O brytfance i guziku, czyli wstęp do
bardzo ważnych odkryć
Agnes Pockels (1862-1935) z racji
swojej płci miała zdecydowanie bardziej pod górkę niż jej młodszy brat
Friedrich Pockels. Friedrich mógł
studiować, Agnes – nie, ponieważ w ich czasach niemieckie uczelnie nie
przyjmowały kobiet. Właściwie to nie tylko uczelnie, lecz także szkoły średnie
– do matury dziewczyny mogły przystępować, lecz przygotowywać się do egzaminu
musiały na własną rękę, na kursach prywatnych, oczywiście pod warunkiem, że ich
rodziców było na to stać. Spragniona wiedzy Agnes uczyła się więc sama, z
podręczników, które brat chętnie jej udostępniał, oraz dzięki listom, w których
Friedrich szczegółowo opisywał najnowsze odkrycia i badania w dziedzinie
fizyki. Kiedy rodzice Pockelsów podupadli na zdrowiu, to na Agnes spadł
obowiązek opieki nad nimi. Chcąc nie chcąc, Agnes zamiast w wymarzonym
laboratorium większość czasu spędzała w kuchni. A skoro tak, to interesujące ją
badania i eksperymenty trzeba było przeprowadzać właśnie tam, przy naczyniach z
wodą i mydlinami. Podczas codziennych, kuchennych czynności ciekawska Agnes
przyglądała się, jak zachowują się drobinki brudu na powierzchni wody i jak
sytuacja się zmienia, kiedy do wody dostaną się środki czyszczące. Każda okazja
jest dobra, by snuć naukowe dociekania nad tym, jak działają różne rzeczy i
dlaczego. W przypadku Agnes Pockels zwykłe mydliny, które dla
większości ludzi nie miałyby wartości naukowej, okazały się kluczem do nowych
odkryć w dziedzinie fizyki, a później także – chemii.
Na pewno nie raz w czasach
szkolnych wykonywaliście doświadczenia, podczas których rozsypywaliście zmielony
pieprz lub kładliście lekki spinacz biurowy na powierzchni wody w dowolnym
naczyniu. Dlaczego ziarenka pieprzu czy spinacz nie zanurzają się w wodzie (a
przynajmniej nie od razu)? Woda składa się z maleńkich cząsteczek, które z
każdej strony się do siebie przyciągają. Cząsteczki, które znajdują się na
powierzchni, nie sąsiadują od góry z innymi cząsteczkami. Dzięki temu są
silniej przyciągane przez swoje sąsiadki od dołu i z boków. To powoduje, że
powierzchnia wody jest napięta – tworzy się na niej coś w rodzaju błonki, przez
którą trzeba się „przebić”, by móc się zanurzyć. Zjawisko to nazywa się
napięciem powierzchniowym – zawdzięczamy mu np. kulisty kształt kropel wody
oraz powstawanie tzw. menisku, czyli charakterystycznego zakrzywienia
powierzchni cieczy w naczyniu. Idę o zakład, że każdy choć raz takie
zakrzywienie widział, albo w wersji wklęsłej, albo wypukłej. Menisk wklęsły
powstaje wówczas, gdy siły przylegania (adhezji) pomiędzy cząsteczkami cieczy a
ściankami naczynia są większe od sił oddziaływań między cząsteczkami cieczy –
zobaczymy go w probówce, do której nalejemy nieco wody. Kiedy jest odwrotnie,
czyli siły wzajemnych oddziaływań cząsteczek cieczy (siły spójności) przeważają
nad siłami przylegania, tworzy się menisk wypukły. Tak zachowuje się np. rtęć
w szklanych naczyniach. Aby zobaczyć menisk wypukły w wykonaniu wody,
wystarczy pipetą upuścić kroplę wody na monetę lub napełnić wodą naczynie
szklane po brzegi, pozwalając, by słup wody wystawał nieco ponad krawędź
naczynia.
Fakt, że stara dobra woda
charakteryzuje się dużym napięciem powierzchniowym niesie za sobą kilka
interesujących konsekwencji. Znamy je z codziennego życia, bo przecież dobrze
wiemy, że samą wodą ani się nie umyjemy, ani tym bardziej niczego nie
upierzemy. Dzięki napięciu powierzchniowemu woda nie atakuje brudu, który trzyma
się powierzchni talerzy, ubrań czy ciała ludzkiego, a po prostu po nim spływa. Sytuację
na pewno nieco poprawi podgrzanie wody, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury
spada napięcie powierzchniowe cieczy. Jednakże do osiągnięcia pełni sukcesu dobrze
jest mieć pod ręką jakiś detergent lub mydło – określamy je jako substancje
powierzchniowo czynne.
Zjawisko napięcia powierzchniowego wykorzystują niektóre owady, np. nartnik. Autor zdjęcia Markus Gayda, licencja CC BY-SA 3.0
Kuchenne eksperymenty, czyli rzecz o
wannie
Używając do swoich obserwacji
początkowo zwykłej balii z wodą i guzika na sznurku, Agnes zauważyła, że
dodanie do wody mydła zmniejsza napięcie powierzchniowe, a zanurzany w wodzie
przedmiot łatwiej przedziera się przez tę powierzchniową „błonkę”. Aby jednak
dokładniej mierzyć te zależności, zaprojektowała do swoich badań aparat, który
wyglądał mniej więcej tak:
Urządzenie składało się z płytkiej rynienki, w której Agnes umieściła coś w rodzaju metalowego mostka. Kiedy mostek znajdował się pośrodku rynienki, Agnes dodawała niewielką ilość detergentu do wody po jednej stronie mostka i obserwowała, jak spadek napięcia powierzchniowego powodował przesunięcie mostka w tę stronę rynienki, gdzie powierzchnia wody pozostawała „czysta”. W kolejnych eksperymentach Agnes przesuwała mostek na różnych długościach w prawo i w lewo i dokładnie mierzyła zmiany napięcia powierzchniowego w zależności od rozmiaru zanieczyszczonej powierzchni. Trzeba było wielu prób i doświadczeń, by ustalić następujący mechanizm: użycie konkretnej ilości mydła lub oleju na małej powierzchni wody znacząco obniżało siłę napięcia powierzchniowego. Wraz ze wzrostem „zanieczyszczonej” powierzchni napięcie powierzchniowe rosło do momentu, aż osiągnęło wartość maksymalną – poza tym punktem pozostawało już bez zmian, niezależnie od tego, jak duża była badana powierzchnia. Nabiera to większego sensu, kiedy przyjrzymy się substancjom zanieczyszczającym w skali cząsteczkowej. Ta sama ilość mydlin na małej powierzchni jest bardziej skoncentrowana, a cząsteczki wody na powierzchni oddziela od sąsiadek dość gruba warstwa cząsteczek mydła. Przesuwając mostek w rynience i zwiększając zanieczyszczoną powierzchnię, powodujemy, że cząsteczki detergentu (lub oleju) się rozprzestrzeniają, tworząc coraz cieńszą warstwę, więc ich wpływ na wzajemne oddziaływania między cząsteczkami wody się zmniejsza. W końcu dochodzi do tego, że mydło tworzy na powierzchni wody warstwę o grubości odpowiadającej średnicy jednej cząsteczki. Taka warstwa cieńsza już być nie może, nawet jeśli nadal będziemy przesuwać mostek, zatem napięcie powierzchniowe już się nie zmieni.
Gospodyni domowa
zmienia oblicze chemii
Po kilku latach eksperymentowania
Agnes otrzymała list od brata, w którym Friedrich informował ją o podobnych
badaniach prowadzonych przez brytyjskiego fizyka Johna Williama Strutta,
znanego bardziej jako Lord Rayleigh. Bez zbędnej zwłoki Agnes napisała do Lorda
Rayleigha list, w którym przedstawiła wymyślone przez siebie urządzenie oraz
wyniki swoich eksperymentów i pomiarów. Uczony był pod wrażeniem i natychmiast
przesłał list do pisma naukowego Nature wraz z napisanym przez siebie
artykułem. Materiał opatrzył notką do redakcji o następującej treści: „Będę
bardzo zobowiązany, jeśli znajdziecie w swym piśmie miejsce na publikację niezwykle
interesującego listu, który otrzymałem od pewnej damy z Niemiec. Przy użyciu
prostych przedmiotów domowego użytku dokonała ona niezwykle wartościowych
obliczeń związanych ze zmianami zanieczyszczonej powierzchni wody”. List został
umieszczony w kolejnym numerze pisma, dzięki czemu doświadczenia Agnes Pockels
zyskały szerokie uznanie. Przez kolejne 30 lat Agnes opublikowała jeszcze
kilkanaście prac naukowych na temat zjawisk powierzchniowych. W 1932
amerykański fizykochemik Irving Langmuir otrzymał Nagrodę Nobla za osiągnięcia
w chemii powierzchni. Wraz ze współpracowniczką, fizykochemiczką Katharine Burr
Blodgett Langmuir badał tzw. monowarstwy, czyli warstwy danego materiału o
grubości jednej cząsteczki. W swoich badaniach Langmuir i Blodgett używali ulepszonej
wersji wymyślonego przez Agnes Pockels urządzenia, nazwanego później wanną
Langmuira–Blodgett. Sam Langmuir, już po otrzymaniu Nagrody Nobla, w jednym ze
swoich artykułów wyraził uznanie dla pionierskich badań Agnes Pockels. Nieco
później w jednej z poczytnych gazet w USA ukazał się taki komentarz:
Należy pamiętać, iż do części
osiągnięć w badaniach nad monowarstwami na ciałach stałych i cieczach, za które
Irving Langmuir otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1932 roku,
przyczyniły się pionierskie doświadczenia przeprowadzone kilkadziesiąt lat
wcześniej przez młodą kobietę bez formalnego wykształcenia, za pomocą guzika i
płytkiej brytfanny w zaciszu jej kuchni.
Bardzo
dobrany duet, czyli Langmuir i Blodgett
Był mroźny
styczeń 1898 roku, kiedy pewnego dnia do domu Państwa Blodgettów wdarł się
włamywacz. George Reddington Blodgett, prawnik zatrudniony
w General Electric, usłyszawszy hałas zszedł na dół – tam przyłapany przez
niego złodziej ranił go śmiertelnie, strzelając do niego z pistoletu. Kilka dni
później urodziła się Katharine, która przez kolejne kilka lat wraz z matką i
rodzeństwem podróżowała między Francją a Nowym Jorkiem.
W 1917 roku dawny znajomy ojca i
znamienity naukowiec, Irving Langmuir we własnej osobie, zaprosił Katharine, by
odbyła w jego towarzystwie wycieczkę po miejscu pracy Pana Blodgetta. Katharine
dopiero co ukończyła studia, ze świetnymi wynikami z fizyki i chemii. Langmuir nie chciał dopuścić do tego, by taki talent się zmarnował, więc
postanowił wziąć młodą chemiczkę pod swoje skrzydła. Rok później Katharine została
asystentką Langmuira, jako pierwsza kobieta w historii, która dołączyła do
zespołu naukowców laboratorium w General Electric. Akurat w tym czasie Langmuir
rozpoczynał prace nad udoskonalaniem wynalazku Agnes Pockels i eksperymentował
ze wspomnianymi wyżej monowarstwami. I
proszę bardzo - tutaj zaczyna się fascynujący rozdział historii przełomowych
odkryć naukowych i wynalazków, który zasługuje na oddzielny artykuł, dlatego ciąg
dalszy tej opowieści – o nauce i o nadzwyczaj barwnej parze uczonych przeczytacie
na tym blogu dokładnie 6 lipca – warto tu wtedy zajrzeć, bo będzie także co
nieco o słynnym pisarzu i jego kultowej powieści oraz o dość osobliwych
eksperymentach z pogodą…
A o Agnes Pockels oraz wielu innych wybitnych uczonych i odkrywcach, paniach i panach, przeczytacie w naszych książkach:
Komentarze
Prześlij komentarz