Świecący cukier, czyli o tryboluminescencji sacharozy
Poniższy artykuł został opublikowany pierwotnie w czasopiśmie dla nauczycieli Fizyka w Szkole (3/2015):
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.
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.
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).
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.
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.
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:
- C. G. Camara, J. V. Escobar, J. R. Hird, S. J. Putterman: Correlation between nanosecond X-ray flashes and stick–slip friction in peeling tape, Nature, 2008, nr 455, str. 1089-1092,
- F. Marchetti, C. Di Nicola, R. Pettinari, I. Timokhin, C. Pettinari: Synthesis of a Photoluminescent and Triboluminescent Copper(I) Compound: An Experiment for an Advanced Inorganic Chemistry Laboratory, Journal of Chemical Education, 2012, nr 89, str. 652-655,
- M. Ples: Chemiluminescencja metalicznego sodu, Chemia w Szkole, 2014, nr 1, Wydawnictwo EduPress, str. 5-7,
- W. A. Hollerman, R. S. Fontenot, K. N. Bhat, M. D. Aggarwal, C. J. Guidry, K. M. Nguyen: Comparison of triboluminescent emission yields for 27 luminescent materials, Optical Materials, 2012, nr 34, str. 1517-1521.
Uzupełnienia autora
Całe doświadczenie dobrze ilustruje też film:
Przedstawia on tryboluminescencję sacharozy wzmocnioną dzięki obecności salicylanu metylu.
Marek Ples