Co wspólnego mają ze sobą huragany, życie na Ziemi i jazda na rowerze? Co łączy wybuchy wulkanów, światło gwiazd i rewolucję przemysłową? Odpowiedzią na te zagadki jest ciśnienie. To ono odpowiada za zjawiska pogodowe, powoduje gwałtowne wybuchy wulkanów i świecenie gwiazd. Zaprzęgnięte do pracy w silniku parowym, napędziło rozwój technologii w XVIII wieku, a obecne w rowerowej dętce pozwala na przyjemną jazdę. Ciśnienie umożliwiło powstanie życia na Ziemi i ukształtowało je w różnorodne formy, jakie znamy dzisiaj. Jeżeli wybierzemy się na spacer do parku, gdzie w cieniu drzew odetchniemy świeżym powietrzem słuchając śpiewu ptaków, to będziemy doświadczać efektów działania ciśnienia na przyrodę. Zwykle działa na nas znane z prognozy pogody ciśnienie bliskie tysiąca hektopaskali, czyli około jednej atmosfery. W oponach ciężarówek panuje zaledwie osiem atmosfer, co wystarcza do uniesienia ciężkich, obładowanych pojazdów. Tylko osiem atmosfer! A na naszej planecie są obszary, gdzie ciśnienie jest o wiele, wiele wyższe. Studia doktoranckie umożliwiły mi zerknięcie w te miejsca, gdzie panujące warunki są wręcz ekstremalne.

Podróż do wnętrza Ziemi

Jest 26 marca 2012 roku. James Cameron, reżyser znany z filmów Titanic czy Terminator, ostrożnie wchodzi na pokład swojego jednoosobowego batyskafu Deepsea Challenger. Za chwilę zamknie właz i rozpocznie ponad dwugodzinną podróż do najgłębszego miejsca na Ziemi – dna Rowu Mariańskiego, jedenaście kilometrów pod powierzchnią oceanu. Łódź budowana była w sekrecie. Do jej zbudowania użyto nowych, specjalnie opracowanych na tę okazję materiałów. Wszystko po to, aby wytrzymała ciśnienie dwunastu TYSIĘCY atmosfer, panujące na tej głębokości. Cameron wielką wagę przywiązywał do szczegółów, wiedział bowiem doskonale, że najmniejszy defekt konstrukcji spowoduje zmiażdżenie pojazdu do rozmiarów metalowej puszki. Czy zanurzając się coraz głębiej, myślał o ogromnych siłach działających na jego statek? Bez wątpienia. Jeszcze tego nie wie, ale dzięki odwadze i odpowiedniemu przygotowaniu uda mu się zejść na dno, gdzie zobaczy zdumiewający, pustynny krajobraz. Swoje przeżycia zawarł w słowach: „Mam wrażenie, że w ciągu jednego dnia byłem w dwóch różnych światach”. Po pięciu godzinach samotnego przebywania w głębinach skieruje swój pojazd na powierzchnię. Przed powrotem zbierze jeszcze trochę skał i osadów, ciśnienie zmienia bowiem strukturę i właściwości materii, co ekscytuje naukowców poszukujących nowych materiałów.

A gdyby chciał dotrzeć jeszcze głębiej? Musiałby skierować się pod powierzchnię Ziemi, ku jądru planety. Ciśnienie, jakie musiałby wytrzymać jego statek we wnętrzu planety, w porównaniu z warunkami pokojowymi, wzrasta ponad trzy i pół MILIONA razy. Czy taka podróż jest możliwa? Jak poznać zachowanie materii w tak ekstremalnych warunkach? Te pytania naukowcy zaczęli zadawać sobie już na przełomie XIX i XX wieku. Pierwszym krokiem było właśnie zaprojektowanie odpowiedniej aparatury, która wytworzyłaby ekstremalne ciśnienia w laboratorium, bez konieczności podróży do wnętrza Ziemi. Próby przeprowadzane w słynnych ośrodkach w Berkeley i Moskwie nie były zachęcające ze względu na wysoki koszt aparatury i niezadowalające wyniki. Tymczasem spośród naukowców zaczął wyróżniać się Percy Bridgmann. Jego prasy biły kolejne rekordy ciśnienia wytworzonego w laboratorium. Dla naukowców było to jak kroczenie w zupełnie nowym, nieznanym świecie. Wkrótce zaczęto wytwarzać nowe formy podstawowych pierwiastków chemicznych. Postęp, jakiego dokonał w tej dziedzinie Bridgmann, został w 1946 roku uhonorowany nagrodą Nobla. Niestety, jego wielkie i drogie urządzenia ze względu na gabaryty i konstrukcję znacznie utrudniały badanie materiałów. Potrzebne było coś mniejszego, prostszego.

Diamentowa pułapka

Po wypróbowaniu serii prototypów, sprawdzeniu wielu konstrukcji z metali i ich stopów, uwagę naukowców przykuł diament – najtwardszy znany minerał. Okazało się, że po umieszczeniu metalowej uszczelki między dwoma niewielkimi brylantami możliwe jest łatwe i bezpieczne osiąganie ekstremalnych ciśnień, nawet rzędu milionów atmosfer. Nowe narzędzie nazwano komorą z diamentowymi kowadełkami. Uderzające jest to, że ta elegancka aparatura była wielkości przeciętnego zegarka. Wraz z wynalezieniem komory, naukowcy mogli uchwycić „rdzeń planety” w swojej dłoni.

Takie właśnie urządzenie stało się moim pojazdem do świata ekstremalnych ciśnień. W trakcie studiów doktoranckich badam, co dzieje się z materiałami, które są poddane olbrzymiemu ciśnieniu. W szczególności pasjonuje mnie krystalografia – wytwarzanie i badanie kryształów podobnych do znanych nam z domów kryształków cukru lub soli kuchennej. W swojej pracy skupiam się jednak na najnowocześniejszych materiałach i farmaceutykach. To wysokociśnieniowa inżynieria kryształów, czyli takie ich zaprojektowanie, aby na przykład były przyjazne środowisku i jednocześnie mogły pod wpływem światła wytwarzać prąd lub miały wzmocnione działanie lecznicze.

Moja codzienna podróż zaczyna się od przygotowania diamentowej komory. W środku zamykam trochę cieczy, materiał, który chcę badać, i okruch rubinu. Dlaczego rubin? Celuję w niego wiązką lasera, co powoduje, że matowy wcześniej rubin zaczyna świecić własnym światłem. W zależności od ciśnienia, kolor światła rubinu ulega delikatnym zmianom – gdy je zmierzę, wiem jakie warunki panują w urządzeniu. To kluczowa informacja, wiele materiałów można wytworzyć tylko w ściśle określonych warunkach. Przez stapianie lub rozpuszczanie drobnych kryształków staram się otrzymać pojedynczy kryształ.

Tak uzyskany kryształ badam, używając znanego nam ze szpitali promieniowania Roentgena, które pozwala zajrzeć do wnętrza naszego ciała. To samo promieniowanie wykorzystuję, by zajrzeć do wnętrza kryształów i „zobaczyć” budujące je pojedyncze atomy. Stopniowo zwiększając ciśnienie, staram się wywołać zmiany w rozmieszczeniu atomów, co wpływa na właściwości materiału. W trakcie studiów doktoranckich mam też okazję korzystać z synchrotronów – wielkich tuneli o długości sięgającej kilku kilometrów, które przyspieszają elektrony do prędkości bliskich prędkości światła i wytwarzają potężne dawki promieniowania. Dzięki silnej dawce promieni X można bardzo szybko i dokładnie ustalić strukturę naświetlanych substancji.

Aby zwiększyć dostęp do świata wysokich ciśnień, jako kierownik grantów projektuję i buduję własne „pojazdy”, urządzenia odporne na ekstremalne warunki, ułatwiające badanie kryształów bez konieczności stosowania cennych diamentów. Nawet supertwarde diamenty mają swoją wytrzymałość, o czym boleśnie się przekonałem, gdy pewnego razu przeciążyłem komorę i doprowadziłem do pęknięcia drogocennych brylantów.

Nowy, wspaniały świat

Efekty działania wysokiego ciśnienia są zaskakujące. Obecny wokół nas życiodajny gaz, tlen, ściśnięty w komorze, najpierw tworzy czerwone kryształy, a następnie przekształca się w metal. Srebrzystobiały sód, jeden z najbardziej aktywnych pierwiastków, traci kolor i pomimo tego, że jako metal powinien przewodzić prąd, zaczyna go blokować – staje się izolatorem. Czarny, kruchy węgiel staje się przezroczystym, supertwardym diamentem. Używając ciśnienia, uzyskujemy nowe formy znanych związków chemicznych o zupełnie odmiennych właściwościach. Możemy wytwarzać przyjazne środowisku materiały elektryczne, które znajdą zastosowanie w nowoczesnych procesorach. Potrafimy wywołać efekt nadprzewodnictwa – przenoszenia energii elektrycznej bez żadnych strat. W wysokim ciśnieniu nierzadko powstają kryształy zamykające w swojej strukturze cząsteczki wody lub alkoholu. Jest to szczególnie ważne dla leków i preparatów rolniczych. Takie kryształy różnią się od macierzystej

substancji np. tempem rozpuszczania i uwalniania cząsteczek, możemy więc regulować czas działania leku.

Sam również doświadczyłem skuteczności metod wysokociśnieniowych, gdy w czasie studiów udało mi się otrzymać tego typu materiały. W komorze diamentowej powstają również kokryształy, które są złożone z dwóch lub więcej związków chemicznych. Od pierwszego dnia pracy jestem pod wrażeniem właściwości kokryształów – na przykład substancja stworzona z dwóch różnych materiałów wybuchowych okazała się bezpieczniejsza i jednocześnie eksploduje silniej niż osobne składniki.

Skarby ze świata ekstremalnych ciśnień

Możliwości świata wysokich ciśnień są imponujące. Dlatego techniki wysokociśnieniowe mogą być pomocne w ulepszaniu niedoskonałych materiałów. W swojej pracy badawczej poszukuję nowych, przyjaznych środowisku substancji ferroelektrycznych. Takie materiały działają jak przełączniki – możemy je przestawiać, używając prądu, dlatego mogą być stosowane jako pamięć elektroniczna lub w wyświetlaczach ciekłokrystalicznych, monitorach LCD. Ponadto próbuję znaleźć sposób na wysokociśnieniowy rozdział enancjomerów. Enancjomery to dwie cząsteczki, które są swoimi lustrzanymi odbiciami, tak jak nasze dłonie. Pracujący w laboratorium chemicy zwykle syntezują mieszaninę obydwu form, jest to dużo łatwiejsze i tańsze niż wytworzenie tylko jednego enancjomeru z pary.

Przez to, że enancjomery są niemal identyczne, bardzo trudno jest je rozdzielić. A dlaczego chcemy je rozdzielać? Różnice właściwości fizycznych i biologicznych enancjomerów są niesamowite. Jeden z pary może działać pozytywnie, drugi obojętnie lub bardzo negatywnie. Przykładem jest talidomid, którego enancjomer podawany był kobietom ciężarnym w latach sześćdziesiątych. Niestety w ich ciele ulegał przekształceniu w drugą formę i poważnie szkodził nienarodzonym jeszcze dzieciom. Produkowane w postaci enancjomerów farmaceutyki są najczęściej stosowanymi lekami w nowoczesnej medycynie. Zwykle jeden z pary ma właściwości terapeutyczne – przeciwbólowe, przeciwnowotworowe lub wzmacniające pamięć, a drugi jest dużo mniej efektywny. Para enancjomerów może się różnić zapachem, smakiem lub przyswajalnością. Jak można to wykorzystać? Enancjomer jednego z cukrów – glukozy – ma słodki smak, ale nie jest przez nas trawiony. Jeżeli nauczymy się otrzymywać go w dużych ilościach, może uda nam się spełnić marzenie o słodyczach, którymi będziemy się delektować, dbając jednocześnie o szczupłą sylwetkę.

W trakcie badań, udało mi się już ustalić pierwsze reguły rządzące rozdziałem enancjomerów w wysokim ciśnieniu. Kontynuuję tę drogę. Moim marzeniem jest swobodny rozdział dowolnych enancjomerów, używając technik wysokociśnieniowych.

Materiały i kolory

Czy można wymyślić nowy kolor? Podobno jest to niemożliwe. Możemy jedynie wyobrazić sobie te barwy, które zobaczyliśmy wcześniej. Nowy kolor można jednak otrzymać, gdy zmieszamy ze sobą znane nam barwy. Czy można wymyślić nowy materiał, inny niż te napotkane dotychczas? Zapytałem o to kolegów z różnych krajów w czasie spotkania we włoskim mieście Erice, gdzie miałem okazję opowiedzieć o swoich badaniach. Zgodziliśmy się, że jest to bardzo trudne. Naukowcy nierzadko starają się tworzyć nowe kombinacje ze znanych już materiałów, co przypomina wytwarzanie nowych kolorów.

Świat wysokich ciśnień daje naukowcom wspaniałe możliwości. Poddane ekstremalnym warunkom substancje podlegają przemianie i tworzą niespotykane struktury. Efekty działania ciśnienia na kryształy nieustannie mnie zaskakują. Dla mnie to jak odkrywanie nowych, niedostępnych wyobraźni kolorów.