To the infinity and beyond!

stmv

Kryształ wirusa satelitarnego mozaiki tytoniowej

Zastanówmy się czym jest kryształ? W ten sposób nazywamy strukturę, która zawiera pewien motyw powtarzający się w bardzo regularny sposób w przestrzeni. Takim motywem może być zarówno ugrupowanie jonów (np. NaCl – sól kuchenna), atomów (np. czyste żelazo), czy też skomplikowanych cząsteczek białka.

dyf_e

Przykład dyfraktogramu dla półprzewodnika TMA2Sn3S7

Do badania kryształów wykorzystuje się dyfrakcję (głównie) promieniowania rentgenowskiego. Z początku takie badania były niezwykle praco i czasochłonne i potrafiły zajmować miesiące, a nawet lata. Wraz z postępem technologicznym opracowano nowe, bardziej intensywne źródła promieni X, lepsze detektory, czy wreszcie software pozwalający na analizę dyfraktogramów. W trakcie tych dokonań sukcesywnie starano się zapomnieć o jeszcze jednym, niezmiernie ważnym czynniku, decydującym o jakości otrzymanych danych: o samym krysztale. O sposobie jego tworzenia, żeby być ścisłym. Ta dziedzina traktowana była raczej, jako forma sztuki, niźli nauki i pozostawiona samej sobie. Zastanówmy się nad tym problemem…

tqm7o

Wizualizacja wzrostu kryształu [kliknij po animację]

Kryształy otrzymujemy z roztworów, powoli odparowując rozpuszczalnik. Pierwszym etapem jest tzw. nukleacja, czyli powstawanie niewielkich, dwuwymiarowych agregatów (płatków) zawierającyc h po kilka cząsteczek. Owe płatki następnie zaczynają się na siebie nakładać, tworząc co raz większe ugrupowania, i tak dalej, aż powstanie kryształ. Dobudowywanie kolejnych porcji jest możliwe, dzięki mechanizmom transportu, działającym w roztworze. W wypadku powstawania kryształów najbardziej znaczące są: dyfuzja (związana z chaotycznymi ruchami cząstek) i konwekcja (wywodząca się ze zmian gęstości i temperatury). Główną cechą różniącą te dwa mechanizmy jest wyróżniony kierunek przepływu materii w przypadku konwekcji, lub jego brak w przypadku dyfuzji. Okazuje się, że ograniczenie ruchów konwekcyjnych skutkuje polepszeniem właściwości kryształów (mniej defektów, lepsze właściwości optyczne i mechaniczne oraz znacznie większe rozmiary).

Pytanie tylko, w jaki sposób zminimalizować konwekcję? Przepływ gęstości jest wymuszany przez prawo Archimedesa (substancje o mniejszej gęstości unoszą się, a o większej opadają w medium), które z kolei wynika z działania grawitacji. Ot sprawa stała się „prosta” – wystarczy pozbyć się grawitacji, wtedy konwekcja nie będzie nam już przeszkadzać. Ale gdyby zastanowić się nieco głębiej, to dojdziemy do wniosku, że nie ma zbyt wielu miejsc na Ziemi, w których nie działa grawitacja… A tak po prawdzie to nie ma, ani jednego takiego miejsca! Cóż więc zrobić! Ktoś kiedyś wpadł na taki pomysł: a gdybyśmy przeprowadzi krystalizację na pokładzie stacji kosmicznej? Siła odśrodkowa, utrzymująca stację na orbicie, równoważy przyciąganie ziemskie, a co za tym idzie niweluje występowanie konwekcji.

cryst

Zdjęcia SEM kryształów TBA2Sn4S9 hodowanych w kosmosie (z lewej) i na Ziemi (z prawej)

dyf_m

Przykład dyfraktogramu dla półprzewodnika TMA2Sn3S7, dla kryształu hodowanego w mikrograwitacji

Brzmi to trochę jak S-F, co ciekawe działające już od kilkudziesięciu lat! A nazywa się krystalizacją w warunkach mikrograwitacji. Już na stacji kosmicznej Mir hodowano kryształy różnych substancji, w tym: lizozym, katalaza wołowa, czy wreszcie wirus mozaiki tytoniowej (STMV). Kryształy te okazują się być świetnej jakości i rozmiarów nieosiągalnych na Ziemi (kryształy STMV osiągają objętość nawet 30 razy większą). Problemem jest oczywiście koszt, ogrom papierkowej roboty, mała częstotliwość lotów oraz opóźnienia startu i lądowania, mogące powodować degradację próbek…

Ale zobaczycie. Za parę lat, przed naszym stoiskiem na Pikniku Naukowym zbierze się nieco większy tłumek. Wszyscy będą spoglądać na małą rakietę, która zabierze nasze capy w przestrzeń kosmiczną ^^.


Bibliografia:

  1. http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/crystals
  2. Homayoun Ahari at al.: Nature 388,  857-860, 28.08.1997.
  3. Alexander McPherson, Lawrence James DeLucas:  npj Microgravity 1, 2015.

Bookmark the permalink.

Dodaj komentarz