Poison Story (8.) - Podstępny grzybek

Jesienią 1952 służby medyczne w ówczesnych powiatach konińskim i aleksandrowskim zaczęły notować niepokojący wysyp chorób gastrycznych. Chorzy z początku dostawali lekkiego rozstroju żołądka, nudności, wymiotów i zaparć. Do objawów dołączało przemożne pragnienie, ból brzucha bez konkretnej lokalizacji, dreszcze i ciągłe uczucie zimna. W cięższych stanach zachorowanie kończyło się utratą przytomności. We wszystkich przypadkach stwierdzano ciężkie uszkodzenia nerek, prowadzące do ustania ich czynności i martwicy.
Zachorowania szybko przyjęły postać epidemii - do końca jesieni zachorowały 102 osoby, z czego aż 11 zmarło.

Sprawą zajął się pracujący w tym rejonie lekarz Stanisław Grzymała. Najważniejsze było powiązanie zachorowań z konkretnym czynnikiem.  Jeśli czynnik toksyczny lub mikrobiologiczny zadziałał aż tak silnie, musiał zacząć działać szybko. Wstępne badania na obecność bakterii i wirusów wykluczyły aby przyczyną był zarazek chorobotwórczy, bardziej prawdopodobna wydawała się zatem toksyna. Pytano więc chorych co takiego jedli w dniu w którym po raz pierwszy poczuli się źle, lecz wywiady te nie dały niczego konkretnego. Grzymała zaczął więc pogłębiać wywiad, pytając o jedzenie, napoje i alkohol spożyte wcześniej, nawet kilka dni przed pojawieniem się objawów. Pojawił się pewien wspólny punkt, ale mało prawdopodobny toteż dopiero zimą nastąpił wyraźniejszy przełom. Pod koniec grudnia pojawiły się nieoczekiwanie nowe zatrucia. Czynnik chorobotwórczy ujawnił się ponownie tuż po Wigilii. Ale co takiego mogli zjeść zatruci zimą, z czym do czynienia mieli inni poprzednią jesienią? A no grzyby.

Wiele tradycyjnych dań wigilijnych zawiera w składzie grzyby przechowane do tego czasu w formie marynaty lub suszu. W jednym takim przypadku z Ruszkowa koło Radziejowa, od rodziny gdzie siedem osób zachorowało a trzy zmarły, udało się pozyskać jeszcze trochę suszonych grzybów zebranych tej jesieni, które były używane do dań świątecznych. Współpracująca z lekarzem botaniczka Alina Skirgiełło posegregowała pokruszone kawałki grzybów, rozpoznając w nich głównie znane gatunki z rodzaju Borowikowatych, Pieczarkowatych i Zasłonaków. Wszystkie były znane jako jadalne, pojawiła się jedynie domieszka uważanego zazwyczaj za niejadalny maślaczka pieprzowego o zbyt ostrym smaku. Postanowiono jednak na wszelki wypadek zrobić próbę biologiczną - mieszankę suszonych grzybów podano zwierzętom. Część zwierząt padła z objawami uszkodzenia nerek.

Wyglądało na to, że jakieś grzyby zbierane w okolicy wywoływały zatrucia, pozostawało tylko pytanie jakie konkretnie. Rozpoznanie gatunku po pokruszonych suszonych kapeluszach było trudne, niekiedy nie było pewności nawet co do rodzaju, należało więc zdobyć próbki świeżych. Istniała przecież możliwość, że w lasach rośnie jakiś rzadki gatunek trujący na tyle podobny do grzybów jadalnych, że nie dało się go wcześniej rozpoznać. Nie można było zakazać ludziom zbioru wszystkich grzybów z oznaczonych trzech grup obejmujących kilkadziesiąt chętnie zbieranych gatunków.

Ponieważ jesień się skończyła, dopiero w następnym roku doktor Grzymała ze Skirgiełło i mykologiem Andrzejem Nespiakiem ruszył w las aby zebrać jak najwięcej różnorodnych gatunków. Mieli jednak pecha, rok ten nie obfitował w grzyby, mimo przeprowadzonych badań nie udało się powtórzyć toksycznego efektu ze znalezionymi owocnikami. Podobna sytuacja powtórzyła się jesienią 1954, a lekarz zaczął tracić nadzieję na znalezienie rzeczywistej przyczyny zatruć. W końcu równie dobrze przyczyną mogło być jednak coś innego, może nie grzyby a jakieś opryski na terenie lasów albo pasożytująca na grzybach pleśń nadająca toksyczne właściwości jadalnym gatunkom. Sam przebieg zatrucia związany z uszkodzeniami nerek, był jak na działanie grzybów nietypowy i nigdy wcześniej nie obserwowany.
W 1955 roku w połowie jesieni ponownie pojawił się urodzaj na grzyby. Badaczom udało się pozyskać kilkadziesiąt gatunków. Rozsegregowane wedle gatunku owocniki suszono a część zachowywano w formalinie aby nadawały się do dokładniejszych oznaczeń. Dla niektórych grzybiarzy było to jednak za późno - w rejonie pojawiły się kolejne zatrucia z objawami uszkodzeń nerek. U dwóch różnych rodzin zachorowało dziewięć osób, z czego dwie zmarły. Tym razem działano szybko, prosząc rodziny o przekazanie jedzenia i niespożytych grzybów, póki jeszcze były świeże. Wśród próbek przekazanych od zatrutych z Lisewa znalazły się również gatunki z rodzaju zasłonak oznaczone wcześniej w suszu otrzymanym od ofiar "epidemii Konińskiej".

Bazując na próbkach od zatrutych oraz na okazach znalezionych podczas grzybobrania, wykonano kolejne badania na zwierzętach. Spośród 127 osobników część padła po zjedzeniu karmy z dodatkiem fragmentów trzech owocników. Pozostawało już tylko precyzyjnie oznaczyć gatunek. Na podstawie cech wyglądu, prób chemicznych i wyglądu zarodników udowodniono niezbicie, że trującym gatunkiem był Cortinarius orellanus, czyli zasłonak rudy.
We wszystkich ówczesnych atlasach oznaczany jako grzyb jadalny.

Publikacje Grzymały jakie ukazały się później w fachowych czasopismach, wywołały zdumienie u europejskich mykologów. Wszystko wskazywało na to, że przez bardzo długi czas nikt nie zorientował się, że gatunek ten należy do najsilniej trujących grzybów. Aby nakreślić zdumienie i przerażenie jakie przyniosła ta informacja, należy zaznaczyć, że Zasłonaki to bardzo liczna grupa grzybów. W samej tylko Polsce oznaczono ich około 220 gatunków a w całej Europie ponad 500. Większość uważana była za grzyby jadalne niskiej wartości, typowe bełdki. Niektóre na surowo wywoływały rozstrój żołądka, inne miały nieprzyjemny smak i zapach, w rodzaju zapachu czosnku, rzodkiewki, gazu czy kurzu. Wiele atlasów grzybów stwierdzało, że żaden z zasłonaków nie jest trujący, więc nie ma potrzeby rozpoznawać gatunków i można jeść wszystkie, jeśli tylko smak i zapach na to pozwalają.

Zasłonak rudy to  grzyb blaszkowy średniej wielkości, o brunatno-rudym zabarwieniu, młode osobniki mogą jednak być ciemnopomarańczowe. Dopiero wyrastające owocniki posiadają między trzonem a kapeluszem włóknistą błonę składającą się z łatwo pękających nitek, nazwaną zasnówką lub zasłoną. Stąd nazwa rodzajowa. Powierzchnia kapelusza skórzasta, sam kapelusz nie licząc blaszek dość cienki, wypukły, niekiedy z lekkim garbkiem pośrodku. U młodych osobników brzeg podwinięty, u starych bardziej postrzępiony niekiedy wywrócony.

Blaszki szerokie i rzadkie, o takim samym kolorze co kapelusz. Trzon pełny, włóknisty, często wygięty.  Miąższ kapelusza cielisty, po przekrojeniu nie sinieje.

Zapach świeżych grzybów słaby, podobny do rzodkiewki. Smak świeżych niewyczuwalny, gotowanych lub podsmażanych przyjemny, grzybowy z kwaskowatym posmakiem. Rośnie od września do października głównie w lasach mieszanych. (Grzymała podaje, że oznaczone owocniki zebrano z lasów iglastych, głownie pod sosną, tymczasem inne źródła podają że gatunek ten woli buki i brzozy; najwyraźniej z. rudy jest mylony z zasłonakiem rudawym który lubi kwaśną glebę)

Sam zasłonak rudy nie jest w Polsce gatunkiem częstym, znalazł się nawet na czerwonej liście gatunków zagrożonych. Grzymała podaje w swoich artykułach kilka odnalezionych stanowisk: Las Głębocki koło Ślesina, Las Kaźmierzowski koło Kaźmierzowa, Las Wilczyński, Las Orzelski koło Topólek w pobliżu Radziejowa i las w pobliżu FWP w Mrągowie na Mazurach. Szukając w internecie znalazłem też wzmianki o stanowiskach w lesie na obrzeżach Gdańska i w rejonie puszczy Białowieskiej.

Dlaczego jednak nikt wcześniej nie zauważył właściwości zasłonaka rudego? Głównie ze względu na niesamowicie długi czas opóźnienia objawów. Z wykonanych później wywiadów wynikało, że słabe, niespecyficzne objawy rozwolnienia czy niedyspozycji żołądkowych pojawiały się po kilkunastu godzinach od spożycia, lecz bagatelizowane same mijały. Zależnie od osobniczej wrażliwości i ilości zjedzonych grzybów dalsze, poważniejsze objawy, pojawiały się po dwóch, trzech i więcej dniach. U połowy chorych czas opóźnienia przekraczał tydzień a w jednym przypadku ciężkie objawy pojawiły się dopiero po 17 dniach od zjedzenia grzyba!

Już około 12-godzinne opóźnienie pojawiające się po zjedzeniu muchomora sromotnikowego jest uważane za czas długi, a co dopiero w przypadku, gdy sam zatruty może już nie pamiętać co zjadł dwa tygodnie temu. Pojedyncze pojawiające się wcześniej zatrucia były więc wpisywane jako "uszkodzenie nerek o nieznanej etiologii" ewentualnie winę zrzucano na przewlekłe choroby lub pokątny alkohol. Grzymała przejrzał zresztą dokumentację szpitali z okolicy szukając przypadków gdy charakterystyczne uszkodzenie nerek dało się powiązać ze zjedzeniem grzybów. Odnalazł kilkanaście zatruć następujących w okresie po Wigilii, to jest po zjedzeniu suszonych grzybów, sięgających wstecz aż do 1938 roku, zwykle zatruciu ulegały dwie-trzy osoby z tej samej rodziny, liczne były przypadki śmiertelne.

Aby móc lepiej przestrzec ludność, udawał się w region z zasuszonymi oraz zachowanymi w formalinie okazami, aby ustalić na ile gatunek ten jest znany i jakie ma regionalne nazwy. Mieszkańcy okolic Skulska i Ślesina dobrze znali tego grzyba. Nazywano go "rzędówką" lub "cukrówką" niekiedy "cyganką" i uważano za smaczny, jadalny, znany od dawna i używany wraz z innymi grzybami do jedzenia. Wypowiadali się tak także członkowie rodzin w których zdarzyły się zatrucia. Ze względu na to, że zwykle stanowił domieszkę wśród innych chętnie zbieranych grzybów, najwyraźniej często mogło być tak, że zjadano go bez szkody, bo było go w potrawie za mało. Jeśli zaś dawał objawy, to po tak długim czasie, że nikt go z zatruciem nie kojarzył. Aby zapobiec dalszym zatruciom wydano ulotkę z opisem zasłonaka rudego oraz opublikowano odpowiednie informacje w prasie. Jednak zmiana zwyczajów grzybiarzy okazała się trudna, jeszcze w 1957 podczas kolejnego masowego wysypu zasłonaków zachorowało 21 osób z czego 6 zmarło.

Późniejsze badania pozwoliły na wyizolowanie toksyny, nazwanej Orellaniną, która okazała się mieć ciekawą budowę. W zasadzie jest to prosta bipirydyna:

formą aktywną jest podwójny N-tlenek, możliwe są też formy zredukowane. Jest to związek łatwo ulegający reakcjom utlenienia i redukcji, utleniona forma N-tlenku w czasie metabolizmu komórkowego generowała wolne rodniki powodujące uszkodzenia organelli komórkowych. Powstająca wówczas forma zredukowana utleniała się w ustroju i ponownie generowała wolne rodniki.
Toksyna jest bardzo wolno eliminowana z organizmu, krążąc w krwiobiegu. Przepływając przez nerki powoduje ich uszkodzenia na etapie zagęszczania moczu, z którego jednak jest wchłaniana ponownie. Efekty toksyczne kumulowały się aż po kilku dniach doprowadzały do niewydolności i zatrzymania pracy tego narządu. Właśnie dlatego objawy zatrucia pojawiały się po tak długim czasie. Mechanizm wydaje się zresztą podobny do działania toksycznego herbicydu parakwatu, także będącego bipirydyną, tylko z pierścieniami połączonymi w pozycjach 4,4 (para-bipirydyna). Z powodu kumulowania się objawów, możliwe jest zatrucie w wyniku małych ale powtarzanych porcji grzybów, na przykład raz ktoś zjadł kilka zasłonaków poniżej dawki toksycznej, a po tygodniu w następnej porcji dania jeszcze jeden i to już wystarczało.
Orellanina jest bardzo słabo rozpuszczalna w wodzie oraz odporna termicznie, gotowanie, nawet kilkukrotne, oraz suszenie i marynowanie nie usuwają jej.

W czasie izolacji toksyny z grzybów udało się odnaleźć reakcję barwną z kwaśnym roztworem chlorku żelaza III. Części badanych grzybów były rozgniatane lub miksowane z dodatkiem wody. Po przesączeniu do odsączonego roztworu dodawano 3% roztwór chlorku żelaza III w 0,5 N kwasie solnym. W razie obecności orellaniny pojawiało się ciemne zielonkawo-niebieskie zabarwienie, podobne do rozcieńczonego atramentu. Reakcję dawały gatunki zasłonaków znane z tego że wywoływały zatrucia, a nie dawały zasłonaki co do których takich skutków nie odnotowano. Potencjalnie mogłaby to być reakcja pozwalająca odróżnić grzyby, choć nie wiem na ile daje się ją zastosować w warunkach domowych. W przypadku kurek które potencjalnie mogą zostać pomylone z zasłonakiem rudym, reakcja barwna z pojawieniem niebieskiego koloru miąższu pokropionego odczynnikiem, nie następuje.[1]
Inną zauważoną reakcją było pojawienie się czarnego zabarwienia kapelusza po naniesieniu nań kropli 10% wodorotlenku sodu. Orellanina ma właściwości redukujące, więc wodne lub alkoholowe wyciągi odbarwiają nadmanganian potasu.

Zasłonak rudawy

Po opisaniu w wielu artykułach własności toksycznych zasłonaków, podobne przypadki zaczęto zgłaszać także z innych krajów, pojawiły się też doniesienia o innych gatunkach trujących. W Finlandii, Szwecji, Francji i Szkocji odnotowano między innymi zatrucia zasłonakiem rudawym (Cortinarius rubellus/C. speciosissimus ), o charakterystycznej spiczastej górce pośrodku kapelusza. Raz opisano zatrucie zasłonakiem pięknym. Cały czas badane są kolejne gatunki i dotychczas w około 30 stwierdzono obecność toksyny, wśród nich rosnący też w Polsce zasłonak osłonięty [2], rzadki zasłonak niebieski i drobny, możliwy do pomylenia z twardzioszkiem zasłonak purpurowoblaszkowy  Trudno powiedzieć ile jeszcze gatunków okaże się trujących. Z tego powodu obecne atlasy grzybów zalecają raczej nie zbierać zasłonaków.

Zasłonaki mogą być mylone z innymi grzybami blaszkowymi, odnotowano już pomyłki z kurkami, możliwe są pomyłki z innymi gatunkami pieprzników, o ciemniejszym wierzchu kapelusza, zdarzały się też pomyłki z grzybami halucynogennymi. Możliwa jest też pomyłka z płachetką, grzybem chętnie zbieranym zwłaszcza do marynat. Nic zresztą dziwnego, bo płachetka, nazywana też turkiem, kołpakiem czy niemką, należy do zasłonakowatych, choć nie jest trująca. Wydaje się możliwe pomylenie z niektórymi gąskami czy gołąbkami o podobnym ubarwieniu, zwłaszcza ze starymi owocnikami które mogą być podobnie ukształtowane. Znalezione przez Grzymałę regionalne w rejonie Konińskim nazwy zasłonaka, w innych rejonach są używane na określenie innych jadalnych grzybów, w tym gołąbek cukrówka, niektóre źródła donoszą o możliwości pomyłki z gąską żółtą, która różni się przede wszystkim żółtymi blaszkami.
W zeszłym roku prasa donosiła o zatruciu nastolatki z Bygdoszczy, która miała pomylić zasłonaka z kurką - choć fakt, że ostatecznie doszło do uszkodzenia wątroby sugeruje, że między grzyby musiało się jej wmieszać jeszcze coś innego. W 2008 roku zasłonakiem zatruł się pisarz Nicholas Evans, znany jako autor "Zaklinacza koni". Po kilku lat dializowania ostatecznie dostał przeszczep nerki pobranej od siostry.

Jak na razie nie ma dobrej metody leczenia zatruć, pewne pozytywne efekty może dać hemoperfuzja pozwalająca na usunięcie toksyny z krwiobiegu co zapobiega dalszym uszkodzeniom, natomiast nie pomoże w przypadku już powstałych.

-------
Źródła:
*  Grzymała S (1958) Śmiertelne zatrucia rzekomo jadalnym gatunkiem grzybów. Rocz, Państw. Zakl. Hig. 9:115-119
* Grzymała S (1961) Śmiertelne zatrucia rzekomo jadalnym gatunkiem grzyba II. Niektóre cechy farmakologiczne zasłonaka rudego (Cortinarius orellanus Fr.). Rocz Państw Zakl Hig 12:363-371
* Grzymała S (1961) Śmiertelne zatrucia rzekomo jadalnym gatunkiem grzyba III. Wyodrębnienie trującej substancji - orellaniny. Rocz Państw Zakl Hig (Poland) 12:491-498
* Skirgiełło A, Nespiak A (1958) Cortinarius (Dermocybe) orellanus Fr., non Qurl. - przyczyna licznych zatruć grzybowych w Polsce w latach 1952-1955. Acta Soc Bot Polon (Poland) 27:215-220
*  Trond Schumacher, Klaus Hoiland, Muschroom Poisoning Caused by Species of the Genus Cortinarius Fries, Arch. Toxicol (1983) 53. 87-106
* Wysocki K, Ruszkowski M, Raszeja S (1958) Cięźkie toksyczne uszkodzenie nerek w przebiegu zatrucia zasłonakiem rudym (Cortinarius orellanus). Pol Tyg Lek (Poland) 13:1314-1317

[1]  http://www.mushroomexpert.com/kuo_06.html
[2]  https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26915341

Zrób sobie sam: plastik z mąki

Kolejne proste doświadczenie, możliwe do wykonania w domowej kuchni - otrzymywanie przezroczystej masy plastycznej z mąki.

Jednym z głównych problemów współczesnego rozpowszechnienia tworzyw sztucznych, są rosnące góry odpadków, które w przypadku odpornych chemicznie materiałów jeszcze długo pozostaną w środowisku w niezmienionej formie. Plastikowe śmieci, które nie trafią do koszy na śmieci i dalej na wysypiska, staną się częścią gleby lub trafią do jezior, rzek i mórz i pozostaną tam na długo. Jest to problem nie tylko estetyczny czy związany ze skończoną pojemnością składowisk - plastik szkodzi też ostatecznie zwierzętom. Już teraz obserwujemy ptaki, morskie ssaki i ryby, które giną z powodu niestrawialnych plastikowych części połkniętych z powodu podobieństwa do czegoś pożywnego, lub za sprawą zaplątania w nici i sieci.

Pod wpływem działania słońca, wody i organizmów plastik zamiast degradować rozpada się na mikroskopijne cząstki, które włączają się w łańcuch pokarmowy. Możliwe, że już teraz zjadamy je z jedzeniem, zupełnie o tym nie wiedząc.

Jednym ze sposobów na zmniejszenie tych efektów, oprócz recyklingu, akcji sprzątania czy uświadamiania społeczeństwa, jest rozpowszechnianie tworzyw ulegających rozkładowi. Zamiast torebki foliowej, niech będzie papierowa, opakowanie ciastek niech będzie zrobione z celofanu. Poszukuje się też nowych materiałów o właściwościach podobnych do dotychczasowych tworzyw sztucznych i możliwie najtańszych w produkcji.
Biodegradowalne są alifatyczne poliestry jak nylon-6 czy polikaprolakton, dostatecznie przy tym odporne na wodę i tłuszcze, coraz większy udział ma w ostatnich latach poli-kwas mlekowy, w zastosowaniach medycznych na przykład na absorbowalne nici chirurgiczne od dawna stosowany jest poliglikolid.
Jednak materiałem biodegradowalnym mającym największy udział w rynku a przy tym stosunkowo prostym w produkcji jest termoplastyczna skrobia.

Skrobia to naturalny polimer wytwarzany przez rośliny jako substancja zapasowa. Składa się z połączonych wiązaniami alfa-glikozydowymi cząsteczek glukozy, tworząc łańcuchy długie do kilku tysięcy członów. W naturze występuje w formie ziaren złożonych z liniowej amylozy, która rozpuszcza się w gorącej wodzie i rozgałęzionej amylopektyny która zaczyna się rozpuszczać już w zimnej. Rozgotowując zawiesinę skrobi w wodzie otrzymujemy kleisty koloid stosowany jako krochmal do tkanin, oraz jako tani klej do papieru i drewna. Rozgotowana skrobia z dodatkiem cukru i soków owocowych, to zaś kisiel.
Po wysuszeniu takiego kleiku otrzymujemy twardą masę, która w miarę upływu czasu staje się krucha. Cząsteczki skrobi łączą się w zagęszczone struktury podobne do kryształów, tworząc twarde ziarna. Ta tak zwana retrogradacja uniemożliwia wykorzystanie masy wysuszonego krochmalu jako materiału, oraz przy okazji odpowiada za proces czerstwienia pieczywa.

Można jednak zmienić skrobię w materiał o bardziej pożądanych właściwościach - trzeba ją po prostu stopić.  Skrobia ma bardzo wysoką temperaturę topnienia - około 200 stopni, praktycznie w punkcie termicznego rozkładu. Można jednak dodać do niej substancje, które znacznie obniżają temperaturę topnienia i pozwolą przetwarzać skrobię bez przemian chemicznych. Są to tak zwane plastyfikatory.
W tym przypadku są to substancje silnie oddziałujące z cząsteczkami skrobi i tworzące między nimi mostki za pomocą wiązań wodorowych. Dzięki temu każdy łańcuch połączonych glukoz zostaje otoczony małymi cząsteczkami plastyfikatora, zaś luźniejsza struktura materiału łatwiej daje się kształtować. Plastyfikatorami dla skrobi są polialkohole - sorbitol, ksylitol oraz gliceryna. Ta ostatnia ma tą zaletę, że jest płynna, pozwala więc otrzymać masę bardzo miękką i elastyczną nawet w niskich temperaturach. Oraz jest tania i łatwo dostępna.

Sztućce ze skrobi

Powstała w ten sposób masa może być dostatecznie twarda i odporna na rozrywanie aby można było zrobić z niej opakowania, torby czy jednorazowe sztućce. Po spienieniu tworzy materiał podobny do styropianu, nadający się do opakowań a w formie granulatu jako wypełniacz pudeł z przesyłkami w zastępstwie drobnych styropianowych kulek. Termoplastyczna skrobia jest też niestety rozpuszczalna w wodzie. Dla zachowania właściwości w wilgotnych warunkach, na przykład w kontakcie z jedzeniem, dodaje się do niej substancje zmniejszające nasiąkliwość, na przykład kwas stearynowy powodujący, że masa staje się woskowata i nie wchłania wody, można też pokryć powierzchnię naturalnym woskiem. Skrobię można także mieszać z innymi biodegradowalnymi tworzywami o większej odporności, na przykład polilaktydem. Przy dobrym doborze składników można z takiej masy wyprodukować na przykład kubki czy butelki na wodę, ulegające całkowitemu rozkładowi w ciągu kilku miesięcy po zakopaniu w ziemi.

Biodegradacja butelki z polilaktydu

Domowym sposobem raczej trudno będzie zrobić ekologiczny kubek czy butelkę, ale stworzenie choćby próbki materiału podobnego do plastiku samo w sobie jest ciekawe.

Wykonanie
Do stworzenia bioplastiku potrzebujemy mąki zawierającej dużo skrobi, ja użyłem po prostu czystej skrobi ziemniaczanej. Plastyfikatorem będzie gliceryna, możliwa do kupienia w aptece w buteleczkach po 30 i 50 g. Użyłem też jako dodatku kwasku cytrynowego, który polepsza właściwości tworzywa. [1]
Masę będziemy mocno podgrzewali, najlepiej użyć małego garnka lub rondelka. Po otrzymaniu, płynną skrobię trzeba będzie na czymś rozprowadzić, najlepsza będzie metalowa tacka, może foremka, ja używałem metalowej miski. Nie próbowałem z fajansowymi i szklanymi talerzami, bo nie byłem pewien czy nie pękną.

Po paru próbach stwierdziłem, że najlepsza proporcja przy której tworzywo dobrze wyglądało, to 3 płaskie łyżki stołowe skrobi i 1 łyżka stołowa płynnej gliceryny (80%). Do skrobi i gliceryny dodajemy kilka łyżek wody, musi nam powstać bardzo leista mieszanka, bardziej wodnista niż kleik. Podczas dalszego procesu woda zostanie odparowana, ale na razie potrzebna jest aby masa była gładka i bez grudek.

Do mieszanki dodałem jeszcze szczyptę kwasku cytrynowego. Następnie przelałem ją do garnka i szybko mieszając podgrzewałem na średnim ogniu (a raczej średnim grzaniu maszynki). W pewnym momencie mieszanina staje się kleista, aby wszytko dobrze się wymieszało trzeba szybko mieszać od dna i rozcierać formujące się grudy.

W końcu cała mieszanina formuje gęsty, bardzo lepki glut o szklistym wyglądzie. Zanik białego koloru to oznaka rozpuszczenia całej skrobi.

Ale to jeszcze nie koniec - powstały gęsty ulepek należy jeszcze podgrzać. Ja rozcierałem go po dnie łyżką, aby w miarę równomiernie się ogrzał. W miarę upływu czasu stawał się coraz bardziej płynny, pienił się od pary wodnej:

Aż w końcu przybrał konsystencję syropu:

W zasadzie w tym momencie można uznać, że mamy do czynienia ze stopioną masą skrobi w glicerynie, dalsze podgrzewanie powoduje jedynie odparowanie wody i warunkuje to na ile łatwo będzie końcową masę uformować, oraz jak szybko stwardnieje. Za pierwszym razem grzałem masę niemal do karmelizacji, była bardzo gęsta i zastygała zaraz po wylaniu na dno miski. Otrzymałem z niej gruby kawałek lekko spienionej masy, dosyć przezroczystej i elastycznej:

Za drugim razem grzałem płynną masę krócej, chcąc otrzymać cieńszą warstwę. Wylałem ją na dno odwróconej miski, tak aby się rozpłynęła i aby powstał arkusz podobny do folii:

Tym razem stwardnienie i wysychanie trwało dłużej. Po jakiejś godzinie stwierdziłem, że z wierzchu jest już sucha i twarda, ale pod spodem nadal bardzo kleista. Obawiając się, że w ostatecznej wersji przyschnie mi do miski nie do oderwania, ostrożnie podważyłem i zerwałem z naczynia cały płat, aby podsuszyć go z obu stron. Ostatecznie powstał mi płat grubszej folii podobnej trochę do folii do pakowania:

Skrobiowy bioplastik jest półprzezroczysty, miękki w dotyku i elastyczny. Twardość i elastyczność zależy ostatecznie od stosunku skrobi do gliceryny, metodą prób i błędów można sobie ustalić idealną proporcję. Okazał się też bardziej niż się spodziewałem odporny na rozerwanie. W temperaturze około 110-120 stopni ponownie się topi, można więc kształtować go na gorąco.

Ostrożność
Ze względu na to, że masa jest mocno podgrzewana w garnku, zaś pieniąc się może pryskać, raczej nie jest to doświadczenie do robienia dla dzieci. Możliwe jest przypalenie garnka przy niedostatecznym mieszaniu, mi się to nie zdarzyło ale innym może się przydarzyć. Z domyciem garnka nie było problemu.

-------
[1] The Effects of Citric Acid on the Properties of Thermoplastic Starch Plasticized by Glycerol; Starch Volume 57, Issue 10 No. 10 October 2005 Pages 494–504

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