Gdy coś ściskamy, zwykle oczekujemy, że będzie się kurczyć, zwłaszcza
wtedy, gdy wywierane ciśnienie działa jednorodnie ze wszystkich stron.
Znane są jednak materiały, które pod wpływem ciśnienia hydrostatycznego
wydłużają się nieznacznie w jednym lub dwóch kierunkach. W trakcie
poszukiwań optymalnych związków do magazynowania wodoru w Instytucie
Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) w Warszawie dokonano
przypadkowego, lecz bardzo ciekawego odkrycia: podczas zwiększania
ciśnienia jeden z badanych materiałów nagle znacząco się wydłużył.
„Zwykle wzrost rozmiarów, obserwowany w materiałach o ujemnej
ściśliwości poddawanych dużemu ciśnieniu hydrostatycznemu, jest
niewielki. Mówimy tu o wartościach rzędu pojedynczego procenta lub nawet
mniejszych. My znaleźliśmy materiał o bardzo dużej ujemnej ściśliwości,
w jednym z kierunków dochodzącej do 10%. Co ciekawe, do wydłużenia
dochodziło skokowo, przy ciśnieniu ok. 30 tys. atmosfer”, mówi dr Taras
Palasyuk (IChF PAN).
Dr Palasyuk zajmuje się w Instytucie Chemii Fizycznej PAN badaniami
materiałów poddawanych ciśnieniom hydrostatycznym o wartościach od
jednej do kilku milionów atmosfer (przedrostek hydro- oznacza, że
ciśnienie działa na materiał ze wszystkich stron). Tak duże ciśnienia
wytwarza się w laboratoriach między kowadełkami diamentowymi, między
którymi umieszcza się próbkę o rozmiarach rzędu mikrometrów. Próbka
znajduje się w uszczelce gwarantującej, że wytworzone ciśnienie będzie
oddziaływało na badany materiał jednorodnie z każdego kierunku. Aby
doprowadzić do wzrostu ciśnienia, kowadełka ściska się za pomocą
odpowiedniej śruby. W charakterze miernika ciśnienia jest używany
kryształek rubinu, umieszczony obok próbki. Zmienia on swój sposób
świecenia w zależności od wartości działającego nań ciśnienia.
Objętość próbek materiałowych wystawionych na działanie rosnącego
ciśnienia maleje, co wiąże się z redukcją zazwyczaj wszystkich rozmiarów
przestrzennych. Znane są jednak nietypowe materiały krystaliczne,
których objętość podczas ściskania co prawda się zmniejsza – bo zgodnie z
termodynamiką musi – ale jednocześnie w jednym lub dwóch kierunkach
kryształ się wydłuża. Mechanizm odpowiedzialny za takie wydłużanie miał
zawsze podłoże geometryczne: pod wpływem ciśnienia poszczególne elementy
struktury krystalicznej po prostu przesuwały względem siebie w różnym
stopniu w różnych kierunkach.
„W naszym laboratorium za pomocą światła laserowego analizujemy, jak
zmieniają się sposoby drgań cząsteczek w krysztale wraz ze wzrostem
ciśnienia i na tej podstawie wyciągamy wnioski o strukturze materiału.
Szybko odkryliśmy, że w badanym przez nas krysztale – był nim amidoboran
sodu – wydłużenia nie da się wytłumaczyć samą zmianą geometrii”, mówi
doktorantka Ewelina Magos-Palasyuk, główna autorka publikacji w
czasopiśmie „Scientific Reports”.
Amidoboran sodu to stosunkowo łatwo dostępny związek o wzorze chemicznym
Na(NH2BH3), tworzący przezroczyste kryształy o budowie ortorombowej.
Wyniki badań kryształów tego związku, otrzymane w IChF PAN dzięki
spektroskopii ramanowskiej, skonfrontowano z przewidywaniami modelu
teoretycznego. Okazało się, że ujemna ściśliwość kryształów amidobranu
sodu musi być konsekwencją wydłużania się wiązań chemicznych między
azotem a wodorem oraz borem i azotem, spowodowanego gwałtownym
formowaniem się nowych wiązań wodorowych między sąsiednimi cząsteczkami w
krysztale.
„Amidoboran sodu jest więc pierwszym znanym nam materiałem, w którym
ujemna ściśliwość ma charakter przede wszystkim chemiczny”, mówi dr
Taras Palasyuk i podkreśla, że w przeciwieństwie do innych materiałów,
które pod wpływem dużego ciśnienia zazwyczaj zmieniały symetrie
struktury krystalicznej, w amidoboranie sodu nie dochodzi do żadnych
drastycznych zmian. „Nasze wstępne wyniki, otrzymane za pomocą dyfrakcji
rentgenowskiej w ośrodku badań synchrotronowych National Synchrotron
Radiation Research Center na Tajwanie, także potwierdzają, że materiał
zachowuje swoją pierwotną symetrię. To właśnie dlatego, że nie musi się
przebudowywać, do zwiększenia rozmiarów liniowych kryształu dochodzi tu w
tak gwałtowny sposób”.
Odkrycie dotychczas nieznanego mechanizmu odpowiedzialnego za ujemną
ściśliwość otwiera ciekawe kierunki poszukiwań nowych materiałów o
podobnie egzotycznych właściwościach fizycznych. O pierwszych
zastosowaniach można jednak myśleć już teraz. Znaczny, skokowy i
odwracalny wzrost długości kryształów amidoboranu sodu przy ściśle
określonej wartości ciśnienia czyni ten materiał interesującym
kandydatem np. na elementy detektorów wykrywających ustaloną wartość
graniczną ciśnienia, wynoszącą ok. 30 tys. atmosfer (w przemyśle stosuje
się ciśnienia dochodzące nawet do 300 tys. atmosfer). Innym
potencjalnym zastosowaniem amidoboranu sodu mogłyby być aktywne
kamizelki kuloodporne, pod wpływem gwałtownego wzrostu ciśnienia
wywołanego uderzeniem pocisku zachowujące się nieco podobnie jak
poduszki powietrzne w samochodzie.
Amidoboran sodu użyty do prac w IChF PAN był wytwarzany na Wydziale
Chemii Uniwersytetu Warszawskiego. Badania sfinansowano z grantów
HARMONIA i PRELUDIUM Narodowego Centrum Nauki.
Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (
http://www.ichf.edu.pl/)
został powołany w 1955 roku jako jeden z pierwszych instytutów
chemicznych PAN. Profil naukowy Instytutu jest silnie powiązany z
najnowszymi światowymi kierunkami rozwoju chemii fizycznej i fizyki
chemicznej. Badania naukowe są prowadzone w dziewięciu zakładach
naukowych. Działający w ramach Instytutu Zakład Doświadczalny CHEMIPAN
wdraża, produkuje i komercjalizuje specjalistyczne związki chemiczne do
zastosowań m.in. w rolnictwie i farmacji. Instytut publikuje około 200
oryginalnych prac badawczych rocznie.
poleca:
