Weird Science

Genialny roztwór w labiryncie

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (4/2021):

Ilustracja

Ples M., Genialny roz­twór w labi­ryn­cie - efekt Maran­go­niego i napięcie powierzch­niowe, Che­mia w Szkole, 4 (2021), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 46-50

Ilustracja
ani­ma­cja: doda­tek autora

Labi­ryn­tem nazy­wamy zwy­kle struk­turę, kla­sycz­nie np. w postaci budowli, odz­na­cza­jąca się zawi­łym ukła­dem dużej liczby pomiesz­czeń i łączących je kory­ta­rzy. Rolę labi­ryntu mogą pełnić też zmniej­szone modele tego rodzaju budowli. Budowle tego rodzaju były znane i budo­wane już w cza­sach sta­ro­żyt­nych - między innymi w sta­ro­żyt­nej Mezo­po­ta­mii i Egip­cie, gdzie zna­lazł zasto­so­wa­nie jako zabez­pie­cze­nie oraz utrud­nie­nie dostępu do bogato zdo­bio­nych, a często także wypełn­io­nych kosz­tow­no­ściami gro­bow­ców. W sztuce grec­kiej i rzym­skiej wyo­bra­że­nia labi­ryntu - często sym­bo­liczne i mocno sty­li­zo­wane - występo­wały pow­szech­nie w malar­stwie wazo­wym, na moza­i­kach i mone­tach.

Jed­nym z naj­czę­ściej opi­sy­wa­nych labi­ryn­tów jest ten, który miał zostać zbu­do­wany przez Dedala - zna­nego nam z mitów grec­kich archi­tekta i wyna­lazcy. Według prze­kazu budowla ta wzno­siła się w Knos­sos na Kre­cie i słu­żyła uwięzie­niu Mino­taura, czyli potwora zazwy­czaj przed­sta­wia­nego jako olbrzyma z głową byka.

Motyw labi­ryntu został też zaa­dop­to­wany jako motyw zdob­ni­czy o skom­pli­ko­wa­nym, naj­czę­ściej spi­ral­nym lub mean­dro­wym ksz­tałcie. W gotyc­kich kate­drach takie labi­rynty były często ukła­dane na posadz­kach katedr. Labi­rynt z XII wieku można zoba­czyć w kate­drze w Char­tres w półn­oc­nej Fran­cji. Nie były one jedy­nie ozdobą i miały pewne zna­cze­nie prak­tyczne: prze­by­cie skom­pli­ko­wa­nej drogi wyzna­czo­nej na pod­ło­dze świątyni zastępo­wało w funk­cji pod­jęcie piel­grzymki.

Labi­rynty, tak jak i daw­niej, two­rzy się także dziś jako atrak­cję lub formę roz­rywki, np. w par­kach i ogro­dach poprzez odpo­wied­nie nasa­dze­nie i ufor­mo­wa­nie różn­o­rod­nych roślin jako żywo­pło­tów.

Skom­pli­ko­wana struk­tura labi­ryntu zna­la­zła pewne zna­cze­nie jako forma łami­główki, ale także jako test zdol­no­ści roz­wiązy­wa­nia szcze­gól­nych pro­ble­mów. Dla­tego też więk­szo­ści z nas nie jest obce wyo­bra­że­nie pew­nych doświad­czeń bio­lo­gicz­nych pole­ga­jących na umiesz­cze­niu w labi­ryn­cie zwie­rząt: myszy, szczu­rów, świ­nek mor­skich i innych. Eks­pe­ry­menty tego rodzaju były rze­czy­wi­ście pro­wa­dzone w prze­szło­ści, co znaj­duje cza­sem kon­ty­nu­a­cję w bada­niach współcze­snych. Sam opi­sa­łem pewne nie­skom­pli­ko­wane doświad­cze­nia z zakresu neu­ro­bio­lo­gii i beha­wio­ry­zmu możl­iwe do prze­pro­wa­dze­nia w warun­kach szkol­nej pra­cowni – ich obiek­tem był pro­sio­nek szorstki Por­cel­lio sca­ber [1].

Ilustracja
Zacho­wa­nie pro­sionka w labi­ryn­cie
ani­ma­cja: doda­tek autora

Roz­wiąza­nie pro­blemu poko­na­nia labi­ryntu jak naj­krót­szą drogą nie jest wcale try­wialne i badań nad nim pod­jęło się wielu nau­kow­ców z różn­ych dzie­dzin, między innymi cyber­ne­tyki. Pierw­szym prak­tycz­nym roz­wiąza­niem tego zada­nia był auto­mat zbu­do­wany w 1953 roku przez ame­ry­kańs­kiego pio­niera cyber­ne­tyki Claude’a Elwo­oda Shan­nona i zwany przez innych myszą Shan­nona, a przez samego wyna­lazcę Teze­u­szem. Urządze­nie skła­dało się z trzech zasad­ni­czych czę­ści: labi­ryntu z poru­sza­jącą się w nim makietą myszy, układu elek­tro­ma­gne­tycz­nego kie­ru­jącego ruchami myszy oraz układu pamięcio­wego opar­tego na prze­kaźn­i­kach elek­tro­me­cha­nicz­nych. Teze­usz demon­stro­wał pewne pod­pa­trzone w natu­rze mecha­ni­zmy dzia­ła­nia pamięci, a także poka­zy­wał w prak­tyce możl­i­wość zbu­do­wa­nia urządze­nia posia­da­jącego zdol­ność do ucze­nia się metodą prób i błędów.

Dziś pro­blemy labi­ryn­towe i pokrewne nie stra­ciły wcale na aktu­al­no­ści (wystar­czy sobie wyo­bra­zić jak zawiła sieć powiązań łączy ele­menty dzi­siej­szej glo­bal­nej sieci inter­ne­to­wej) są roz­wiązy­wane zazwy­czaj przez odpo­wied­nie pro­gramy kom­pu­te­rowe.

Zanim przej­dziemy do dal­szej czę­ści arty­kułu chciałbym jed­nak przy­wo­łać cytat z „Dzien­ni­ków Gwiaz­do­wych” Sta­ni­sława Lema, gdzie w cza­sie Podróży Dwu­dzie­stej Pierw­szej boha­ter w oso­bie Ijona Tichego tra­fia na Dych­to­nię. Miesz­kańcy tej pla­nety poczy­nili tak wiel­kie postępy w dzie­dzi­nie roz­woju sztucz­nych form myśle­nia, że byli zdolni pro­du­ko­wać „świa­do­mo­ści i psy­chiki w pły­nach; syn­te­ty­zo­wano mądre i myślące roz­twory, które można było butel­ko­wać, roz­le­wać, zle­wać, a za każdym razem pow­sta­wała oso­bo­wość, nie­raz bar­dziej udu­cho­wiona i mądrzej­sza niż wszy­scy Dych­tończycy razem wzięci” [2].

Śmiała myśl Pisa­rza tak daleko wybie­gła w nie­zba­dane przez nas jesz­cze rejony nauki, że nawet trudno nam sobie wyo­bra­zić spo­sób rea­li­za­cji idei takiego myślącego roz­tworu. Z całą odpo­wie­dzial­no­ścią mogę jed­nak stwier­dzić, że po lek­tu­rze niniej­szego arty­kułu będziesz mógł, mój Sza­nowny Czy­tel­niku, wytwo­rzyć roz­twór (czy raczej pewien układ reak­cyjny) wyka­zu­jący w odpo­wied­nich warun­kach zdol­ność do zna­le­zie­nia w labi­ryn­cie drogi od startu do mety. Co więcej, będzie to zaw­sze droga naj­krót­sza! Może więc nie będzie to tak genialny płyn jak ten opi­sany przez Lema, ale efekty doświad­cze­nia mogą być dowo­dem, że sztuczny sys­tem prze­twa­rza­jący infor­ma­cję (a więc w jakimś przy­najm­niej ogra­ni­czo­nym sen­sie inte­li­gentny) nie­ko­niecz­nie musi przyj­mo­wać formę urządze­nia elek­tro­nicz­nego lub pro­gramu kom­pu­te­ro­wego, ale np. nie­skom­pli­ko­wa­nego układu fizyko-che­micz­nego, tak jak w opi­sa­nym przy­padku.

Doświad­cze­nie

Aby wyko­nać doświad­cze­nie musimy zgro­ma­dzić sub­stan­cje z poniższej listy:

Kwas ole­i­nowy jest orga­nicz­nym związ­kiem che­micz­nym z grupy jed­no­nie­na­sy­co­nych kwa­sów tłusz­czo­wych, może być trak­to­wany jako cis-izo­mer kwasu ela­i­dy­no­wego. W warun­kach nor­mal­nych ma postać bez­barw­nej cie­czy, żółk­nącej a następ­nie ciem­nie­jącej na powie­trzu (Fot.1).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – kwas ole­i­nowy

Sub­stan­cja ta występuje natu­ral­nie w tłusz­czach i jest głów­nym skład­ni­kiem oliwy z oli­wek i tranu [3]. Dzięki posia­da­niu w swo­jej struk­tu­rze wiąza­nia podwój­n­ego, kwas ole­i­nowy może poprzez kata­li­tyczne uwo­dor­nie­nie zostać prze­pro­wa­dzony w kwas ste­a­ry­nowy, co nosi nazwę utwar­dza­nia tłusz­czu. Jest uży­wany do pro­duk­cji sma­rów i środ­ków pio­rących.

Kwas ole­i­nowy nie jest silną tru­ci­zną, ale w przy­padku pozo­sta­łych sub­stan­cji konieczna jest ostrożn­ość. Zarówno wodo­ro­tle­nek sodu i kwas chlo­ro­wo­do­rowy, jak i ich roz­twory są żrące – mogą powo­do­wać dot­kliwe i trudno gojące się opa­rze­nia. Jeśli cho­dzi o błękit bro­mo­ty­mo­lowy (Rys.1) i czer­wień mety­lową (Rys.2), to podej­rzewa się je o wła­ści­wo­ści rako­twór­cze. Jak zaw­sze pod­czas pracy w labo­ra­to­rium musimy zacho­wać ostrożn­ość i sto­so­wać odpo­wied­nie środki och­rony oso­bi­stej.

Ilustracja
Rys.1 – Wzór struk­tu­ralny błękitu bro­mo­ty­mo­lo­wego
Ilustracja
Rys.2 – Wzór struk­tu­ralny czer­wieni mety­lo­wej

W celu prze­pro­wa­dze­nia doświad­cze­nia musimy zbu­do­wać też odpo­wiedni labi­rynt. Kory­ta­rze, czy raczej kanały powinny być sto­sun­kowo wąskie, o sze­ro­ko­ści około 1-2mm. Można oczy­wi­ście wyko­nać taki labi­rynt różn­ymi meto­dami, np. poprzez fre­zo­wa­nie lub po pro­stu wydra­pa­nie odpo­wied­nich ście­żek w jakimś two­rzy­wie sztucz­nym, ale wyjąt­kowo przy­datną w tym celu tech­niką jest druk prze­strzenny.

Zasto­so­wa­łem jedną z dru­ka­rek 3D dzia­ła­jących w opar­ciu o metodę FDM (ang. fused depo­si­tion model­ling) czyli osa­dza­nia sto­pio­nego mate­riału. Tego rodzaju urządze­nia do użytku domo­wego i ama­tor­skiego są jak naj­bar­dziej dostępne, tak jeśli cho­dzi o kupno goto­wych urządzeń, jak i ich samo­dzielną budowę. Dodat­kowo, korzy­sta­jąc z przy­zna­wa­nych fun­du­szy wiele szkół i pra­cowni uczel­nia­nych zao­pa­trzyło się w dru­karki tego typu. W meto­dzie FDM nano­szony mate­riał prze­ci­skany jest przez dyszę ogrzaną do tem­pe­ra­tury jego top­nie­nia. Pla­styczne two­rzywo jest następ­nie ukła­dane war­stwa po war­stwie, dzięki czemu pow­staje prze­strzenny obiekt.

W swo­ich doświad­cze­niach wyko­rzy­sta­łem spe­cy­ficzne two­rzywo, jakim jest poli­lak­tyd PLA będący z che­micz­nego punktu widze­nia poli(kwa­sem mle­ko­wym) o struk­tu­rze meru −[−CH(CH3)C(O)O−]−. Two­rzywo to jest pełni bio­de­gra­do­walne, a wytwa­rza się je z odna­wial­nych surow­ców w rodzaju np. mączki kuku­ry­dzia­nej. Wyko­rzy­sta­nie poli­lak­tydu obej­muje także cele bio­me­dyczne.

Roz­kład PLA przy­spie­sza eks­po­zy­cja na świa­tło UV, wil­goć i inne czyn­niki. Dla­tego wyko­nane z niego sprzęty należy prze­cho­wy­wać w odpo­wied­nich warun­kach, jeśli mają słu­żyć nam przez dłuższy czas. Oczy­wi­ście ten sam pro­jekt można wyko­nać z innych, nie bio­de­gra­do­wal­nych mate­ria­łów. Wymaga to jed­nak zmiany warun­ków druku 3D.

Labi­rynt zapro­jek­to­wa­łem w pro­gra­mie Fre­e­CAD (wer. 0.19.2), a następ­nie wyek­s­por­to­wa­łem do for­matu *.stl, który jest akcep­to­wany przez więk­szość apli­ka­cji obsłu­gu­jące dru­karki prze­strzenne. Fot.2 obra­zuje pro­jekt labi­ryntu, uka­zany w edy­to­rze gra­fiki trój­wy­mia­ro­wej Blen­der (wer. 2.93.1). Obie apli­ka­cje są przy­kła­dami wol­nego i otwar­tego opro­gra­mo­wa­nia więc nic nie stoi na przesz­ko­dzie, aby każdy mógł stwo­rzyć swój wła­sny pro­jekt. Do pierw­szych doświad­czeń dla chęt­nych udo­stęp­niam plik z labi­ryn­tem opi­sa­nym w arty­kule (do pobra­nia tutaj).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Pro­jekt labi­ryntu

Para­me­try wydruku usta­wiono na stan­dar­dowe dla two­rzywa PLA – wybrano biały poli­kak­tyd, dla więk­szej przej­rzy­sto­ści. Zasto­so­wano dyszę 0,4mm przy gru­bo­ści war­stwy 0,2mm. Więk­sza dokład­ność nie jest tutaj konieczna. Wydruk należy wyska­lo­wać odpo­wied­nio do swo­ich potrzeb - w moim przy­padku dłu­gość jego boku wynio­sła 55mm. Sam pro­ces druku zajął kil­ka­dzie­siąt minut, po czym uzy­skano gotowy model labi­ryntu odpo­wiedni do wyko­rzy­sta­nia w doświad­cze­niu (Fot.3).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Gotowy labi­rynt

Jak widać, labi­rynt nie jest skom­pli­ko­wany, ale zoba­czymy jak z nim sobie pora­dzi nasz roz­twór.

Przy­datną w doświad­cze­niu rze­czą jest przy­go­to­wa­nie żelu przez roz­mie­sza­nie nie­wiel­kiej ilo­ści (2% wagowo) agar-agaru we wrzącej wodzie desty­lo­wa­nej. Uzy­skany żel łatwo krzep­nie w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej po wyla­niu np. do sza­lek Petriego, skąd łatwo następ­nie wydo­stać żelowe krążki (Fot.4).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Krążek zesta­lo­nego żelu

Krążki trzeba późn­iej pociąć na nie­wiel­kie frag­menty (miesz­czące się na polu mety labi­ryntu), po czym powinny zostać prze­nie­sione do roz­tworu kwasu chlo­ro­wo­do­ro­wego o stęże­niu około 3,7%, gdzie powinny pozo­stać kilka godzin (Fot.5).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Kostki żelu zanu­rzone w kwa­sie

W razie braku agaru nie ma się co zała­my­wać – podobną rolę spełni np. nie­wielki frag­ment gąbki lub tka­niny nasączony kwa­sem o poda­nym stęże­niu.

Przy­stępu­jąc do doświad­cze­nia musimy przy­go­to­wać też roz­twór robo­czy, poprzez roz­pusz­cze­nie w 100cm3 desty­lo­wa­nej wody naj­pierw 0,28g wodo­ro­tlenku potasu, a następ­nie około 0,2cm3 kwasu ole­i­no­wego, co może wyma­gać dosyć ener­gicz­nego mie­sza­nia. Roz­twór ma postać przej­rzy­stej, bez­barw­nej i łatwo pie­niącej się cie­czy (Fot.6).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Roz­twór

Model labi­ryntu należy usta­wić jak naj­do­kład­niej poziomo i następ­nie wypełnić wszyst­kie kory­ta­rze do połowy wyso­ko­ści przy­go­to­wa­nym przed chwilą roz­two­rem (Fot.7A).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7 – Doświad­cze­nie i jego efekt; A – labi­rynt wypełn­iony roz­two­rem, B – moment doda­nia barw­nika, C- prze­pływ barw­nika; ozna­cze­nia: S – start, M – meta

Po wypełn­ie­niu labi­ryntu roz­two­rem w komo­rze sta­no­wiącej wyj­ście z labi­ryntu albo jego metę (ozna­czo­nej jako M) należy umie­ścić blo­czek agaru nasączony kwa­sem chlo­ro­wo­do­ro­wym, po czym szybko do komory star­to­wej S prze­nieść szpa­tułką nie­wielką ilość sta­łego barw­nika – w tym przy­padku błękitu bro­mo­ty­mo­lo­wego (Fot.7B). Trzeba to zro­bić w taki spo­sób aby barw­nik roz­pły­wał się po powierzchni cie­czy, na gra­nicy faz. Już po chwili można zau­wa­żyć, że zamiast roz­prze­strze­niać się bez­ład­nie, barwna smuga pły­nie naj­krót­szą drogą do mety (Fot.7C). Możemy też zau­wa­żyć, że smuga zmie­nia swą barwę, od począt­kowo nie­bie­skiej, przez zie­lon­kawą, aż do żółtej w pobliżu końca swo­jej drogi.

Ilustracja
ani­ma­cja: doda­tek autora

Błękit bro­mo­ty­mo­lowy możemy zastąpić także innymi barw­ni­kami, np. czer­wie­nią mety­lową (Fot.8). W jej przy­padku przej­ścia barwne (między kolo­rami żółt­o­po­ma­rańczo­wym a czer­wo­nym) są jed­nak nieco mniej dostrze­galne.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.8 – Czer­wień mety­lowa wska­zuje drogę

Pro­ces można prze­śle­dzić dokład­niej na sekwen­cji obra­zów – wyko­rzy­stano tym razem nieco inny, ale podobny model labi­ryntu i ponow­nie błękit bro­mo­ty­mo­lowy (Fot.9).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.9 – Droga barw­nika przez labi­rynt; kolejne foto­gra­fie wyko­nano w inter­wa­łach jed­no­se­kun­do­wych

Wyja­śnie­nie

Mecha­nizm obser­wo­wa­nego efektu i „zdol­no­ści” układu do roz­iąza­nia zada­nia zna­le­zie­nia naj­krót­szej drogi w labi­ryn­cie należy się doszu­ki­wać w zja­wi­skach związa­nych z napięciem powierzch­nio­wym [4]. Napięciem powierzch­nio­wym nazy­wamy zja­wi­sko fizyczne występu­jące na gra­nicy faz, a więc na styku powierzchni cie­czy z cia­łem sta­łym, gazem lub inną cie­czą. W jego efek­cie powierzch­nia ta zacho­wuje się jak ela­styczna błonka pokry­wa­jąca ciecz. W ujęciu ilo­ścio­wym jest to ener­gia przy­pa­da­jąca na jed­nostkę powierzchni, co jest rów­no­ważne pracy potrzeb­nej do powięk­sze­nia powierzchni o tę jed­nostkę. Występo­wa­nie napięcia powierzch­nio­wego tłu­ma­czy się ist­nie­niem sił przy­ciąga­nia pomiędzy cząst­kami cie­czy. Wyso­kie napięcie powierzch­niowe na gra­nicy faz ozna­cza, że siły kohe­zji w obrębie faz są więk­sze niż siły adhe­zji na gra­nicy tych faz.

War­tość napięcia powierzch­nio­wego zależy od wielu czyn­ni­ków. Jed­nym z nich jest obec­ność pew­nych związ­ków che­micz­nych nazy­wa­nych sub­stan­cjami powierzch­niowo czyn­nymi. Cząsteczki tych sub­stan­cji gro­ma­dzą się na gra­nicy faz uła­twia­jąc ich kon­takt. Są one zbu­do­wane z dwóch czę­ści, z których każda odpo­wiada za łatwe mie­sza­nie się z odrębną fazą. Cząsteczka sub­stan­cji powierzch­niowo czyn­nej zmniej­sza­jącej napięcie między­fa­zowe na gra­nicy wody i powie­trza musi zawie­rać frag­ment hydro­fi­lowy, wyka­zu­jący powi­no­wac­two z wodą (dzięki swo­jej polar­no­ści), oraz frag­ment hydro­fo­bowy, o zde­cy­do­wa­nie niższym powi­no­wac­twie do wody, a więc zwy­kle o nie­po­lar­nym cha­rak­te­rze.

Z napięciem powierzch­nio­wym, czy raczej z jego różn­i­cami, jest związa­nych wiele zja­wisk fizycz­nych – jed­nym z nich jest efekt Maran­go­niego. Polega on na powierzch­nio­wym prze­pły­wie cie­czy w kie­runku od niższego napięcia powierzch­nio­wego do wyższego, co możemy zaob­ser­wo­wać nano­sząc kro­plę mydła na powierzch­nię cie­czy posy­pa­nej np. tal­kiem lub pie­przem – gwałt­owny „odskok”dro­bin uno­szących się na powierzchni cie­czy jest spo­wo­do­wany wła­śnie znacz­nym lokal­nym zmniej­sze­niem napięcia powierzch­nio­wego przez śro­dek powierzch­niowo czynny [5].

W naszym przy­padku, pod­czas roz­twa­rza­nia kwasu ole­i­no­wego (opi­sa­nego dalej sym­bo­licz­nie jako HR, R ozna­cza resztę kwasu ole­i­no­wego) w zasa­do­wym roz­two­rze spo­wo­do­wa­li­śmy jego depro­to­na­cję w myśl rów­na­nia:

HR ⇌ R + H+

Reak­cja jest odw­ra­calna, a jej rów­no­waga zależy od odczynu śro­do­wi­ska – w zasa­do­wym prze­waża reak­cja depro­to­na­cji, zaś w kwa­so­wym pro­to­na­cji.

Pow­stałe w ten spo­sób jony ole­i­nia­nowe R posia­da­jąc zarówno polarną „głowę” obda­rzoną zlo­ka­li­zo­wa­nym ładun­kiem ujem­nym (frag­ment hydro­fi­lowy), jak i długi nie­po­larny "ogon" czyli łańc­uch węglo­wo­do­rowy (frag­ment hydro­fo­bowy) sta­no­wią dosko­nały śro­dek powierzch­niowo czynny. Gru­pują się one na gra­nicy faz roz­twór-powie­trze zmniej­sza­jąc tym samym war­tość napięcia powierzch­nio­wego. Można to stwier­dzić choćby po skłon­no­ści do pie­nie­nia się roz­tworu (vide Fot.6).

Wypełn­ia­jąc labi­rynt tak przy­go­to­wa­nym roz­two­rem zapew­niamy jed­no­rodną war­tość napięcia powierzch­nio­wego na całej powierzchni kana­łów.

Wpro­wa­dza­jąc w okre­ślo­nym miej­scu star­to­wym S labi­ryntu blo­czek agaru nasączo­nego kwa­sem zmie­niamy jed­nak rów­no­wagę kwa­sowo-zasa­dową układu, przy czym w obrębie kana­łów pow­staje cha­rak­te­ry­styczny gra­dient pH rosnącego od miejsc bar­dziej odle­głych mecie w jej kie­runku. Krótko mówiąc: im bli­żej mety M, tym roz­twór wypełn­ia­jący kanały jest bar­dziej kwa­śny.

Zau­ważmy, że skoro prze­wa­ża­jący kie­ru­nek przy­to­czo­nej wcze­śnie reak­cji zależy od śro­do­wi­ska, przez co w obrębie labi­ryntu pow­stał gra­dient pH, to także rów­no­waga wspom­nia­nej reak­cji będzie odw­zo­ro­wy­wała wska­zaną zależn­ość. Dzięki temu w rejo­nach labi­ryntu bliższych miej­scu star­to­wemu S kon­cen­tra­cja formy zde­pro­to­no­wa­nej kwasu ole­i­no­wego będzie naj­wyższa. Zbli­ża­jąc się nato­miast do mety M mogli­by­śmy zano­to­wać jej spa­dek na rzecz wzro­stu kon­cen­tra­cji formy spro­to­no­wa­nej.

Bio­rąc pod uwagę dzia­ła­nie powierzch­niowo czynne formy zde­pro­to­no­wa­nej łatwo już wysnuć wnio­sek, że także roz­kład war­to­ści napięcia powierzch­nio­wego w labi­ryn­cie sta­nie się nie­jed­na­kowy: będzie ono rosło w kie­runku od startu do mety. Na sku­tek efektu Maran­go­niego pow­sta­nie więc powierzch­niowy prze­pływ cie­czy uno­szący cząstki barw­nika zna­czące naj­krót­szą drogę łączącą punkt doda­nia barw­nika i miej­sce umiesz­cze­nia zakwa­szo­nego bloczku. Zau­ważmy, że prze­pływ we wska­za­nym kie­runku odbywa się jedy­nie na powierzchni – w głębi cie­czy (przy dnie kanału) pły­nie ona prze­ciw­nie. Wła­śnie dla­tego dla powo­dze­nia doświad­cze­nia konieczna jest odpo­wied­nia apli­ka­cja barw­nika.

Zmiany barwy smugi wska­zu­jącej drogę w labi­ryn­cie – jako że uży­li­śmy wskaźn­i­ków pH – odw­zo­ro­wują gra­dient odczynu śro­do­wi­ska.

Warto zau­wa­żyć, że z racji opi­sa­nego mecha­ni­zmu w przy­padku jeśli w labi­ryn­cie ist­nieją dwie możl­iwe drogi, to barwna smuga jako pierw­szą pokona tę krót­szą.

Lite­ra­tura:

Wszyst­kie foto­gra­fie i rysunki zostały wyko­nane przez autora

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.

Marek Ples

Aa