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.