Dziwne kryształy tańczą w świetle. Potrafią też eksplodować

Czym właściwie jest światło?

Światło od zawsze towarzyszyło człowiekowi, choć jego natura przez wieki pozostawała zagadką. Już w starożytności filozofowie zastanawiali się, czym właściwie jest – cząstką, falą, a może czymś zupełnie innym. W XVII wieku Isaac Newton zaproponował teorię korpuskularną, natomiast w XIX stuleciu James Clerk Maxwell udowodnił, że światło to fala elektromagnetyczna. Dziś, dzięki rozwojowi fizyki kwantowej, wiemy, że ma ono podwójną naturę – potrafi być jednocześnie falą i cząstką. To właśnie ta dwoistość umożliwia zjawiska, które jeszcze niedawno wydawały się niemożliwe, jak choćby kryształy reagujące na światło.

Dlaczego to takie istotne? Bo światło nie tylko pozwala nam widzieć. Jest nośnikiem energii, impulsem życia, narzędziem komunikacji i siłą napędową technologii – od fotosyntezy w roślinach po światłowody w internecie. A teraz, jak pokazują badania naukowców z Uniwersytetu Cincinnati, może także poruszać, wyginać, a nawet „ożywiać” materię.

Polecamy: Przełom w komunikacji kwantowej. Splątanie kwantowe stało się proste

Światło, które porusza materię

W laboratorium chemicznym Uniwersytetu Cincinnati światło odgrywa zupełnie nową rolę. Zamiast służyć jedynie do obserwacji, staje się narzędziem działania – swoistym pilotem sterującym mikroskopijnymi kryształami. Zespół prof. Anny Gudmundsdottir odkrył, że niektóre z nich można „zaprogramować” na poziomie molekularnym, dzięki czemu kryształy reagują na światło w spektakularny sposób. Wyginają się, skręcają, podskakują, a czasem nawet eksplodują.

„Badamy, co dokładnie sprawia, że te kryształy zachowują się w taki sposób. Możemy sprawić, że będą skakać, eksplodować albo nawet tańczyć – mówi Gudmundsdottir w rozmowie z serwisem Scitech Daily.

Wszystko zaczyna się od hodowli. Studenci wytwarzają kryształy z konkretnych cząsteczek organicznych. Te same składniki mogą układać się w różne formy, a to, jak cząsteczki są „upakowane”, wpływa na ich późniejsze zachowanie.

„Fascynuje mnie to, że identyczne cząsteczki potrafią tworzyć zupełnie różne kryształy. A to, jak się zachowują pod wpływem światła, bywa naprawdę zaskakujące” – tłumaczy doktorantka Fiona Wasson.

Kryształy reagujące na światło w kontrolowanej ciemności

Aby zaobserwować zachowanie kryształów, potrzebna jest niemal całkowita ciemność. Dlatego prof. Gudmundsdottir zbudowała w laboratorium specjalną ciemnię, w której światło może być dozowane z dużą precyzją.

Student Ben Miller spędził tam cały semestr, dokumentując reakcje kryształów reagujących na światło za pomocą mikroskopijnych kamer. Używał do tego czerwonego światła, żeby nie wzbudzać kryształów przypadkowo. Następnie kierował na nie wiązki światła z diod LED i obserwował, co się stanie.

Czasem kryształ wyginał się tylko nieznacznie. Innym razem skręcał się w spiralę. A bywało, że zeskakiwał z podstawki niczym miniaturowa sprężynka.

„Jestem zdumiona tym, co studenci byli w stanie osiągnąć z tymi kryształami. Wielu rzeczy jeszcze nie rozumiemy. Jesteśmy pierwszymi, którzy eksperymentują z uwalnianiem gazu, więc to odkrycie sprawia uczniom wiele radości” – powiedziała Gudmundsdottir.

Wybuch kontrolowany

Co właściwie powoduje tak gwałtowną reakcję kryształów reagujących na światło? Dlaczego sprawia ono, że kryształy potrafią dosłownie eksplodować? Prof. Gudmundsdottir wyjaśnia, że to efekt uwalniania azotu. Podczas tworzenia kryształu cząsteczki tego gazu zostają uwięzione w jego strukturze. Światło działa niczym zapalnik – wyzwala gaz, który następnie powoduje wybuch.

Zazwyczaj taki kryształ eksploduje tylko raz. Gdy azot ucieknie, pokaz się kończy. Ale niektóre z nich potrafią reagować wielokrotnie – ich zginanie, skręcanie czy wyginanie może się powtarzać, co otwiera drogę do ich wykorzystania w technologiach przyszłości.

„Jesteśmy pierwszymi, którzy badają kryształy w kontekście uwalniania gazów. To dla studentów źródło ogromnej radości i satysfakcji” – mówi Gudmundsdottir.

Kryształy reagujące na światło i ich zastosowanie

Jakie mogą być praktyczne zastosowania kryształów reagujących na światło? Możliwości jest zaskakująco wiele. Po pierwsze, mogą działać jako zasilane światłem siłowniki w mikrorobotach. Ich zdolność do wyginania się i powrotu do pierwotnego kształtu sprawia, że doskonale imitują włókna mięśniowe.

Szukasz treści, które naprawdę dają do myślenia? Sięgnij po kwartalnik Holistic News!

Po drugie – jako elementy systemów bezpieczeństwa, na przykład w kabinach samolotów, gdzie w razie nagłej utraty ciśnienia potrzebny jest natychmiastowy dostęp do tlenu. Po trzecie – jako narzędzia wspierające eksplorację kosmosu.

„W przestrzeni kosmicznej mamy ogromne ilości światła, więc tego rodzaju reakcje można tam dobrze wykorzystać. Dla nas to dopiero początek. Jesteśmy na wczesnym etapie odkrywania, ale już teraz czujemy, że to coś dużego” – mówi Fiona Wasson.

Polecamy: Ludzki genom zapisany w krysztale pamięci. Technologia przyszłości zabezpieczy nasz gatunek