Eksperyment wydaje się prosty, a przy tym bardzo efektowny – do odpowiedniego roztworu należy wrzucić małe kryształki, by po chwili podziwiać wyrastające z nich niesamowite gałązki, łodygi, drzewa i kwiaty. Pierwszy tego typu ogród został zaobserwowany oraz udokumentowany w 1646 roku przez Johanna Rudolfa Glaubera i powstał przy użyciu kryształów chlorku żelaza wrzuconych do roztworu krzemianu potasu. Co może wynikać z takich doświadczeń? Czy należy je traktować jako zwykłą zabawę i podziwiać ich piękno, czy można się z nich czegoś nauczyć?
To niezwykłe doświadczenie zostało także opisane w literaturze przez Tomasza Manna: „Nigdy nie zapomnę tego widoku. Naczynie krystalizacyjne, w którym się owe twory znajdowały, było w trzech czwartych napełnione z lekka kleistym płynem, mianowicie rozcieńczonym szkłem wodnym, a z piaszczystego dna wyrastał groteskowy pejzażyk rozmaicie zabarwionych porostów, pomieszana wegetacja niebieskich, zielonych i brązowych latorośli, przypominających algi, grzyby, narosłe polipy, a także mchy, również muszle, kolbki nasienne, drzewka lub konary drzewek[…]. Gdy bowiem ojciec Leverkühn pytał nas, co o tym sądzimy, a my odpowiadaliśmy nieśmiało, że to chyba rośliny. – Nie – odpowiadał – to nie są rośliny, one je tylko udają. Ale nie szanujcie ich mniej z tego powodu! Właśnie to, że tak czynią i z całych sił starają się o to, godne jest wszelakiego szacunku”. Na czym polega to fascynujące zjawisko?
Trochę teorii
W powstawaniu tych struktur ważną funkcję pełni osmoza, czyli zjawisko przenikania rozpuszczalnika przez półprzepuszczalną błonę, która rozdziela dwa roztwory o różnym stężeniu. Taka błona półprzepuszczalna cechuje się różną przepuszczalnością dla cząsteczek rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonej. Osmoza spontanicznie zachodzi od roztworu o niższym stężeniu substancji rozpuszczonej do roztworu o wyższym stężeniu i prowadzi do wyrównania stężeń obu roztworów. Innymi przykładami błon półprzepuszczalnych są błony biologiczne, które pełnią bardzo ważną rolę w budowie struktur organicznych. Bariery półprzepuszczalne powstają także w specyficznych warunkach podczas reakcji krzemianu sodu z niektórymi solami metali. Właśnie te reakcje pozwalają na wytworzenie chemicznego ogrodu. Mechanizm takiej reakcji jest następujący: najpierw kryształy soli wrzucone do szkła wodnego (czyli krzemianu) ulegają stopniowemu rozpuszczeniu i dysocjacji elektrolitycznej (czyli rozpadu związku chemicznego na atomy, jony i prostsze cząsteczki), w wyniku czego w roztworze pojawią się kationy metalu przejściowego oraz aniony krzemianowe, które reagują ze sobą w złożonej reakcji wymiany. Następnie wokół rozpuszczających się kryształków soli powstaje otoczka półprzepuszczalnej błony nierozpuszczalnego krzemianu metalu przejściowego. Wewnątrz otoczki mamy do czynienia z wyższym stężeniem kationów metalu niż na zewnątrz, dlatego na skutek osmozy do wnętrza przenika woda. Przez to w rezultacie otoczka najpierw rozciąga się, a następnie pęka. W miejscu pęknięć kationy metalu mogą swobodnie przenikać do roztworu szkła wodnego i ponownie z nim reagować, w wyniku czego powstają kolejne otoczki krzemianowe, „pączkujące” z pierwotnej otoczki. Wrzucone kryształy opadają na dno zanim zaczną się rozpuszczać, dlatego błona krzemianowa „rośnie” od dołu. Ponadto zwykle „rosną” do góry, ponieważ ciśnienie hydrostatyczne wewnątrz każdej cieczy maleje w kierunku ku górze, bąble zatem łatwiej rozrywają się w wyższych partiach roztworu niż w dolnych.
Jak je stworzyć?
Aby stworzyć swój własny chemiczny ogród potrzebujemy przede wszystkim szkła wodnego (czyli roztworu krzemianu sodu Na2SiO3), oraz soli metali przejściowych, np. chlorku miedzi (CuCl2), chlorku kobaltu (CoCl2), chlorku chromu (CrCl3), czy chlorku żelaza (FeCl3). Krzemian sodu to inaczej szkło wodne, można je dostać jako środek konserwujący do kamienia i betonu, natomiast sole metali przejściowych można kupić w sklepach z odczynnikami.
Można zastosować tylko jedną, ale wykorzystanie soli różnych metali umożliwia uzyskanie ciekawszych efektów. Stężenie krzemianu sodu należy dobrać eksperymentalnie. Doświadczenie polega na tym, że do zlewki zawierającej roztwór szkła wodnego wrzucamy kryształki soli metali lub odwrotnie, najpierw umieszczamy na dnie kryształki soli, a następnie zalewamy je szkłem wodnym. W zależności od użytego metalu kryształki zaczną kiełkować i rosnąć od razu lub po upływie krótkiego czasu. Pojawią się małe bąble, które będą rosnąć i rozgałęziać się, a z czasem tworzyć różne struktury przypominające rośliny. Jak widać, samo wykonanie eksperymentu nie jest takie trudne i można je zrobić we własnym zakresie.
Badania
Krzemowe ogrody, wzrastając, przypominają żywe układy. Formują chemiczne komórki, tworzą drzewa, grzyby i inne podobne struktury. Cechą charakterystyczną tych układów jest samoorganizacja i to właśnie stało się celem badań naukowców. Prowadzone doświadczenia mogą dostarczyć wskazówek odnośnie spontanicznego powstawania hierarchicznych struktur, a nawet początków życia, ponieważ kiedyś pierwsze żywe komórki również powstały w sposób spontaniczny z otaczającej je materii. Naukowcy starają się poznać takie układy i nauczyć się nimi sterować. Może na tej drodze w przyszłości będzie można tworzyć nowe konstrukcje i materiały?
Artykuł autorstwa Joanny Marii Więckowskiej ukazał się w Miesięczniku Studentów Politechniki Wrocławskiej ŻAK.