Weird Science

Świecący cukier, czyli o tryboluminescencji sacharozy

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Fizyka w Szkole (3/2015):

Ilustracja

Ples M., Świe­cący cukier, czyli o try­bo­lu­mi­ne­scen­cji sacha­rozy, Fizyka w Szkole, 3 (2015), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 45-46

Lumi­ne­scen­cja, jako zja­wi­sko emi­sji fal świetl­nych przez pewne ciała, wywo­łane inną przy­czyną niż roz­grza­nie ich do wyso­kiej tem­pe­ra­tury, jest ciągle obiek­tem zain­te­re­so­wa­nia zarówno nau­kow­ców, jak i lai­ków. W przy­padku tych dru­gich, fascy­na­cja wiąże się, jak można sądzić, z nie­co­dzien­nym efek­tem, a często także z pozy­tyw­nymi dozna­niami natury este­tycz­nej.

Warto wyko­rzy­stać oka­zję, jaką w wymia­rze dydak­tycz­nym daje zain­te­re­so­wa­nie zja­wi­skami będącymi w isto­cie dobit­nymi przy­kła­dami prze­mian ener­ge­tycz­nych zacho­dzących w struk­tu­rze lumi­no­fo­rów, tj. sub­stan­cji wyka­zu­jących jakiś rodzaj lumi­ne­scen­cji. W rea­liach szkol­nych lub uczel­nia­nych aspekt ener­ge­tyczny prze­mian che­micz­nych czy fizycz­nych w przy­tła­cza­jącej więk­szo­ści oma­wia się w opar­ciu o efekt cieplny, co jest często uwa­żane za mało inte­re­su­jące. Zja­wi­ska lumi­ne­scen­cji mogą być więc dosko­nałą oka­zją do zmiany tego podej­ścia.

Sama lumi­ne­scen­cja nie jest zja­wi­skiem jed­no­rod­nym, ponie­waż do emi­sji świa­tła może tutaj docho­dzić po wzbu­dze­niu różn­ymi czyn­ni­kami, m.in. polem elek­trycz­nym (elek­tro­lu­mi­ne­scen­cja), pro­mie­nio­wa­niem świetl­nym (foto­lu­mi­ne­scen­cja: flu­o­re­scen­cja i fos­fo­re­scen­cja), pro­mie­nio­wa­niem joni­zu­jącym (scyn­ty­la­cja). Może zacho­dzić także w cza­sie spe­cy­ficz­nych reak­cji che­micz­nych, co nosi nazwę che­mi­lu­mi­ne­scen­cji.

Innym przy­kła­dem lumi­ne­scen­cji jest try­bo­lu­mi­ne­scen­cja, który to ter­min pocho­dzi od grec­kiego słowa τρίβειν, ozna­cza­jącego pocie­ra­nie. Try­bo­lu­mi­ne­scen­cja jest więc zja­wi­skiem fizycz­nym, w którym pro­mie­nio­wa­nie elek­tro­ma­gne­tyczne z zakresu świa­tła widzial­nego, a także cza­sem inne, jest emi­to­wane na sku­tek defor­ma­cji mecha­nicz­nych ciała. Do defor­ma­cji tych można zali­czyć pęka­nie, ście­ra­nie czy łama­nie. Zacho­dzi ona dla ciał o budo­wie kry­sta­licz­nej.

Try­bo­lu­mi­ne­scen­cja jest znana od przy­najm­niej 300 lat, a jej nazwę zapro­po­no­wali Wie­de­mann i Sch­midt w 1888 roku. Przez więk­szość tego czasu trak­to­wana była jedy­nie jako nau­kowa cie­ka­wostka, jed­nak w ostat­nich deka­dach postu­luje się wyko­rzy­sta­nie opi­sy­wa­nego zja­wi­ska do wykry­wa­nia wad w mate­ria­łach kom­po­zy­to­wych, co byłoby istot­nym udo­god­nie­niem zarówno w pro­ce­sie tech­no­lo­gicz­nym, jak i w użyt­ko­wa­niu.

Try­bo­lu­mi­ne­scen­cję wyka­zuje wiele sub­stan­cji kry­sta­licz­nych. Do naj­czę­ściej wymie­nia­nych należy kwas N-ace­ty­lo­an­tra­ni­lowy, ale trzeba tu wspom­nieć rów­nież o takich sub­stan­cjach jak bez­wod­nik kwasu fta­lo­wego, czy sze­ścio­wodny azo­tan(V) ura­nylu. Dosyć silną try­bo­lu­mi­ne­scen­cję wyka­zuje domiesz­ko­wany man­ga­nem siar­czek cynku oraz kom­pleks [Cu(NCS)(py)2(PPh3)], co można zoba­czyć na Fot.1. Barwy uzy­ski­wa­nego świa­tła są, jak widać, zróżn­i­co­wane; kolor świa­tła zależy od rodzaju uży­tego try­bo­lu­mi­no­foru.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Przy­kłady try­bo­lu­mi­ne­scen­cji: A, C – ZnS:Mn; B, D – [Cu(NCS)(py)2(PPh3)]. Zdjęcia A, B wyko­nano w nor­mal­nych warun­kach oświe­tle­nia, z kolei zdjęcia C i D w ciem­no­ści (ISO­400, 10s), w trak­cie roz­cie­ra­nia sub­stan­cji szpa­tułką widoczną na zdjęciu A.

Oka­zuje się jed­nak, że feno­men ten można zaob­ser­wo­wać nawet w przy­padku tak, zda­wa­łoby się, zwy­kłych i pow­szech­nie dostęp­nych sub­stan­cji jak cukier spo­żyw­czy, z che­micz­nego punktu widze­nia będący sacha­rozą. Jako dwu­cu­kier, składa się ona z reszt glu­kozy i fruk­tozy, a jej wzór suma­ryczny to C12H22O11.

By zaob­ser­wo­wać try­bo­lu­mi­ne­scen­cję sacha­rozy, z powo­dze­niem można użyć bia­łego cukru spo­żyw­czego. Można roz­cie­rać cukier w postaci krysz­tałków. Wydaj­niej­sze jed­nak wydaje się wyko­rzy­sta­nie kostek cukru (Fot.2A), roz­bi­ja­nych za pomocą kafara zło­żo­nego z ciężarka o masie 0,2kg, pod­no­szo­nego na wyso­kość 0,5m w ruro­wej pro­wad­nicy, a następ­nie swo­bod­nie opusz­cza­nego na kostkę, co można zoba­czyć na Fot.2B. Takie przy­go­to­wa­nie doświad­cze­nia zapew­nia dobrą pow­ta­rzal­ność rezul­ta­tów. Ważne jest także, by cukier był całk­o­wi­cie suchy! Jakie­kol­wiek ślady wil­goci mogą prze­kre­ślić efekt.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – A – Kostka cukru; B – Kostka cukru ulega roz­bi­ciu przez opa­da­jący kafar c.

Po przy­zwy­cza­je­niu oczu do ciem­no­ści, w momen­tach roz­bi­ja­nia kostek cukru można zau­wa­żyć wyraźne, cho­ciaż dosyć słabe roz­bły­ski świa­tła o bar­wie zie­lon­kawo-bia­łej. Bły­ski te trwają bar­dzo krótko, jed­nak udaje się je uch­wy­cić na foto­gra­fii, przy wyso­kiej czu­ło­ści matrycy apa­ratu foto­gra­ficz­nego (Fot.3).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Try­bo­lu­mi­ne­scen­cja sacha­rozy (ISO­400, 1s, powięk­szono kon­trast)

Widoczna pik­se­li­za­cja obrazu jest spo­wo­do­wana potrzebą bar­dzo sil­nego powięk­sze­nia kon­tra­stu foto­gra­fii - jest to konieczne dla­tego, że sygnał jest dosyć słaby (uzu­pełn­ie­nie autora).

Jak widzimy, sacha­roza rze­czy­wi­ście świeci pod wpły­wem zgnia­ta­nia i kru­sze­nia ale efekt jest bar­dzo nikły. Oka­zuje się jed­nak, że w tym przy­padku try­bo­lu­mi­ne­scen­cję można wzmoc­nić za pomocą pew­nych sen­sy­bli­li­za­to­rów. Jed­nym z nich jest sali­cy­lan metylu, ester o wzo­rze C8H8O3 (Rys.1). Jest to bez­barwna ciecz o bar­dzo sil­nym, cha­rak­te­ry­stycz­nym i dosyć miłym zapa­chu, sto­so­wana w lecz­nic­twie i jako doda­tek zapa­chowy.

Ilustracja
Rys.1 – Sali­cy­lan metylu

Kostkę cukru należy nasączyć nie­wielką ilo­ścią sali­cy­lanu, po czym roz­bić jak poprzed­nio. Można wtedy zau­wa­żyć, że zacha­roza świeci sil­niej, a barwa emi­sji zmie­nia się na wyraźnie nie­bie­skawą.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Try­bo­lu­mi­ne­scen­cja sacha­rozy z dodat­kiem sali­cy­lanu metylu: A, B - Try­bo­lu­mi­ne­scen­cja pod­czas kolej­nych eta­pów roz­bi­ja­nia kostki cukru, przy­pa­dek B jest o około 0,03s późn­iej­szy niż A (ISO­400, powięk­szono kon­trast).

Zasto­so­wa­nie sali­cy­lanu umożl­i­wia łatwiej­szą pre­zen­ta­cję zja­wi­ska w nie­całk­o­wi­cie zaciem­nio­nych pomiesz­cze­niach, a także przed więk­szym audy­to­rium.

W skle­pach można kupić rów­nież tzw. cukierki win­ter­gre­e­nowe, które zawie­rają doda­tek wspom­nia­nego wcze­śniej estru. Roz­gry­zane w ciem­no­ści świecą nie­bie­skim świa­tłem, co jest spo­wo­do­wane wła­śnie sen­sy­bi­li­zo­waną try­bo­lu­mi­ne­scen­cją cukrów wcho­dzących w skład cukier­ków.

Mecha­nizm try­bo­lu­mi­ne­scen­cji nie jest jesz­cze całk­o­wi­cie poznany i wyja­śniony. Pow­szech­nie postu­luje się dwa możl­iwe mecha­ni­zmy: emi­sję świa­tła przez wyła­do­wa­nie ładunku elek­trycz­nego oraz try­bo­lu­mi­ne­scen­cję emi­syjną.

Pierw­szy mecha­nizm polega na nie­rów­no­mier­nym roz­miesz­cze­niu ładunku elek­trycz­nego po obu stro­nach szcze­lin pow­sta­łych na sku­tek mecha­nicz­nych defor­ma­cji. Różn­ice poten­cja­łów ule­gają następ­nie wyrów­na­niu w wyniku mikro­sko­pij­nych wyła­do­wań elek­trycz­nych zacho­dzących w powie­trzu, kóre wypełnia szcze­liny. Znaj­duje to pewne potwier­dze­nie w fak­cie, że w wid­mie świa­tła pow­sta­jącego na sku­tek try­bo­lu­mi­ne­scen­cji można roz­po­znać linie emi­syjne azotu, a także w tym, że zawil­go­ce­nie unie­możl­i­wia obser­wa­cję zja­wi­ska.

W dru­gim przy­padku zja­wi­sko nie wywo­łuje wzbu­dze­nie jedy­nie gazu wypełn­ia­jącego szcze­liny, lecz także samego try­bo­lu­mi­no­foru.

Wzmac­nia­jące try­bo­lu­mi­ne­scen­cję sacha­rozy dzia­ła­nie sali­cy­lanu metylu tłu­ma­czy się tym, że poch­ła­nia on pow­sta­jące obok świa­tła widzial­nego pro­mie­nio­wa­nie ultra­fio­le­towe, po czym oddaje zgro­ma­dzoną ener­gię w postaci pro­mie­nio­wa­nia widzial­nego, o więk­szej dłu­go­ści fali (foto­lu­mi­ne­scen­cja).

Pod­czas try­bo­lu­mi­ne­scen­cji może pow­sta­wać także pro­mie­nio­wa­nie joni­zu­jące; są opi­sane przy­padki obser­wa­cji bar­dzo krót­k­ich impul­sów pro­mie­nio­wa­nia rent­ge­now­skiego, które pow­stały pod­czas roz­wi­ja­nia w próżni zwy­kłej, biu­ro­wej taśmy kle­jącej.

Lite­ra­tura:

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Uzu­pełn­ie­nia autora

Całe doświad­cze­nie dobrze ilu­struje też film:

Przed­sta­wia on try­bo­lu­mi­ne­scen­cję sacha­rozy wzmoc­nioną dzięki obec­no­ści sali­cy­lanu metylu.

Marek Ples

Aa