Top 6 najdziwniejszych substancji. Te materiały zdają się naginać prawa fizyki

Czy można uzyskać doskonałą czerń, wyjść poza tradycyjnie postrzegane stany skupienia albo sprawić, by ciało stałe ważyło mniej niż gaz? Nowoczesne materiały dowodzą, że tak. Istnieje też jednak ciemna strona mocy, która stawia na głowie całą resztę. Gdzie leżą granice współczesnej fizyki i czy zawsze powinniśmy wierzyć naszym oczom? Te substancje podają w wątpliwość dużą część naszej wiedzy.

Vantablack to sztuczny materiał rozwijany przez Surrey NanoSystems. Służy jako powłoka nakładana na wiele rzeczy - od farby, po przedmioty z karbonu. Jako materiał jest on ekwiwalentem czarnej dziury, która pochłania światło. Pokryte nim trójwymiarowe obiekty wydają się nam dwuwymiarowe. Jest tak dlatego, że refrakcja światła została niemal całkowicie zredukowana. Innymi słowy, jakkolwiek na to nie spojrzeć, widać tylko ciemność.

Ten niezwykły materiał zdobył rekord świata jako najczarniejsza substancja wyprodukowana przez człowieka oraz najciemniejszy odcień czarnego, jaki możesz kupić. Vantablack absorbuje ponad 99% światła, jakie na niego pada. Wszystko dzięki nanotechnologii.

"Najciemniejsza substancja, jaką kiedykolwiek stworzono, Vantablack, została wynaleziona w 2014 roku przez naukowców z Wielkiej Brytanii. Jest w stanie odfiltrować niemal całe światło widzialne, ultrafioletowe i podczerwone z wydajnością absorpcji na poziomie 99,96%. Niedawno na rynek wprowadzono Vantablack w postaci możliwej do rozpylania, w sposób podobny do farb w sprayu" - mówi dr inż. Sebastian Janusz Balicki, adiunkt badawczo-dydaktyczny z Katedry Inżynierii i Technologii Procesów Chemicznych na Politechnice Wrocławskiej.

Dzięki Vantablackowi powstało "najciemniejsze miejsce na Ziemi". To pokryty tą substancją budynek w Korei Południowej. Celem było wywołanie wrażenia bycia pochłoniętym przez całkowitą ciemność. Co ciekawe, obiekty trójwymiarowe pokryte tym materiałem, oglądane z profilu, wyglądają jak cienie. "Postać rozpylana również jest w stanie zablokować 99,8% podczerwieni, ultrafioletu i światła widzialnego. Jednak podobnie jak pierwotna postać (w formie płaskiej powierzchni), może nie być w stanie sprawić, aby przedmiot 2D wyglądał jak przedmiot 3D" - dodaje naukowiec.

Co ciekawe, dla tego materiału przewidywano początkowo inne zastosowanie. Jak objaśnia dr inż. Balicki, "Vantablack pierwotnie nie była farbą, ale unikalną powłoką/klastrem, wykonaną z połączenia nanorurek węglowych, każda o średnicy 20 nanometrów. Miliony mikroskopijnych nanorurek zostały ściśle upakowane w tym klastrze. Gdy wiązka światła przechodzi przez przestrzenie między nanorurkami, jest niemalże w całości pochłaniana, z zanikiem efektu odbicia".

Na rynku mamy wiele kurtek czy namiotów wodoodpornych. Aby jednak móc tak o nich mówić, wodoodporność (HH) musi wynosić co najmniej 1000 mm, a 3000 mm to już bardzo dobra wartość dla namiotu. Istnieje jednak substancja, która przebija to wszystko. To materiał ultrahydrofobowy, który całkowicie wypiera wodę. Jego struktura sprawia, że woda na powierzchni tworzy niewielkie, sferyczne krople, które przypominają kamienie szlachetne czy szklane kulki. Choć jest to sztuczny materiał, to natura zainspirowała badaczy do jego stworzenia.

"Pomysł na ultrahydrofobowe powierzchnie wywodzi się z efektu lotosu, który odkryto w latach 70. XX wieku, badając pod mikroskopem naturalne właściwości hydrofobowe liści kwiatu lotosu. Powierzchnia tej rośliny składa się z niepolarnych substancji, takich jak tłuszcze i woski, które się ze sobą łączą w zwartą strukturę. Ma szorstką powierzchnię, która sprawia, że jest hydrofobowa, co jest również znane jako efekt fakira. Ze względu na te cechy kwiaty lotosu zawsze pozostają czyste i suche, nawet na terenach bagiennych. Wilhelm Barthlott odtworzył i zastrzegł prawa autorskie do pomysłu efektu lotosu w połowie lat 90. XX wieku" - wyjaśnia dr inż. Sebastian Balicki.

Materiał superhydrofobowy jest tak wodoodporny, że jeśli rozpylisz go na szybę samochodu, możesz jechać w deszczu 64 km na godzinę, a Twoja szyba nawet nie zwilgotnieje. Żegnajcie, wycieraczki!

Co więcej, materiał ten wypiera niemal wszystkie płyny, nie pozwalając im wsiąknąć. Zmusza je do zamienienia się w małe kulki, które mogą nawet toczyć się, jakby były ze szkła. Substancją tą nie pokrywa się jednak odzieży przeciwdeszczowej ani namiotów. Znajduje ona zastosowanie przede wszystkim w przemyśle wysokich technologii.

Te niezwykłe właściwości to dzieło nanotechnologii. "Udało się to osiągnąć, wykorzystując nanomateriały. Powierzchnię ultrahydrofobową można uzyskać, osadzając materiał hydrofobowy na powierzchni o nanochropowatości lub wytwarzając nanochropowatość na materiale hydrofobowym, co może mieć zastosowanie na przykład w samoczyszczeniu, zapobieganiu gromadzeniu się lodu, zapobieganiu zanieczyszczeniom, korozji i zapobieganiu przywieraniu na różnych materiałach" - powiedział nam specjalista inżynierii chemicznej.

Ferrofluid, znany też jako ciecz magnetyczna, może być łatwo formowany w dziwne kształty bez dotykania go. Zwykle występujące pod postacią czarnych, czerwonych lub szarych płynów, ferrofluidy zachowaniem przypominają wszystkie inne płyny, gdy znajdą się poza zasięgiem pola magnetycznego. "Z definicji ferrofluid to stabilna koloidalna zawiesina cząstek ferromagnetycznych lub ferrimagnetycznych w cieczy. Innymi słowy, ferrofluid to ferromagnetyczne nanocząstki zawieszone w ciekłej substancji nośnej" - tłumaczy dr inż. Sebastian Balicki.

W momencie, gdy ferrofluid wejdzie w kontakt z polem magnetycznym, staje się silnie namagnetyzowany, zmieniając kształty, "morfując", zginając się lub ciągnąc. Robią wszystko to, co zwykłe magnesy stałe, tylko w stanie ciekłym.

"Ferrofluidy zostały opracowane w ośrodku badawczym Narodowej Agencji Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA) w latach 60. XX wieku. Naukowcy NASA badali metody kontrolowania cieczy w kosmosie. W przypadku braku grawitacji pola magnetyczne mogłyby wpływać na zachowanie cieczy ferromagnetycznych. Istnieje np. możliwość skierowania ciekłego paliwa w stronę pomp umieszczonych w silnikach, w stanie zerowej grawitacji. Ferrofluidy znajdują powszechne zastosowanie w przemyśle elektrycznym, mechanicznym, chemicznym, nuklearnym, biomedycznym oraz ochronie środowiska" - dodaje chemik z Politechniki Wrocławskiej.

Ferrofluid wygląda jak ciemny, płynny metal. Można go bez problemu kupić przez internet, a nawet wykonać samemu, choć to wymaga nieco wprawy. To fajny gadżet naukowy, który reaguje na magnes, zapewniając wiele godzin zabawy.

Hydrożele to fascynująca grupa substancji o stanie skupienia zawieszonym w stanie pośrednim między płynem a ciałem stałym. Hydrożel zachowuje swój kształt i nie przepływa między obiektami jak ciało stałe, ale niesamowicie się wygina niczym ciecz. Jest też ekstremalnie miękki i elastyczny. Protoplastą tego materiału jest galaretka, czyli popularny deser na bazie substancji żelującej, takiej jak pektyna i agar.

"Hydrożele można opisać jako zbiór materiałów charakteryzujących się znaczną zawartością wody w swojej strukturze, ze względu na istniejące napięcie powierzchniowe oraz siły kapilarne. Hydrożele najczęściej otrzymuje się z syntetycznych oraz naturalnych makrocząsteczek (polimerów) na drodze zjawiska zwanego sieciowaniem fizycznym i/lub chemicznym" - tłumaczy dr. inż. Balicki.

Ze względu na swoją elastyczność i wytrzymałość hydrożele wydają się bardzo obiecujące w świecie biomateriałów, które mogą być umieszczone wewnątrz lub na zewnątrz ludzkiego ciała. Ich zdolność do całkowitego upłynnienia, wypełnienia przestrzeni, a następnie zestalenia się i zachowania elastyczności jest zupełnie unikatowa.

"Retencja wody, czyli jej zawartość w hydrożelu, zależy od obecności konkretnych grup funkcyjnych obecnych w strukturze polimeru, gęstości sieciowania, architektury porów oraz zawartości substancji stałych. Hydrożele są często uważane za biokompatybilne, przyjazne dla środowiska i biodegradowalne ze względu na ich właściwości zatrzymujące wodę. W związku z tym znalazły zastosowanie jako materiały biomedyczne" - dodaje naukowiec.

Hydrożel należy do serii polimerów, których właściwości fizyczne i chemiczne bez trudu zmieniają swój stan ze stałego na ciekły. Po podgrzaniu białka polimerowe rozpraszają się i swobodnie przemieszczają. Po schłodzeniu te same proteiny znów twardnieją, ale nie tak mocno, jak woda, która zamienia się w lód. To właśnie dzięki tym proteinom hydrożel jest jedną z najbardziej niesamowitych substancji.

Aerożel grafenowy to najlżejszy materiał na świecie i bez wątpienia najlżejsze ciało stałe, jakie znamy. Waży zaledwie 0,16 miligramów na centymetr sześcienny i niemal rozpływa się w powietrzu. Jego gęstość jest niższa nawet od helu, choć nieco wyższa od wodoru, najlżejszego spośród wszystkich gazów.

"Ujmując w skrócie, to trójwymiarowa struktura porowata otrzymana z grafenu, która charakteryzuje się doskonałymi właściwościami fizycznymi. M.in. dzięki wysokiej porowatości posiada bardzo dużą zdolność adsorpcji oraz bardzo niski współczynnik przewodności cieplnej. Aerożel grafenowy wraz z nanorurkami węglowymi są uznawane za najlżejsze materiały na świecie uzyskane przez człowieka" - powiedział nam dr inż. Sebatian Janusz Balicki.

Materiał ten stworzono na bazie hydrożelu, zastępując jego płynną zawartość powietrzem. Ta lekkość wynika właśnie z tego, że aerożel jest zasadniczo pusty - 99,8% jego objętości stanowi powietrze. Nie zawiera zbyt wielu gęsto upakowanych atomów ciała stałego lub cieczy, które mogłyby go obciążyć. W rezultacie aerożel grafenowy jest najmniej gęstym ze wszystkich znanych materiałów stałych.

Oprócz wykorzystania w wielu klejach, powłokach i wypełniaczach aerożel grafenowy jest także rozwijany jako lekki materiał do druku 3D, zapewniający precyzyjne efekty. Przyszłość aerożeli grafenowych wydaje się obiecująca, a substancja może być w przyszłości wykorzystywana do tworzenia ultralekkich przedmiotów. Jak wyjaśnia badacz, "materiały te posiadają gęstość około 7 razy niższą niż powietrze. Natomiast dzięki doskonałym właściwościom hydrofobowym świetnie nadają się do usuwania adsorpcyjnego zanieczyszczeń organicznych, toksycznych jonów metali, gazów oraz olejów przy np. wycieku ropy naftowej".

Zdecydowanie najdziwniejsza, najbardziej anomalna substancja we wszechświecie (jak dotąd) nie jest pochodzenia ludzkiego. Mimo że stanowi 26,8% energii Wszechświata (w porównaniu z 4,9% "zwykłej" materii), jej natura pozostaje wciąż nieodgadniona. Ciemna materia nie pozwala się wykryć na podstawie jej jasności, załamania światła, którego używamy do "widzenia" i rejestrowania zwykłej materii naszymi oczami i instrumentami.

Skąd zatem wiemy o jej istnieniu? Wskazuje na to przyciąganie grawitacyjne ciemnej materii. Wiemy, że tu jest, ale nie możemy jej zobaczyć. Widzimy natomiast obiekty kosmiczne zbudowane ze zwykłej materii, które ciemna materia przyciąga.

Według dra inż. Sebastiana Balickiego ciemna materia stanowi spore wyzwanie dla współczesnych fizyków: "Ciemna materia jest rozumiana jako hipotetyczny rodzaj materii, który ma istotne znaczenie we współczesnej kosmologii. Szacuje się, że stanowi 85% materii w naszym Wszechświecie i 27% całkowitej gęstości masy i energii Wszechświata. Niemniej jednak jej skład pozostaje bardzo zagadkowy. Przeważa konsensus, że cząstki składowe zidentyfikowane w Modelu Standardowym nie stanowią ciemnej materii, co wymaga rozszerzenia założeń Modelu Standardowego".

Oddziaływanie ciemnej materii uwidacznia się poprzez soczewkowanie grawitacyjne. Efekt ten występuje, gdy substancja w kosmosie zniekształca strukturę przestrzeni i "zagina" światło padające zza niej. W przeciwieństwie do zwykłej materii jej ciemna siostra nie odbija ani nie emituje światła. Dzięki temu wiemy jednak o jej istnieniu.

Szacuje się, że obserwowalna materia stanowi jedynie 5% naszego Wszechświata. Dlatego poleganie wyłącznie na naszych zmysłach (w tym na wychwytywaniu przez nie dość wąskiego wycinka spektrum częstotliwości) nie pozwala nam w pełni postrzegać rzeczywistości, a tym bardziej jej ciemnej strony. Mój rozmówca zwraca uwagę, że "istota ciemnej materii jest jednym z najpilniejszych pytań dzisiejszej fizyki. Cała obecna wiedza na temat ciemnego sektora materii pochodzi wyłącznie z badań dotyczących jego oddziaływań grawitacyjnych z bytami astrofizycznymi". Możliwe więc, że poznanie ciemnej materii wymaga próby podejścia do tego tematu od zupełnie innej strony.

***

Bądź na bieżąco i zostań jednym z 88 tys. obserwujących nasz fanpage - polub Geekweek na Facebooku i komentuj tam nasze artykuły!