Weird Science

Pierścienie Lieseganga

Samo­or­ga­ni­za­cja

Feno­men two­rze­nia się pier­ścieni Lie­se­ganga jest przy­kła­dem samo­or­ga­ni­za­cji. Samo­or­ga­ni­za­cja jest zja­wi­skiem, w których ele­menty układu zło­żo­nego ule­gają spon­ta­nicz­nemu upo­rząd­ko­wa­niu. Zacho­dzi wtedy two­rze­nie się zor­ga­ni­zo­wa­nych struk­tur prze­strzen­nych lub kore­la­cji w prze­strzeni i cza­sie pod wpły­wem oddzia­ły­wań zacho­dzących pomiędzy ele­men­tami układu, oraz między ukła­dem i jego oto­cze­niem. Pier­ście­nie Lie­se­ganga są pierw­szym odkry­tym przy­kła­dem tego zja­wi­ska. Reak­cje te jako pierw­szy opi­sał Runge, a dokład­niej zba­dał je na początku XX wieku Raphael Lie­se­gang.

Ilustracja

Raphael Edu­ard Lie­se­gang

źródło: http://upload.wiki­me­dia.org/wiki­pe­dia/com­mons/3/31/Lie­se­gang.PNG, dostęp: 05.10.2011

Trzeba zazna­czyć, że do dzi­siaj nie udało się dokład­nie wyja­śnić mecha­ni­zmu pow­sta­wa­nia tych struk­tur. Dostępne są jed­nak bar­dziej ogólne wyja­śnie­nia. Podobne przy­kłady samo­or­ga­ni­za­cji są spo­ty­kane często w natu­rze.

Czego potrze­bu­jemy?

By przy­go­to­wać dzi­siej­szy eks­pe­ry­ment musimy zao­pa­trzyć się w sub­stan­cje z poniższej listy:

Ostrze­że­nie: Należy szcze­gól­nie uwa­żać pod­czas ope­ra­cji z chlor­kiem kobaltu, ponie­waż jest to sól metalu ciężk­iego. Nie jest wyklu­czone dzia­ła­nie rako­twór­cze tego związku. Należy sto­so­wać ręka­wiczki och­ronne i nie dopu­ścić do zanie­czysz­cze­nia skóry! Z wody amo­nia­kal­nej uwal­nia się gazowy amo­niak, który działa w spo­sób drażn­iący na oczy i drogi odde­chowe. W więk­szych stęże­niach amo­niak jest tru­jący. Autor nie bie­rze jakiej­kol­wiek odpo­wie­dzial­no­ści za wszel­kie mogące pow­stać szkody. Robisz to na wła­sne ryzyko!

Doświad­cze­nie polega na wytwo­rze­niu żelu, w którym jest zawarty jeden z rea­gen­tów. Drugi zostaje nanie­siony na żel. Musimy zacząć od przy­go­to­wa­nia żelu; w gorącej wodzie należy roz­pu­ścić tyle żela­tyny, by jej stęże­nie wynio­sło około 4%. Następ­nie szybko (tak by roz­twór nie zdążył osty­gnąć) doda­jemy chlo­rek kobaltu. Jego stęże­nie powinno być jak naj­bar­dziej zbli­żone do 5%. Roz­twór wle­wamy do nie­wiel­kiej pro­bówki, na przy­kład o śred­nicy 5-10mm. Pro­bówkę chło­dzimy, po jakimś cza­sie zawar­tość powinna zesta­lić się w żel. Otrzy­many żel ma barwę różową. Następ­nie na powierzch­nię zesta­lo­nego żelu nale­wamy kilka cm3 wody amo­nia­kal­nej i pro­bówkę pozo­sta­wiamy na kilka lub kil­ka­na­ście dni kon­tro­lu­jąc od czasu do czasu zawar­tość. Wylot pro­bówki zabez­pie­czamy kor­kiem lub zwit­kiem waty. W tym cza­sie pro­bówka nie powinna być pod­da­wana sil­nym wstrząsom lub dużym waha­niom tem­pe­ra­tury.

Doświad­cze­nie jest nieco kapry­śne i nie zaw­sze się udaje. Przy­czyny tego faktu nie są jasne. Jed­nak w razie powo­dze­nia efekt jest naprawdę inte­re­su­jący. Poni­żej przed­sta­wiam zdjęcia uzy­ska­nych przeze mnie pier­ścieni Lie­se­ganga:

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ilustracja:

Kliknij aby powiększyć

W tym wypadku pow­sta­wa­nie pier­ścieni trwało 5 dni w tem­pe­ra­tu­rze 15 stopni Cel­sju­sza.

Próba wyja­śnie­nia - przy­kłady z oto­cze­nia

Docho­dzi tutaj do reak­cji między chlor­kiem kobaltu, a amo­nia­kiem i wodą. Jony kobal­towe są uwięzione w żelu, zaś amo­niak dyfun­duje z wody amo­nia­kal­nej w jego głąb. Dzięki dyfu­zji pow­staje gra­dient stęże­nia jonów amo­no­wych w żelu. W wyniku reak­cji pow­staje nie­roz­pusz­czalny wodo­ro­tle­nek kobaltu o bar­wie nie­bie­skiej (w gór­nej czę­ści pro­bówki docho­dzi dodat­kowo do reak­cji z tle­nem z powie­trza, stąd zmiana barwy w tym miej­scu). Ten osad two­rzy pier­ście­nie.

Dla­czego jed­nak pow­stają odrębne pier­ście­nie, a nie po pro­stu zgodna z gra­dien­tem rea­gentu smuga? Jest to do dzi­siaj obiek­tem badań nau­kow­ców. Naj­praw­do­po­dob­niej zja­wi­sko to jest spo­wo­do­wane lokal­nym wyczer­py­wa­niem się sub­stra­tów w obsza­rach poło­żo­nych bez­po­śred­nio w pobliżu miej­sca zacho­dze­nia reak­cji. Utrud­niony przez żelową kon­sy­sten­cję śro­do­wi­ska reak­cji prze­pływ sub­stan­cji daje w efek­cie pow­sta­nie pier­ście­nio­wa­tych struk­tur. Feno­men ten jest obiek­tem badań między innymi ter­mo­dy­na­miki che­micz­nej.

Czy jest to jedy­nie cie­ka­wostka? Ze struk­tu­rami ana­lo­gicz­nymi do pier­ścieni Lie­se­ganga spo­ty­kamy się na każdym kroku w śro­do­wi­sku natu­ral­nym. Jed­nym z tego przy­kła­dów są tak zwane czar­cie kręgi. Są to łuko­wate lub koli­ste struk­tury utwo­rzone naj­czę­ściej przez owoc­niki grzy­bów:

Ilustracja

źródło: http://www.learn­le­arn.net/Natu­ren/res/Default/ESS_Paste­Bit­ma­p001317.png, dostęp: 05.10.2011

Ich pow­sta­nie wiąże się z wyja­ła­wia­niem przez grzyb­nię obszaru wew­nątrz kręgu. Dzięki temu pow­staje krąg utwo­rzony przez grzyb­nię; z zew­nątrz jest on ogra­ni­czony fron­tem wzro­stu, od wew­nątrz zaś przez wyja­ło­wioną przez nią glebę. W ten spo­sób pow­staje zor­ga­ni­zo­wana struk­tura w ksz­tałcie kręgu. Innym przy­kła­dem może być wzrost koloni bak­te­rii na pożywce lub choćby grzy­bów ple­śnio­wych pora­sta­jących roz­kła­da­jące się owoce:

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Loka­li­za­cja koloni grzy­bów przyj­muje ksz­tałt cha­rak­te­ry­stycz­nych pier­ścieni. Zja­wi­ska samo­or­ga­ni­za­cji wydają się być uni­wer­salne, zarówno dla mate­rii oży­wio­nej, jak i nie­o­ży­wio­nej.

Innym przy­kła­dem samo­or­ga­ni­za­cji są oscy­la­cje w  reak­cji Bie­ło­u­sowa-Żabo­tyńs­kiego-Win­free, reak­cji Briggsa-Rau­scherauprosz­czo­nym pro­ce­sie oscy­la­cyj­nym.

Życzę miłej i pou­cza­jącej zabawy:)

Lite­ra­tura dodat­kowa

Marek Ples

Aa