Fizycy uczynili świat chemików zajmujących się nanomateriałami prawdziwym rajem. Dzięki postępom w fizyce chemicy mogą nie tylko na bieżąco weryfikować poprawność wybranych metod syntezy, ale również kontrolować strukturę cząsteczkową otrzymanych materiałów.

Fizyka pomaga chemii

Adam Proń, Bolesław Karwowski

Rys. 1 Cząsteczka przedstawiona w żółtym kole (a), nazywana skrótowo TSB35, na specjalnym podłożu, tzw. graficie HOPG, tworzy uporządkowane struktury dwuwymiarowe (b). Zdjęcia ze skaningowego mikroskopu tunelowego (STM) pozwalają na obserwacje takich struktur. Pojedyncze cząsteczki o wielkości 1,8 nanometra łączą się w pary (c). Przedstawione tutaj zdjęcia są wynikiem pracy badawczej zespołów prof. A.J. Attiasa i doktora F. Charry z Paryża i Saclay. Podobne zdjęcia opublikowali oni w czasopiśmie „Nano Letters” v.6, str. 1360 (2006).

Chemia jest nauką, która zajmuje się otrzymywaniem związków chemicznych i badaniem ich reaktywności, czyli zdolności do wchodzenia w reakcje chemiczne z innymi związkami. Najmniejszą możliwą do wyodrębnienia jednostką substancji chemicznej jest cząsteczka, czyli zbiór atomów połączonych różnego rodzaju wiązaniami, nazywanymi często „wiązaniami chemicznymi”. Najmniejsza cząsteczka składa się z dwóch atomów, istnieją jednak cząsteczki zawierające kilkaset tysięcy, a nawet kilka milionów atomów, te ostatnie nazywamy makrocząsteczkami.

Reaktywność i inne podstawowe właściwości danego związku chemicznego zależą nie tylko od rodzaju atomów tworzących cząsteczkę i rodzaju wiązań między nimi, ale również od jej kształtu i wielkości. Zależą również od wzajemnego ułożenia cząsteczek, które mogą łączyć się w różnego rodzaju agregacje o mniejszym lub większym stopniu uporządkowania, tworząc tzw. strukturę nadcząsteczkową. Niezbędne we współczesnej chemii, precyzyjne określenie wspomnianych wielkości i zależności wymaga stosowania różnorodnych, fizycznych metod badawczych. W tym miejscu należy oddać hołd osiemnasto− i dziewiętnastowiecznym twórcom współczesnej chemii, którzy opierając się na bardzo prostych pomiarach fizycznych sformułowali fundamentalne prawa tej nauki. Co więcej, wiele ówczesnych koncepcji, dotyczących budowy cząsteczek chemicznych i zależności pomiędzy tą budową a właściwościami substancji chemicznych, było zadziwiająco trafnych. Lektura artykułów naukowych sprzed stulecia jest bardzo pouczająca. Ówcześni naukowcy, nie posiadając współcześnie dostępnych narzędzi badawczych, potrafili określić budowę otrzymanego nowego związku chemicznego poprzez odpowiednio zaprojektowany ciąg reakcji chemicznych, z których każda potwierdzała lub wykluczała hipotetyczną strukturę cząsteczkową.

Spektrometria mas i synchrotron

Jak już wspomnieliśmy, dziewiętnastowieczni chemicy mieli bardzo ograniczone możliwości pomiarów fizycznych, a wyznaczone w wyniku tych pomiarów wielkości tylko pośrednio wiązały się z budową cząsteczki chemicznej. Mieli do dyspozycji wagę, mikroskop optyczny („mędrca szkiełko i oko”), mogli wyznaczyć temperaturę topnienia i wrzenia, lepkość, ewentualnie współczynnik załamania światła nowej substancji. Mogli również metodami chemicznymi (analiza spaleniowa lub/i wagowa) wyznaczyć skład chemiczny tej substancji. Ten sam nominalny skład chemiczny może jednak odpowiadać kilku lub kilkunastu strukturalnie różnym cząsteczkom chemicznym (np. skład chemiczny C9H16O4 odpowiada kilkunastu zupełnie różnym związkom chemicznym). Chemicy chcieliby więc nie tylko zważyć i zmierzyć pojedynczą cząsteczkę, ale również określić kolejność i sposób przyłączenia atomów. Nie jest to proste, biorąc pod uwagę wymiary typowej cząsteczki chemicznej. Cząsteczka etenu, substancji stosowanej w przemyśle do wytwarzania polietylenu – popularnego tworzywa sztucznego, waży ok. 5 x 10−23 g, a jej długość wynosi ok. 0,2 nm, czyli 2 x 10−10 m.

Tu przychodzi z pomocą fizyka, a dokładniej spektrometria mas. Ta fizyczna metoda pomiarowa stała się niezbędna we współczesnej chemii, pozwala bowiem na określenie masy pojedynczej cząsteczki chemicznej pod warunkiem, że uda się ją zdesorbować, czyli przenieść z elektrody do fazy gazowej. Ten proces jest z oczywistych względów łatwiejszy dla małych cząsteczek substancji lotnych, trudniejszy dla makrocząsteczek, ale i ten problem został w ostatnich latach rozwiązany poprzez nową mutację spektrometrii mas, nazywaną MALDI−ToF.

Rys. 2 Nanokryształy selenku kadmu (CdSe) o różnej postaci morfologicznej

Współcześnie, dzięki rozwojowi mikroskopii, pojedyncze cząsteczki możemy również oglądać bezpośrednio. Na rysunku 1 widać wyraźnie, że w mikroskopie tunelowym kształt pojedynczej cząsteczki substancji zwanej skrótowo TSB35 jest dokładnie taki sam, jaki przewidują reguły chemii opracowane na długo przed okryciem mikroskopii tunelowej.

Rozwój metod dyfrakcyjnych w badaniach nowych materiałów również zawdzięczamy fizyce XX w. Metody rentgenografii, elektronografii i neutronografii pozwalają na precyzyjne zbadanie struktury nadcząsteczkowej nowych substancji chemicznych i nowych materiałów. Na tym obszarze nauki, szczególnego znaczenia dla chemików nabierają metody synchrotronowe. Synchrotron jest wynalazkiem fizyków, który budzi powszechny entuzjazm chemików. Jest on bardzo wydajnym źródłem kwantów promieniowania wysokoenergetycznego, stosowanego do badań struktury. W badaniach synchrotronowych można rejestrować dynamiczne zmiany struktury w małych obiektach, których rejestracja innymi metodami jest niemożliwa. Przykładem takich badań jest obserwacja struktury ciekłokrystalicznej in situ w tworzącej się nici pajęczej. Eksperyment taki wykonano w synchrotronie. Okazuje się, że pająki wytrzymują duże dawki promieniowania bez specjalnej szkody dla ich pajęczego zdrowia. Miał więc rację towarzysz Wiesław – Władysław Gomułka, gdy podczas kryzysu kubańskiego w jednym z przemówień stwierdził, że promieniowanie po wybuchu bomby atomowej przeżyją jedynie pająki.

Badania synchrotronowe przyciągają nie tylko fizyków i chemików, ale ostatnio coraz częściej biologów i lekarzy. Starszy z nas spotkał w budynku synchrotronu w Grenoble swojego dentystę, który niedawno został profesorem stomatologii w jednym z francuskich uniwersytetów i przyjechał badać strukturę sztucznych wypełnień kostnych.

Kariera nanomateriałów

Przejdźmy teraz do szczegółowego omówienia wpływu fizyki na rozwój jednej z najnowszych dziedzin chemii, a mianowicie chemii nanomateriałów. Chemia nanomateriałów, nazywana czasami nanochemią, jest działem nauki zajmującym się wytwarzaniem obiektów nanometrycznych o ściśle zdefiniowanej strukturze, które można wyizolować i rozmieścić w przestrzeni w sposób kontrolowany. Dobrymi przykładami takich obiektów są nanokryształy metali czy półprzewodników typu A (III) B (V) lub A (II) B (VI), które chemicy umieją wytwarzać w formie trwałej, umieszczając na ich powierzchni odpowiednie cząsteczki związków organicznych, które zapobiegają łączeniu się nanokryształów w większe aglomeraty. Nowe metody preparatywne pozwalają na otrzymywanie nanokryształów o różnych kształtach (np. nanosfer czy nanoprętów) i o jednakowej wielkości. Dzięki transmisyjnej mikroskopii elektronowej, która jest jeszcze jednym osiągnięciem fizyki XX w., można obserwować bezpośrednio takie nanokryształy. Nanokryształy sferyczne, pokazane na rysunku 2, są (w przybliżeniu) tyle razy mniejsze od piłeczki tenisowej, ile razy piłeczka tenisowa jest mniejsza od kuli ziemskiej.

Rys. 3 Struktura podwójnej nici DNA

Innym przykładem nanomateriałów interesujących technologicznie są nanowłókna. Włókno węglowe służące do wzmacniania rakiet tenisowych, ma średnicę ok. 50 mikrometrów. 1 cm3 najgęściej upakowanego takiego włókna ma długość ok. 400 m. Długość nanowłókna polimerowego o średnicy 50 nm, upakowanego w takiej samej objętości, wynosić będzie 400 tys. km, czyli nicią taką można by prawie dziesięciokrotnie owinąć równik. Redukując dalej średnicę włókna dochodzimy do zaskakujących obserwacji. Długość podwójnej nici DNA (rys. 3), gęsto upakowanej w objętości 1 cm3, wynosi 250 mln km, czyli przewyższa odległość od Ziemi do Słońca (150 mln km). Ten pouczający przykład daje nam wyobrażenie o możliwości miniaturyzacji elementów elektronicznych, gdy współczesna elektronika zastąpiona zostanie elektroniką molekularną. W elektronice molekularnej funkcje podstawowych elementów elektronicznych, takich jak np. złącza pn czy pnp, pełnić będzie pojedyncza cząsteczka lub fragment makrocząsteczki. Pozwoli to na niewyobrażalną dzisiaj miniaturyzację urządzeń elektronicznych.

Otrzymanie złącza molekularnego w pojedynczej cząsteczce lub we fragmencie cząsteczki polimeru stanowi dopiero pierwszy etap, w następnym trzeba te molekularne złącza ułożyć w określone, uporządkowane struktury. Zastosować tu trzeba procedury znane z chemii supramolekularnej, czyli wyposażyć każdą makrocząsteczkę w grupy funkcyjne zdolne do selektywnego rozpoznawania odpowiednich grup funkcyjnych innych makrocząsteczek, co z kolei powinno prowadzić do ich uporządkowanego ułożenia, czyli do tzw. efektu samoorganizacji.

Podsumowując ten krótki wykład, poświęcony omówieniu wpływu fizyki na rozwój chemii, można stwierdzić, że fizycy uczynili świat chemików zajmujących się nanomateriałami prawdziwym rajem. Dzięki postępom w fizyce chemicy mogą nie tylko na bieżąco weryfikować poprawność wybranych metod syntezy, ale również kontrolować strukturę cząsteczkową otrzymanych materiałów. Rozwój fizycznych metod badań związków chemicznych, przy współczesnym stopniu informatyzacji i łatwym dostępie do różnorodnych baz danych, powoduje, że chemicy w coraz większym stopniu mogą się oddać słodkiemu lenistwu, bez znaczącego ograniczenia ich produktywności naukowej. Jest to szczególnie atrakcyjne w Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara, gdzie klimat jest prawie rajski, poziom fizyki, mierzony liczbą laureatów Nagrody Nobla – bardzo wysoki, a plaża znajduje się tylko 50 metrów od Wydziału Chemii.

Najnowszy numere-wydanie