograficznej utworzą powiększony aż do "naszych" wymiarów obraz ułożenia atomów na końcówce ostrza. Pierwszą taką próbę przeprowadzono już w 1936 roku. Typowy obraz z mikroskopu polowego wygląda następująco:

Atomy to te jasne kropki, z których ułożony jest wzór. Ciemne obszary to płaskie wnętrza warstw, atomy wewnątrz warstwy prawie nie emitują elektronów. Widoczne są więc same krawędzie. Zdjęcie pokazuje nam w istocie trójwymiarowy obraz końcówki kryształu, zwróconej w naszą stronę.
Nie bardzo to widzicie? To zobaczcie model podobnej powierzchni, wykonany z małych kulek i oświetlony z boku:

Właśnie coś takiego pokazują takie obrazy. A każdy świetlny punkt budujący wzór, to jeden atom.

Z tego pomysłu wypączkował kolejny, mający zobrazować większe powierzchnie. W pewnym stopniu rzecz polega na odwróceniu sytuacji - sygnał zbierany jest ostrzem igły a elektrony emituje powierzchnia. Sygnałem zbieranym nie jest jednak obraz uderzających elektronów, a wartość prądu w danym punkcie, dlatego dla uzyskania obrazu powierzchni, trzeba ją całą punkt po punkcie przejechać z bliska igłą, czyli przeskanować. Stąd nazwa - skaningowa mikroskopia atomowa (STM).

Wykorzystuje się tutaj prawa fizyki - końcówka igły jest bardzo blisko badanej powierzchni, nie dalej niż parę średnic atomów. Przyłożone napięcie jest duże, ale jednak zbyt małe aby elektron z metalu wyrwać. Czyli właściwie prąd nie powinien płynąć. Jednak efekty kwantowe umożliwiają tak zwane przejście tunelowe, to jest przeniknięcie cząsteczki przez stawiającą jej opór barierę sił, mimo posiadania zbyt małej energii. Elektron znika ze swojego atomu i pojawia się na ostrzu elektrody, mimo energii pola za małej aby go po prostu zjonizować.
Czuły układ elektroniczny rejestruje płynący prąd. W przypadku tak małej skali natężenie prądu tunelowego zależy wprost od rzeczywistej odległości między atomem powierzchni a atomem ostrza, a różnice są na tyle duże, że już w zakresie odległości rzędu jednej średnicy atomu różnica staje się zauważalna. Gdy ostrze przesuwa się nad powierzchnią, w położeniu dokładnie nad atomem prąd jest większy a w położeniu pomiędzy atomami, nad leżącym bardziej wgłąb wiązaniem, jest słabszy.
Po nałożeniu siły sygnału na mapę przesunięć ostrza otrzymujemy obraz badanej powierzchni w skali atomowej. Na przykład obraz powierzchni grafitu:

Trochę bardziej wyrafinowana modyfikacja polega na utrzymywaniu stałej wartości prądu tunelowego przez regulowanie odległości, sygnałem jest więc wielkość odsunięcia. Ma to tą zaletę, że pozwala na obrazowanie bardziej różnorodnych powierzchni i nie ma ryzyka, że koniec igły zahaczy o nierówność.
Skanowanie wymaga bardzo precyzyjnego sterowania ruchem igły, używa się tu odpowiednich przetworników piezoelektrycznych. Ponadto sama igła musi być odpowiednio wykończona, tak aby jej szpic był najostrzejszy na świecie i kończył się pojedynczym atomem. W praktyce igłą jest drucik wolframowy ostrzony przy pomocy elektrochemicznego wytrawiania:

Metoda ta ma jednak istotne ograniczenie - można badać nią powierzchnie wykonane z materiałów przewodzących prąd. Aby móc badać inne materiały, wymyślono technikę jeszcze bardziej wyrafinowaną - mikroskopię sił atomowych (AFM).
W takim urządzeniu przemiatamy badaną powierzchnię umieszczoną bardzo blisko zaostrzoną sondą, umieszczoną na długim i elastycznym pręciku. Wskutek sił przyciągania pomiędzy atomami sonda przybliża się do powierzchni. Teraz trzeba tylko zmierzyć jak bardzo zmieniło się położenie sondy, można użyć czujników laserowych opartych o zmianę położenia odbicia promienia, ale widziałem także rozwiązania niejako dubletowe, w których przesunięcie sondy AFM badano sondą mikroskopii tunelowej rejestrując zmiany prądu tunelowego. Sonda najsilniej jest przyciągana gdy znajdzie się najbliżej atomu, a słabiej gdy w linii prostej od niej znajdzie się przestrzeń między atomami.
Dokładność obrazowania jest równie dobra jak w STM


Tutaj zobrazowano cząsteczkę pentacenu:

Obie techniki mają swoje ograniczenia. W praktyce można tak przeskanować tylko bardzo mały fragment powierzchni. Badana próbka musi być silnie schłodzona, aby obrazu nie rozmywały drgania termiczne, i utrzymywania w próżni. Jednym z głównych problemów technicznych są w obu technikach drgania zewnętrzne. Nie dość, że przeszkadzają drgania od ruchu ulicznego czy stąpania laboranta, ale też ponoć już takie źródła jak woda kapiąca z dachu na parapet czy po prostu wiatr tak bardzo rzucają igłą sondy na prawo i lewo, że nie da się zarejestrować sygnału. W zasadzie sonda umieszczona na stałe nad płaską powierzchnią byłaby niezłym sejsmometrem.

A może jednak światłem?
Tyle już się tu naopowiadałem o wadach światła do obrazowania w tak małej skali, że wypadałoby jednak wspomnieć o pewnym wyjątku. Zespół z Griffith University donosił kilka lat temu o rejestracji cienia pojedynczego atomu [1].

Atom iterbu został umieszczony w pułapce magnetycznej i oświetlony skupionym strumieniem światła w częstotliwości silnie przez ten pierwiastek adsorbowanej. Strumień światła przy pomocy soczewek skupiono tak, że przed atomem w zasadzie rozszerzał się, przez co cień atomu został poszerzony. Dalszy układ soczewek skupił obraz na matrycy mikroskopijnych detektorów. Otrzymany w ten sposób cień miał już kilka mikrometrów średnicy.

Warunek Rayleigha nie został jednak całkowicie pominięty - nie jest to właściwie cień lecz plamka Airy'ego powstała wskutek dyfrakcji światła, z ciemnym środkiem wskutek wygaszania faz i coraz słabszymi pierścieniami wokół:

Zdjęcie atomu i jego powłok elektronowych
Na koniec dochodzimy do przypadku chyba najbardziej wyrafinowanego - zdjęcia pojedynczych, samotnych atomów, z rozdzielczością umożliwiającą określenie kształtu i wielkości poszczególnych powłok elektronowych!

Pomysł na "mikroskopię kwantową" jest ponownie bardzo prosty i sprytny, ale dodatkowo odwołuje się do już omówionych technik.
Obrazowanie zachodzi następująco: umieszczamy obojętne pary pierwiastka w próżni i przykładamy do nich bardzo silne pole elektryczne. W pewnym punkcie umieszczamy laser, który tworzy krótkie impulsy, na tyle drobne aby trafiały na raz tylko w jeden atom. Atom naświetlony laserem wchodzi w stan wzbudzony, jako tzw. atom Rydbergowski. W takim stanie elektron jest z nim słabo związany i łatwo ulega oderwaniu przez zewnętrzne pole elektryczne. Po zjonizowaniu, elektron trafia na elektryczny układ soczewkujący, który ma za zadanie powiększyć obraz oraz odfiltrować elektrony wybiegające tylko z jednego określonego miejsca w komorze badawczej. Detektor rejestruje jeden punkt. Potem strzelamy drugi raz laserem i wzbudzamy następny atom. I tak po kolei, punkt po punkcie [2].

Prawdopodobieństwo emisji elektronu z przestrzeni wokół jądra, jest największe tam, gdzie największe jest zagęszczenie ładunku, to jest w powłokach elektronowych. W miejscach powierzchni węzłowych funkcji falowej jest dokładnie zerowe. Zarazem jednak to z którego konkretnie punktu orbitala strzeli elektron, jest zupełnie przypadkowe. Po wzbudzeniu tysięcy atomów jeden po drugim w tym samym punkcie komory, otrzymamy jako sumę obraz przedstawiający statystyczny rozkład prawdopodobieństwa emisji, to jest rozkład zagęszczenia ładunku wokół jądra, czyli właśnie powłokę elektronową. Pierwszy taki obraz dla wodoru potwierdził, że orbitale podpowłok s mają kształt sferyczny:

----------
 * https://pl.wikipedia.org/wiki/Zdolno%C5%9B%C4%87_rozdzielcza
* https://en.wikipedia.org/wiki/Angular_resolution#Explanation
* https://en.wikipedia.org/wiki/Diffraction-limited_system
* https://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_tunneling_microscope
* https://en.wikipedia.org/wiki/Field_ion_microscope
* https://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_force_microscopy

[1] Erik W. Streed, Andreas Jechow, Benjamin G. Norton & David Kielpinski, Absorption imaging of a single atom, Nature Communications 3, Article number: 933 (2012)[2] A. S. Stodolna, A. Rouzée, F. Lépine, S. Cohen, F. Robicheaux, A. Gijsbertsen, J. H. Jungmann, C. Bordas, and M. J. J. Vrakking; Hydrogen Atoms under Magnification: Direct Observation of the Nodal Structure of Stark States, Phys. Rev. Lett. 110, 213001

Jaki może być największy atom?

Jak duży maksymalnie może być atom? Czy możliwe jest aby powiększyć go tak bardzo, że stanie się niemal widoczny gołym okiem?

Atom to zgodnie z definicjami układ składający się z elektronów krążących wokół jądra, zawierającego protony oraz neutrony (wyjątek - wodór-1 mający tylko proton). Ze względu na efekty kwantowe to w jaki sposób elektrony są wokół atomu rozmieszczone, jest dość skomplikowane, ale dla uproszczenia przyjmijmy znany wszystkim model planetarny, w którym elektrony krążą po prostu po kolistych orbitach.

Atomy są bardzo małe. Naprawdę bardzo. Ich średnice mierzymy w Angstremach, stanowiących jednostki o długości 10⁻¹⁰ metra, czyli obrazowo jest to 0,0000000001 metra. Ludzie właściwie nie ogarniają takich skal, bo nigdy nie stykają się takimi krotnościami wśród obiektów materialnych. Człowiek o wysokości 1,75 m jest w stosunku do Ziemi o średnicy 12 740 km zaledwie 7,3 miliona razy mniejszy, co stanowi różnicę o sześć rzędów wielkości. Tymczasem atomy są od człowieka o dziesięć rzędów wielkości mniejsze.
I choć są tak małe, atomy składają się ze składników jeszcze mniejszych. Większość ich masy jest zawarta w centralnym jądrze. Budujące jądro neutrony i protony są od elektronów 1839 razy cięższe. Jądro ma też niezwykle małą średnicę, jeśli porównać ją z rozmiarem orbity na której znajdują się elektrony, jest bowiem około sto tysięcy razy mniejsze. W zasadzie większość objętości atomu to pustka przez którą przebiegają silne oddziaływania elektryczne. Gdybyśmy powiększyli atom do średnicy Ziemi, jądro miałoby około 120 metrów średnicy.
Jako wielkość danego atomu przyjmujemy wielkość najdalszej orbity jego elektronów. Najmniejszy atom wodoru ma zaledwie 0,53 A średnicy, największy atom cezu ma średnicę 2,32 A, czyli jest tylko 5 razy większy. No chyba że weźmiemy pod uwagę szczególny stan atomu, a konkretnie jego elektronów.

Elektrony grupują się w powłokach elektronowych, przy czym w danej powłoce mieścić się może tylko pewna ich liczba. Ponieważ układ taki dąży do stanu o najniższej energii, elektrony wypełniają najbliższe możliwe orbity względem jądra. Siła przyciągania elektronu z jądrem zależy od tego jak blisko niego krąży; standardowo wyraża się ją w energii jonizacji, to jest takiej porcji która jest w stanie całkowicie oderwać elektron i utworzyć jon. Jest to energia potrzebna na to aby odchylić elektron z położenia równowagowego i oddalić go w "nieskończoność".

A co jeśli dostarczymy elektronowi nieco mniej energii? Otóż zacznie przeskakiwać na następną, wyższą energetycznie orbitę. W jego własnym miejscu zrobi się wakat, a układ w atomie stanie się niestabilny. Mówimy wtedy o stanie wzbudzonym. Zaraz więc ten sam lub inny elektron z wyższej powłoki, powróci w to miejsce, wypromieniowując kwant energii w postaci światła odpowiedniej długości fali. Na tych zjawiskach opiera się absorpcja i emisja światła, decydująca na przykład o kolorach materii czy płomieni.

Zastanówmy się jak to wygląda, na przykładzie najprostszego atomu - wodoru. Wodór ma tylko jeden elektron, na podpowłoce 1s, to jest na najbliższej orbicie. Wzbudzenie go porcją energii spowoduje że przeskoczy on na następną potencjalnie możliwą orbitę, na podpowłokę 2s. Kolejna porcja przesunie go na podpowłokę 2p a następna na 3s. Kolejność podpowłok zmienia się wedle rosnących energii wedle pewnego wzoru, zwykle rysowanego jak deszczyk na tabelce:

Jak możemy zobaczyć, po 11 przeskokach dzięki coraz większym porcjom energii, elektron znajdzie się na podpowłoce 6s, czyli znajdzie się w takim położeniu, w jakim znajdowałby się zewnętrzny elektron atomu Cezu. To już dosyć daleko. Co jednak stanie się, jeśli będziemy mu dodawać następne porcje energii, ale zbyt małe aby go po prostu zjonizować? Będzie przeskakiwał na kolejne i kolejne, aż znajdzie się na egzotycznych podpowłokach w rodzaju 17s które nie występują w żadnym istniejącym pierwiastku. Zaś wraz z kolejnymi przeskokami, rosnąć będzie też wielkość orbity, czyli odległość od jądra.
Przypomnijmy sobie teraz definicję atomu, jako układu dodatnio naładowanego jądra i krążących wokół elektronów. Atom z bardzo wzbudzonym, bardzo odległym elektronem, nadal jest formalnie atomem. A skoro tak, to jego średnica, która jest liczona jako średnica najdalszej orbity elektronowej, jest teraz bardzo duża. Tak bardzo duża, że w ekstremalnych przypadkach ze skali nano zbliża się do dużo lepiej nam znanych skal ułamków milimetra.

Tego typu atomy wzbudzone niemal do granicy jonizacji, nazywamy atomami Rydberga, wzięły nazwę od wzoru Rydberga opisującego długości fal w widmie emisyjnym wodoru. Wodór poddany działaniu wysokiej temperatury lub prądu elektrycznego, zaczyna emitować światło zawierające wiele serii pasm emisyjnych. Rydberg empirycznie opisał wszystkie te serie jednym wzorem, gdy jeszcze nie było wiadomo z czego wynikają. Gdy już ustalono model atomu, dla wszystkich stało się jasne, że bardziej oddalone serie emisyjne są wynikiem spadania na najbliższą jądru orbitę elektronu bardzo silnie wzbudzonego.

Rozmiar
Wraz ze stopniem wzbudzenia, bardzo szybko wzrasta promień orbity. Dla n=10 to jest dla dziesiątego poziomu energetycznego, średnica wzbudzonego atomu wodoru jest 200 razy większa niż w stanie podstawowym .
Przy bardzo silnym wzbudzeniu atom powiększa się tysiące a nawet miliony razy. Jednym z takich przypadków jest opisana w 2009 roku cząsteczka dwóch ultrachłodnych atomów rubidu, które po silnym wzbudzeniu utworzyły wiązanie o długości 100 nanometrów. Atomy połączone wiązaniem kowalencyjnym zatrzymują się w optymalnej odległości w której ich zewnętrzne powłoki stykają się ze sobą,zatem promień każdego z atomów wynosił 50 nm i był 25 razy większy niż normalnie.[1]

Ale to jeszcze nic. Niedawno doniesiono o zaobserwowania cząsteczki dwóch atomów cezu wzbudzonych do 44 poziomu energetycznego. Cząsteczka ta ma wielkość 1 mikrometra, co oznacza że jest większa niż wiele bakterii.[2]
Obliczenia pokazują, że w ekstremalnych przypadkach około 1000 poziomu energetycznego, średnica atomu osiąga około 1 mm.

Trwałość
Atomy wzbudzone energetycznie są generalnie nietrwałe - układ elektronowy będzie dążył do stanu podstawowego, toteż wybity daleko skrajny elektron "spadnie" z orbity możliwie najbliżej, emitując światło o długości fali odpowiadającej różnicy energii. Czas trwania takiego stanu jest zazwyczaj skrajnie krótki, w przejściach odpowiedzialnych za fluorescencje są to czasy rzędu nanosekund i krótsze. Jeśli jednak wzbudzenie jest duże, stan przedłuża się. Wynika to z prawdopodobieństwa przejścia energetycznego - im większa jest energia przejścia, tym mniejsze jest prawdopodobieństwo zajścia. Średni czas trwania stanu wzbudzonego w badanych laboratoryjnie atomach rydbergowskich, jest rzędu od milisekund do niemal sekundy. Wystarcza to aby zbadać ich właściwości, oraz aby ich obecność miała wpływ na procesy fizyczne.

Z drugiej jednak strony, takie silnie wzbudzone atomy są bardzo wrażliwe. Znacznie oddalony elektron jest już dosyć słabo związany z jądrem atomowym, i niewiele potrzeba mu energii aby odpadł całkowicie. Wystarczać mogą zderzenia z innymi atomami, foton światła czy własne drgania termiczne. Charakterystyczną cechą takich układów jest też łatwa jonizacja pod wpływem pola elektrycznego czy magnetycznego. Dlatego zazwyczaj stan ten jest badany w wysokiej próżni i w bardzo niskich temperaturach.
Całkiem niezłe warunki do trwania takiego stanu istnieją w otwartej przestrzeni kosmicznej. Próżnia międzygwiezdna jest dużo doskonalsza od otrzymywanej w ziemskich laboratoriach, atom może przebyć w przestrzeni wiele kilometrów zanim zderzy się z innym. Jest tam też dosyć chłodno, średnia temperatura wszechświata to zaledwie kilka kelwinów. Dlatego atomy rydbergowskie o bardzo wysokich poziomach energetycznych, rzędu n=300 i więcej, mogą trwać w kosmosie tak długo, aż nie dojdzie do spontanicznego przejścia energetycznego, a to może potrwać zaskakująco długo. Ich obecność w kosmosie jest trudna do wykrycia, możliwe więc, że da się przy ich pomocy wyjaśnić choć część niedomkniętego bilansu materii we wszechświecie.

Z powodu tej delikatności trudno byłoby jednak "zobaczyć" atom rydbergowski, nawet przy użyciu mikroskopu świetlnego. Nasze działania polegające na zalaniu go strumieniem światła mogą po prostu spowodować jego rozpad. W praktyce obserwuje się je pośrednio. Możemy zaczekać aż spontanicznie powróci do stanu podstawowego i zarejestrować kwant światła o wysokiej energii. Możemy też podziałać na niego bardzo słabym polem elektrycznym. Wykrycie jonizacji, to jest pojawienia się elektronu i kationu, w sytuacji gdy działające pole było bardzo słabe, dowodzi istnienia stanu silnie wzbudzonego, w którym to słabe pole było wystarczająco silne aby elektron oderwać ostatecznie.

Materia rydbergowska
Jedną z ciekawych właściwości wysoce wzbudzonych atomów jest dość wysoki moment dipolowy. Elektron krąży bowiem tak daleko i na tyle wolno, że w skończonym czasie uwidacznia się wyróżniony wektor elektryzacji. Fakt ten powoduje, że wzbudzone atomy mają skłonność do "sklejania" się w większe grupy. Chwilowe, ukierunkowane momenty dipolowe generują między nimi odpowiednik sił Londona. Ze względu na słabe przyciąganie, w grupkach wielu atomów rydberga elektrony mogą przeskakiwać z jednego na drugi, tworząc uśredniony stan podobny do wiązania metalicznego, co dodatkowo stabilizuje układ. Tak powstałe klastry tworzą nowy stan materii, który trudno nazwać ciałem stałym, gazem czy cieczą, oraz na pewno nie plazmą, bo mimo wszystko elektrony wciąż są z jądrami związane.

Co ciekawe, klastry takie są dużo trwalsze od osobnych wzbudzonych atomów, następuje interferencja ich funkcji falowych i uwspólnienie stanu, możliwe też że wiązanie "rydbergometaliczne" tworzy mały dołek na wykresie energetycznym utrudniając elektronom powrót do stanu podstawowego jeszcze troszeczkę. Dla klastrów 12 atomowych czas życia to już około 25 sekund. Grupki po kilkadziesiąt atomów mogłyby mieć średni czas trwania rzędu minut lub godzin, o ile oczywiście udałoby się je odizolować od zewnętrznych wpływów na tak długo. Na razie otrzymujemy klastry w formie płaskich warstw na podłożu, z którym słabo oddziałują, największy zgłoszony składał się z 91 atomów. Są pewne teoretyczne ograniczenia wielkości, związane z tym że jądra atomów są sklejane przez gaz elektronowy, który uśrednia się w czasie na tyle, iż działa jak równomierna siła. Problem pojawia się jednak gdy elektronów nie ma wcale tak dużo, a sam klaster jest ogromny.
Dla układu atomów na setnym poziomie energetycznym, odległości między nimi są już większe niż 1000 nanometrów. Jeśli grupa jest więc duża to biorąc pod uwagę, że elektron nie może przekraczać prędkości światła, może się zdarzyć że w wyniku przypadkowych fluktuacji lokalnie ładunek elektronów zwiększy się w pewnym miejscu, a bardziej osamotniony atom z brzegu będzie odczuwał zbyt słabe przyciąganie i oderwie się, zaś potrzebne do jego związania elektrony zwyczajnie nie nadążą. Klaster będzie się wówczas rozpadał i jonizował.

Otrzymywanie
Znanych jest kilka metod otrzymywania takich atomów. W każdym chodzi o to aby wzbudzać atomy silnie ale jednak precyzyjnie, poniżej progu jonizacji. Jednym ze sposobów jest bombardowanie atomów elektronami przyspieszonymi w polu elektrycznym. Energia elektronów zależy wtedy od przyłożonego potencjału i można ją z dużą dokładnością określić, stąd możliwość przekazania atomom konkretnej jej porcji.
Inny sposób to zderzanie obojętnego atomu z jonem. Zachodzi wtedy między nimi wymiana elektronu. Zostaje on wzbudzony za sprawą energii kinetycznej zderzanych jąder.
Obecnie najbardziej badanym sposobem jest jednak wzbudzanie elektronów światłem - pochłonięcie przez atom kwantu światła wzbudza jego zewnętrzne elektrony do stanu o dokładnie takiej energii jaką miał tamten foton. Precyzyjnie dobierając długość fali można zatem otrzymać atom na takim poziomie energetycznym jaki jest nam potrzebny.

Zastosowanie
Czy atomy rydbergowskie, to tylko taka sobie ciekawostka, bez praktycznych zastosowań? Wprawdzie jest to stan dość egzotyczny i nietrwały, ale w niektórych sytuacjach okazuje się idealny. Przede wszystkim są idealnym obiektem do badań fizycznych, mogących potwierdzić przewidywania co do oddziaływań fizycznych w zwyczajnych atomach. Bardziej jednak interesującym zastosowaniem, jest użycie ich jako qubitów w komputerach kwantowych. Stany kwantowe wzbudzonych atomów można zmieniać przy pomocy odpowiednio dobranych impulsów światła bez jonizacji Ponieważ zaś stany takie trwają w tym przypadku dosyć długo, można zdążyć wykonać kwantowe obliczenia zanim układ się rozpadnie.
W zeszłorocznym artykule z Nature Communications donoszono o przeprowadzeniu obliczeń na układzie 40 atomów rydbergowskich, co stanowi jeden z największych zbudowanych układów.[3]
---------
*  https://en.wikipedia.org/wiki/Rydberg_atom
*  http://www.princeton.edu/~mlittman/SciAmer.pdf
*  https://en.wikipedia.org/wiki/Rydberg_matter

[1] Vera Bendkowsky, Bjorn Butscher, Johannes Nipper, James P. Shaffer, Robert Low & Tilman Pfau. "Observation of ultralong-range Rydberg molecules." Nature, Vol 458, 23 April 2009, doi:10.1038/nature07945.
[2] Heiner Saßmannshausen et al. Observation of Rydberg-Atom Macrodimers: Micrometer-Sized Diatomic Molecules, Physical Review Letters (2016). DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.083401
[3]  https://www.nature.com/articles/ncomms13449

Stabilny zwiazek helu?

W artykule na temat związków chemicznych gazów szlachetnych (link) opisałem kilka przypadków w których teoretycznie niereaktywne pierwiastki są jednak w stanie utworzyć połączenia. Helowce ciężkie, jak krypton czy ksenon tworzą wiele związków, co ułatwia stosunkowo niska jak na tą grupę energia jonizacji. Jednak im bardziej w górę, tym z tym gorzej - energia jonizacji rośnie a już dla helu tworzenie wiązań kowalencyjnych uniemożliwiają pewne efekty związane z zapełnianiem orbitali.

Najnowsze odkrycie opublikowane właśnie w The Nature pokazuje jednak, że nie jest to zastrzeżenie tak ścisłe. Wprawdzie otrzymane kryształy helu z sodem nie są klasycznym połączeniem chemicznym, ale mają zdefiniowaną strukturę i stały skład, oraz pokazują coś, czego dotąd o własnościach helu nie wiedzieliśmy.

Mieszanina helu i metalicznego sodu pod ciśnieniem ponad 100 gigapaskali utworzyła szczególną strukturę, nazywaną elektrydem. Jest to w pewnym sensie sól elektronów - swobodny elektron zawarty w lukach struktury odgrywa rolę bardzo małego anionu, związanego z kationami metalu wokół.

Dość stabilne elektrydy są znane dla związków krystalizowanych z roztworów zawierających solwatowane elektrony, na przykład roztworów metali alkalicznych w amoniaku czy kryptandach, otrzymano też elektryd stabilny w temperaturze pokojowej, w której elektron został zamknięty w klatkowatej strukturze glinianu wapnia podobnej do zeolitów.
Niedawno stwierdzono powstawanie elektrydów także w metalach alkalicznych pod skrajnie wysokim ciśnieniem. Zewnętrzny nacisk powoduje, że atomy metalu są dociskane do siebie. Ze względu na odpychanie oraz konieczność spełniania reguły Pauliego, powłoki elektronowe są deformowane. Najwidoczniej dobrym sposobem na ustabilizowanie i zmniejszenie odpychania jest w tej sytuacji utworzenie struktury jonowej, z małymi wnękami zawierającymi zamknięte elektrony jako aniony i zawarte w sieci kationy metalu.

Możliwość tworzenia takich struktur zainteresowała zespół rosyjskich badaczy pod kierunkiem A. R. Oganowa. Na podstawie symulacji stwierdził on, że dla wysokich ciśnień powinno być możliwe utworzenie dość luźnej struktury zawierającej we wnękach także hel. Po długich przygotowaniach przetestowano tą możliwość stwierdzając, że po zastosowaniu przewidzianego ciśnienie połączenie takie powstaje dość łatwo.
Jak jednak wygląda ta struktura i jaka jest w niej rola helu?

Zasadniczo atomy sodu tworzą prostą sieć regularną, w której tworzą układ stykających się kostek z atomami w narożach, na powyższej wizualizacji są to fioletowe kulki. Wewnątrz jednych z tak powstałych luk znajdują się atomy helu nie oddziałujące z atomami sodu (zielone kostki), a wewnątrz innych tworzące anion dwa elektrony. Oddziałują one z sodem, przez co na mapach gęstości przyjmują formę ośmiościanów (tu czerwone okaedry we wnękach).

Wśród propozycji opisu sposobu w jaki niezwiązane elektrony oddziałują ze strukturą pojawia się wiązanie ośmiocentrowe-dwuelektronowe, jednak jest to dość pokrętna propozycja.
Tak powstałe połączenie jest trwałe tylko pod wysokim ciśnieniem.

Związek?
Atomy helu są w tej strukturze wprawdzie zawarte, ale nie tworzą żadnych wiązań, nie są więc ani składnikiem kowalencyjnym, ani jonowym. W pewnym sensie stanowią neutralną przekładkę stabilizującą strukturę. Bez nich układ atomów sodu byłby zbyt luźny, puste kostki nie powstrzymywałyby atomów przed zapadaniem w bardziej ścisłe człony. Można by je było oczywiście wypełnić następnymi parami elektronów, ale wtedy układ czterech kationów mógłby nie tworzyć regularnych klatek ze względu na wzajemne odpychanie. W zasadzie więc bez helu taka struktura by nie powstała.

Znane są już połączenia klatkowe, gdzie atomy helu są obecne w lukach innego materiału, na przykład klatraty czy pewna odmiana krystobalitu. Udało się też stworzyć hel zamknięty w fullerenach, z których nie jest w stanie się uwolnić, choć z nimi chemicznie nie oddziałuje. W tym przypadku połączenie elektrydowe z sodem wydaje się bardzo podobne, lecz rola atomów w strukturze jest nieco bardziej skomplikowana. Czy zatem jest to jakiś dziwny związek? To już zależy jak sobie związki zdefiniujemy.

Nietypowa struktura, niewiele wysokociśnieniowych aparatur zdolnych powtórzyć eksperyment, i dośc pokrętny opis teoretyczny spowodowała, że artykuł o odkryciu ukazał się dopiero po ponad dwóch latach, recenzenci chcieli być bowiem pewni, że nie jest to jakaś pomyłka.
Obecnie zespół badawczy pracuje nad otrzymaniem innych takich struktur. Wedle symulacji dodanie do mieszaniny atomów tlenu obniża ciśnienie potrzebne do stworzenie elektrydu dziesięciokrotnie.

--------
*  X. Dong, A.R. Oganov, A.F. Goncharov, E. Stavrou, S. Lobanov, G. Saleh, G. Qian, Q. Zhu, C. Gatti, V.L. Deringer, R. Dronskowski, X. Zhou, V.B. Prakapenka, Z. Konôpková, I.A. Popov, A.I. Boldyrev, and H. Wang, "A stable compound of helium and sodium at high pressure", Nature Chemistry, 2017. http://dx.doi.org/10.1038/nchem.2716


* https://en.wikipedia.org/wiki/Helium_compounds

Chemiczne rekordy (1.)

Czyli krótki opis substancji, które w czymś są wyjątkowe. Na razie rekordy bardziej fizyko-chemiczne.

Największa rozpuszczalność w wodzie i najgęstszy roztwór wodny
Rozpuszczalność jest miarą określającą jaka masa danego związku jest w stanie rozpuścić się w rozpuszczalniku. Silnie zależy od temperatury, zwykle jest podawana w gramach substancji na 100 gramów rozpuszczalnika. To jak duża będzie jej wartość oprócz zupełnie oczywistej kwestii siły oddziaływań między cząsteczkami, zależy też od masy molowej związku. Im większa będzie masa molowa, tym cięższa będzie ta sama ilość cząsteczek związku. Dla lekkiej wody jeden mol to 18 gramów, co przy gęstości około 1 g/cm3 daje nam mniej niż kieliszek. Dla azotanu potasu taka sama ilość cząsteczek waży 101 gramów. W 100 g wody rozpuścić się może ponad 300 g tego związku, czyli całe trzy mole.
Aby uzyskać wysoką rozpuszczalność w gramach na 100 g wody, należy więc znaleźć sól o stosunkowo wysokiej masie molowej, która dobrze się rozpuszcza. Palmę pierwszeństwa dzierży wśród prostych soli octan cezu. Wprawdzie molowa rozpuszczalność nie jest duża, bo wynosi około 5 mol/dm3 ale dzięki dużej masie molowej cezu, rozpuszczalność wynosi 1010 g/100g wody.

Oznacza to, że w szklance wody, rozpuścić mogą się ponad dwa kilogramy tej soli!

W mineralogii jedną z prostych metod rozpoznawania minerałów jest badanie gęstości względnej wobec gęstych cieczy - minerały mniej gęste pływają a gęstsze toną. Używa się w tym celu odpowiednio gęstych fluorowcowodorów, ale także roztworów wodnych o wysokiej gęstości, w tym nasyconego octanu cezu.
Nieco mniej rozpuszczalny od octanu mrówczan cezu, używany jest też jako płyn w płuczkach do głębokich odwiertów, na przykład ropy naftowej, aby utrzymywać w nich nacisk zapobiegający nagłym wyrzutom gazów. Nasycony roztwór ma gęstość 2,3 g/cm3.
Jeszcze większą gęstość, mimo mniejszej rozpuszczalności, można uzyskać dla nasyconego roztworu wolframianu cezu WO4Cs2, wynosi ona 2,9 g/cm3 co oznacza, że pływa w nim beton. Następny w kolejności jest poliwolframian sodu którego roztwór osiąga 3,1 g/cm3. Ale rekordzistą pod tym względem jest tzw. roztwór Clerici.
Jest to roztwór mieszaniny mrówczanu i malonianu talu, innego ciężkiego pierwiastka o własnościach podobnych do metali alkalicznych. Przy odpowiednio dobranej proporcji roztwór ma w temperaturze pokojowej gęstość 4,25 g/cm3, co oznacza że pływa w nim diament a tonie cyrkonia.
W praktyce jest rzadko używany ze względu na korozyjność i fakt, że rozpuszczalne sole talu są silnie trujące.

Najcięższy gaz
Najlżejszym gazem w warunkach standardowych jest wodór, znany z baloników hel jest od niego nieco bardziej gęsty. A jaki gaz jest najcięższy?

Gazem o największej gęstości w warunkach standardowych, jest sześciofluorek wolframu. Jego gęstość to 13 g/l jest więc około 11 razy cięższy od powietrza. To gaz bezbarwny, trujący, hydrolizujący w wodzie z wydzieleniem fluorowodoru, powodujący obrzęk płuc. Poniżej temperatury 17*C skrapla się do żółtawej cieczy.
W przemyśle jest używany do osadzania warstewki wolframu na ogrzanych powierzchniach, jego wytwarzanie i destylacja są też sposobem na otrzymanie metalu wysokiej czystości.

Innym bardzo gęstym gazem jest czysty radon, nietrwały pierwiastek promieniotwórczy z grupy gazów szlachetnych. Jego gęstość to 9 g/l.
Najbardziej znanym gęstym gazem, który wdychany powoduje niesamowite pogrubienie głosu, jest sześciofluorek siarki, obojętny i nietoksyczny gaz o gęstości 6 g/l. Możliwe jest na przykład umieszczenie łódki z folii tak, aby pływała na zebranej w naczyniu warstwie.

Najgęstsza ciecz
Najgęstszą cieczą (w warunkach standardowych) jest metaliczna rtęć o gęstości 13,5 g/cm3. Jak na metal tworzy bardzo słabe wiązania metaliczne stąd bardzo niska temperatura topnienia -38,8*C. Zastanawiałem się czy nieco gęstsze nie będą niektóre ciekłe amalgamaty, ale wygląda na to, że dodatek jakiegokolwiek metalu zmniejsza gęstość powstałego połączenia.

-------
* https://en.wikipedia.org/wiki/Clerici_solution
* https://en.wikipedia.org/wiki/Density

Chemiczne wieści (9.)

Reakcja w kroplach nad rozgrzaną blachą
Efekt Leidenfrosta jest jednym z tych ciekawych zjawisk fizycznych, jakie z pewnością każdy miał okazję obserwować, tylko nie specjalnie zastanawiał się nad jego przyczyną. Upuszczenie kropli wody na bardzo rozgrzaną blachę, kuchenkę elektryczną czy patelnię powoduje, że zamiast zwyczajnie odparować przez pewien czas szybko śmiga niczym mały poduszkowiec.
Odpowiednio duża różnica temperatur powoduje, że rozgrzewanie całej kropli jest wolniejsze niż odparowanie porcji najbliżej blachy. Powstająca para wodna ma ciśnienie wystarczające, aby unieść nad gorącą powierzchnię całą kroplę, która nie ma bezpośredniego kontaktu, spowalniając wyparowanie kropli wielokrotnie.

Zespół amerykańskich naukowców z Purdue University wykorzystał ten efekt, tworząc z kropelek mikroreaktory do przeprowadzenia reakcji. Wcześniej znany był już efekt przyspieszania reakcji w kropelkach powstających przy rozpryskiwania roztworów techniką elektrospreju.  Prawdopodobnie na granicy faz następowała adsorpcja naładowanych reagentów, które wobec tego były tylko częściowo solwatowane przez rozpuszczalnik. Niecałkowita otoczka solwatacyjna obniżała energię aktywacji reakcji między składnikami roztworu. Ze względu na mikroskopijne rozmiary powstających kropelek, stosunek objętości do powierzchni był bardzo korzystny. Z drugiej strony efekt obserwowano w bardzo niewielkiej ilości mieszaniny reakcyjnej, przez co trudno bylo zjawisko w jakiś sposób zastosować.

Tutaj pomysł był podobny, tylko kropelki większe, bo otrzymywane przez efekt Leidenfrosta. Za modelową reakcję posłużyła kondensacja ketonu z pochodną hydrazyny. Reagenty rozpuszczono w rozpuszczalniku i upuszczono po kropli na rozgrzane szkiełko zegarkowe, utrzymując kropelkę przez dwie minuty w stanie lewitacji. Po zbadaniu roztworu stwierdzono, że reakcja zachodziła z nawet pięćdziesięciokrotnie większą szybkością. Tą metodą można poddawać reakcji miligramowe iloci reagentów, możliwe, że nawet większe jeśli udałoby się zbudować układ w którym krople mogłyby odpowiednio długo wędrować jedna za drugą. [1]


Najsilniejszy niefluorowy utleniacz
Utlenianie to w rozumieniu chemików reakcja polegająca na odebraniu reagującemu atomowi elektronów (dezelektronacja). Tlen i zawierające go związki są dość dobrymi utleniaczami, ale nie jedynymi, przykładowo gazowy chlor reagując z metalicznym sodem odbiera mu elektron, utleniając do kationu sodowego; sam redukuje się więc do anionu chlorkowego i tworzy związek chlorek sodu, czyli sól kuchenną.

W roli utleniacza zadziałać może też elektroda z przyłożonym odpowiednim napięciem. W procesie elektrolizy jedne składniki roztworu są utleniane a inne redukowane, lecz materiał elektrody nie ulega w tych procesach przemianom, jest jedynie przekaźnikiem elektronów które są przez potencjał elektryczny bądź wyciągane bądź wpychane w reagującą cząsteczkę. Oczywiście aby doszło do reakcji i aby elektron przeskoczył z miejsca na miejsce, należy użyć odpowiednio dużej energii, a w tym przypadku przyłożyć do elektrody odpowiednio duże napięcie, poniżej którego reakcja nie zajdzie.
Dzięki temu badając napięcie przy którym na elektrodzie następuje dana reakcja, można porównać związki i ich skłonności do oddawania lub przyjmowania elektronów, a tym samym moc różnych reduktorów lub utleniaczy. Zajście reakcji utlenienia przy pomocy danego utleniacza, to odpowiednik potencjału X woltów. Stąd biorą się tabele potencjałów standardowych, jakie zapewne widzieliście w podręcznikach. Z tego jaką wielkość mają potencjały dwóch substancji i jaka jest między nimi różnica, można zgadnąć czy zajdzie nimi reakcja redoks i w którą stronę. Ten który ma potencjał bardziej dodatni, będzie utleniaczem, ten który będzie miał potencjał bardziej ujemny będzie reduktorem. Im większy jest między nimi odstęp, tym energiczniej zachodzi reakcja, a więc tym chętniej.
Dla układów pośrodku skali potencjałów (standardowo za 0 przyjmuje się potencjał reakcji redukcji kationów wodorowych), substancje zależnie od tego z czym się spotkają mogą być utleniaczami lub reduktorami. Na dodatnich i ujemnych krańcach skali znajdują się związki i jony pierwiastków, które zwykle traktuje się po prostu jak utleniacze lub reduktory zawsze, bo na przykład osiągnęły maksymalną wartościowość której już nie zwiększą albo nie bardzo mają okazję przereagować z czymś silniejszym (ale czasem mają - nadtlenek wodoru, generalnie utleniacz, w reakcji z jonami srebra redukuje je do obojętnego metalu, a sam utlenia się do... tlenu).

Generalnie w takim ujęciu za utleniacze silne uznaje się już układy o potencjale standardowym powyżej +2 V. Utleniaczem silnym jest więc na przykład nadsiarczan sodu (E0= +2 V), od niego silniejszy jest pierwiastkowy fluor (E0= +2,8 V), kwas ksenonowy (+2,5 V), i różne układy oparte o fluor lub chlor. Do najsilniejszych należy rodnik fluorowy, który w reakcji z kationem wodoru utlenia go z potencjałem +3,87 V i difluorek kryptonu KrF2 o potencjale +3,27 V.
Fluor pojawia się tutaj nieprzypadkowo - pierwiastek ten ma wysoką elektroujemność, co oznacza że trudno go zjonizować, oraz ze chętnie przyciąga elektrony. Najsilniejsze znane utleniacze są więc związkami fluoru. Przynajmniej aż do teraz.

Grupa badaczy z Uniwersytetu Warszawskiego opublikowała niedawno wyniki eksperymentów z otrzymaniem bardzo silnego utleniacza, jakim okazały się kationy srebra II. Jest to dla srebra stan utleniania bardzo nietrwały, stąd duża energiczność reakcji dzięki której może przejść w bardziej trwały kation srebra I. W specyficznych warunkach stężonego oleum, które wpływają na przebieg reakcji, utlenienie przy pomocy srebra II osiąga potencjał standardowy +2,9 i jest najwyższą znaną wartością dla utleniaczy nie zawierających fluoru. Prawdopodobnie kationy metalu są solwatowane przez cztery cząsteczki kwasu, co ma duże znaczenie dla potencjału utleniania. Utleniacz o takiej sile mógłby być użyty do rozkładu niektórych trudnych do przetworzenia zanieczyszczeń.[2]

Niskotemperaturowa synteza amoniaku
Jednym z najbardziej znanych procesów przemysłowych, wykorzystywanym na gigantyczną skalę, jest synteza amoniaku z azotu, pozwalająca na otrzymanie związków azotowych, zużywanych potem głównie do produkcji nawozów sztucznych. Najpospoliciej stosowaną obecnie jest metoda Habera-Bosha, polegająca na reakcji wodoru i azotu pod ciśnieniem kilkuset atmosfer i temperaturze 500 stopni, z użyciem katalizatora żelazowego. Mimo tych ekstremalnych warunków metoda jest opłacalna. Wcześniej próbowano takich reakcji jak otrzymywanie azotku magnezu i rozpuszczanie go w kwasach, czy hydroliza cyjanamidu wapniowego (tzw. azotniak).

Jednak ostatnia praca chińskich badaczy z Dalian Institute of Chemical Physics pokazuje że potencjalnie możliwe jest przeprowadzenie tego procesu w bardziej łagodnych warunkach.

Zespół pierwotnie zajmował się badaniem materiałów do pochłaniania i przechowywania wodoru. Podczas cykli wygrzewania oprócz wodoru powstawały też pewne ilości amoniaku, wskutek niepożądanej reakcji ubocznej. Dość przypadkowo, podczas symulacji sprawdzających przebieg tej reakcji, badacze stwierdzili że proces uwodornienia azotu jest sam w sobie dość obiecujący. Zachodzące podczas syntezy procesy obejmują adsorpcję azotu na metalu, aktywizację cząsteczki, przyłączenie wodoru i dysocjację. Idealny katalizator powinien dobrze aktywować azot ale też słabo wiązać aktywowaną cząsteczkę. niestety w przypadku metali przejściowych dobre wiązanie i aktywizowanie azotu wiązało się też z trudnym odłączaniem zaktywizowanej formy. Właśnie konieczność odłączenia cząsteczki od katalizatora powodowała, że potrzebna była tak wysoka temperatura.
Pomysł Chińczyków był generalnie dość prosty - należy użyć dodatkowego katalizatora. Tym katalizatorem okazał się wodorek litu.

Centrum reakcyjne ma postać drobnych plamek wodorku litu na powierzchni katalizatora metalicznego. Cząsteczka azotu przyłącza się w pobliżu, w związku z utworzeniem wiązania azot-metal zostaje zaktywizowana. Pobliski wodorek litu jest reduktorem, oraz odszczepia bardzo reaktywny anion wodorkowy. W efekcie pobliska cząsteczka azotu zostaje zredukowana i odszczepiona, równocześnie z przyłączeniem wodoru. Powstający amidek litu reaguje z wodorem, odnawiając wodorek litu i odłączając amoniak.
Taki podwójnie katalizowany proces może być przeprowadzony w dużo łagodniejszych warunkach. Dla katalizatora żelaznego z domieszką wodorku litu proces zachodził wydajnie już w temperaturze 150 stopni Celsiusza. [3]

Rośliny oczyszczają domowe powietrze
Powietrze w domach i mieszkaniach różni się od tego napływającego z zewnątrz. Nie dość, że dostają się do niego związki wydzielane przez nas samych, uwalniane podczas gotowania czy codziennej toalety, to jeszcze swoje dokładają lotne składniki farb, materiałów budowlanych, mebli i elementów wystroju wnętrz. Niektóre z nich mogą mieć działanie szkodliwe, dlatego dobrze jest co jakiś czas wietrzyć mieszkanie. Zaleganie toksycznych oparów w pomieszczeniach, uwalnianych przez ściany i sprzęty domowe, jest niekiedy wiązane z "zespołem chorego budynku" powodującego różne, często trudne do określenia dolegliwości, jak bóle głowy, alergie, napady astmy, uczucie zmęczenia.
Do sposobów unikania tego zjawiska należy polepszenie wentylacji i napływu powietrza z zewnątrz lub stosowanie filtrów pochłaniających. Znane były też badania sugerujące, że pewne związki mogą pochłaniać z powietrza rośliny doniczkowe.

Zespół amerykańskich badaczy postanowił precyzyjniej porównać zdolności oczyszczania powietrza przez różne gatunki w tej samej przestrzeni. Wzięto pięć gatunków często używanych jako rośliny doniczkowe i sprawdzano jak ich obecnośc wpływa na stężenia lotnych związków w specjalnie przygotowanej komorze. Były to: zielistka, dracena, bromelia guzmania, grubosz (znany też jako drzewko szczęścia) i kaktus Consolea.
Przetestowano ich aktywność na ośmiu przykładowych związkach, stwierdzając że pewne gatunki mają wyjątkowo dużą skłonność do wchłaniania niektórych. Przykładowo dracena wchłaniała 90% acetonu obecnego w powietrzu. Najlepszą z badanych okazała się bromelia, która dla sześciu lotnych związków eliminowała 80% obecnej ilości.[4]


Prosta i tania metoda otrzymywania
Wiele substancji znajdujących ciekawe zastosowania bądź występuje w naturze zbyt rzadko aby możliwe było tanie ich pozyskanie, bądź nie występuje w niej w ogóle. Dlatego trzeba je otrzymywać przy pomocy metod syntetycznych. Jednak w przypadku niektórych skomplikowanych cząsteczek, synteza przestaje być tak dobrą alternatywą, jeśli jest złożona z wielu etapów w których zużywa się wiele różnorodnych reagentów, tym bardziej, że im więcej etapów pośrednich tym mniejsza wydajność końcowa. 10 etapów o wydajności 80% przekłada się na wydajność całkowitą 10%
Dlatego też chemicy szukają sprytnych sposobów aby konstruować cząsteczki w mniejszej ilości etapów, szybciej i z mniejszą ilością reagentów. Takimi prostymi skokami omijającymi parę etapów są reakcje wieloskładnikowe, gdy to reakcję przeprowadzamy na mieszaninie kilku składników, które w trakcie tego samego procesu reagują ze sobą w określonej konfiguracji; reakcje kaskadowe gdy odpowiednio skonstruowana cząsteczka ulega serii wewnętrznych przekształceń, oraz reakcje rednoreaktorowe (one pot) gdy kolejne etapy są dokonywane dolewając następne reagenty do mieszaniny po poprzedniej reakcji, bez często żmudnego procesu izolowania czystych produktów pośrednich.

Przykładem może być praca jaka wpadła mi w oko, opisująca nową metodę syntezy (-)-ambroksanu, terpenoidu będącego głównym składnikiem zapachowym naturalnej ambry. Ta naturalna jest rzadka i droga i nie sposób zwiększyć jej pozyskania*, dlatego główny pachnący związek otrzymuje się syntetycznie.
Związkiem wyjściowym jest sklareol, otrzymywany z olejku eterycznego szałwii muszkatołowej, bo to najtańsze źródło. Cząsteczka jest generalnie bardzo podobna do ambroksanu, należy jedynie zamknąć trzeci pierścień w formie eteru i odrzucić niepotrzebne dwa węgle, ale bez zmiany konfiguracji jednego centrum stereogenicznego:

Opisano kilka metod przeprowadzenia takiej reakcji, które są wykorzystywane w przemyśle, mają one jednak tą wadę, że są przeprowadzane w kilku etapach. Czyli substancja wyjściowa jest poddawana reakcji, po której półprodukt jest oddzielany i używany do następnego etapu. Każdy taki proces następuje ze skończoną wydajnością, sumą kilku procesów jest bardzo mała wydajność końcowa, do tego dochodzą koszty zużytych w każdym etapie odczynników. Dlatego nowa metoda w której używa się tylko dwóch odczynników a całą reakcję przeprowadza się w jednym etapie bez oddzielania związków pośrednich z pewnością wzbudzi zainteresowanie przemysłu.

Sklareol jest rozpuszczany w dioksanie, dodawany jest utleniacz czyli 30% nadtlenek wodoru i katalizator będący fosfomolibdenianem alkiloamoniowym, mieszanina jest ogrzewana najpierw przez dwie godziny w temperaturze 70 stopni a potem godzinę w 90 stopniach. I tyle.  Wydajność to nieco ponad 20%, jest więc jedynie nieco wyższa niż w poprzednich metodach, ale być może da się to jeszcze usprawnić.
Reakcja przebiega prawdopodobnie poprzez utworzenie epoksydu, który cyklizuje i ulega przegrupowaniu.[5]


------
* Ambra to grudki masy będącej zastygniętymi wymiocinami kaszalota, który najadł się zbyt dużo kałamarnic olbrzymich żyjących w głębinach oceanów. Jak na razie nikomu nie udało się ich pod tym kątem tresować.

[1] Bain RM, Pulliam CJ, Thery F, Cooks RG. Accelerated Chemical Reactions and Organic Synthesis in Leidenfrost Droplets, Angew Chem Int Ed Engl. 2016 Aug 22;55(35):10478-82
[2] Połczyński P.,Jurczakowski R., Grochala W., Stabilization and strong oxidizing properties of Ag(II) in a fluorine-free solvent, Chem. Commun., 2013,49, 7480-7482
[3] Peikun Wang et al, Breaking scaling relations to achieve low-temperature ammonia synthesis through LiH-mediated nitrogen transfer and hydrogenation, Nature Chemistry (2016).
[4] https://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/newsreleases/2016/august/selecting-the-right-house-plant-could-improve-indoor-air-animation.html
[5] Yang, S. et al. One-pot synthesis of (−)-Ambrox. Sci. Rep. 6, 32650; doi: 10.1038/srep32650 (2016).