Lepota, ki jo razkrije šele mikroskop

Svet, skrit pred našimi očmi, ki ga razkrijejo mikroskopi, je poln znanstvenofantastičnih podob. Misel nam seveda uide na strašljive obraze žuželk, a močnejši ko je mikroskop, več zanimivih struktur razkriva v povsem vsakdanjih rečeh, ki jih lahko občudujemo s prostim očesom, kot so deli najrazličnejših cvetlic. Mikroskopi spadajo med najpomembnejšo raziskovalno infrastrukturo, z nekaj domišljije pa so lahko tudi odlično umetniško sredstvo.

Pelodna zrna navadne marjetice, 3200-krat povečana. Vsi posnetki so naknadno obarvani. FOTO: Mojca Opresnik/Kemijski inštitut

Mikroporozni aluminofosfat, 7000-krat povečan. Gre za adsorbent, uporaben v toplotnih črpalkah in hladilnih napravah. FOTO: Mojca Opresnik/Kemijski inštitut

Mojca Opresnik je operaterka na vrstičnem elektronskem mikroskopu (FE-SEM, Supra 35 VP, Carl Zeiss) na Kemijskem inštitutu, kjer je zaposlena na Odseku za anorgansko kemijo in tehnologijo. Z mikroskopom, ki lahko vidi v nanosvet, ustvarja posnetke najrazličnejših materialov, ki jih kreirajo raziskovalci, da si lahko natančneje predstavljajo zgradbo materiala, fizikalno-kemijske in druge lastnosti. Znanstveniki vsekakor mislijo zunaj okvirov, drugače bi težko odkrili kaj novega, in tudi Mojca Opresnik, ki je med drugim ljubiteljska fotografinja in avtorica otroških slikanic, se pri svojem sicer pogosto rutinskem delu prepusti fantaziji in v posnetkih išče nenavadne vzorce. Tako v strukturah novih materialov odkriva cvetlične šopke pa metlo Harryja Potterja in še marsikaj zanimivega in nenavadnega.

Porozni aluminofosfati se lahko z manjšimi kemijskimi modifikacijami uporabljajo tudi kot katalizatorji pri pretvorbah ogljikovodikov v uporabne kemikalije. Na sliki je s silicijem modificiran aluminofosfat s topologijo FAU. FOTO: Mojca Opresnik/Kemijski inštitut

Pomembna je uporabnost materiala

Sam videz novih materialov seveda ni najpomembnejši. »Gledamo predvsem na funkcionalnost. S sintezo sicer lahko v veliki meri definiraš, kakšne delce boš dobil na koncu. Če želiš nanodelce, je priprava nekoliko drugačna, kot če so cilj večji delci. Vendar pri novih materialih nikoli ni povsem jasno, kakšna bo oblika, to nato razkrije šele mikroskop. Pogosto se pojavi še kakšen stranski produkt, ki je videti zelo zanimiv, a si večina raziskovalcev primesi ne želi,« opisuje.

Porozni aluminofosfati se lahko z manjšimi kemijskimi modifikacijami uporabljajo tudi kot katalizatorji pri pretvorbah ogljikovodikov v uporabne kemikalije. Na sliki je s silicijem modificiran aluminofosfat s topologijo FAU (sliki šopek in metla). FOTO: Mojca Opresnik/Kemijski inštitut

Nekajtisočkrat velike povečave so pri tem delu zelo pomembne. »V vsakem znanstvenem članku je vsaj nekaj slik, ki podprejo teorijo, grafe, razpredelnice. Mikroskopske slike so tudi najlažji način, kako podrobnosti o materialu približati laiku. Bel prah je za oko le bel prah, pod mikroskopom pa se pokažejo razlike in vsa njihova lepota,« nadaljuje in doda, da z optičnimi mikroskopi dosegajo do največ 1000-kratne povečave, z elektronskimi pa celo do 100.000- ali 200.000-kratne, odvisno od vzorca oziroma njegove priprave za pogled pod lečami mikroskopa. Tako lahko vidijo podrobnosti, velike le nekaj nanometrov (1 nanometer je 1 milijardinka metra, to je 10^-9 m).

17-000-kratna povečava lista črne travniške detelje (Trifolium pratense L.). FOTO: Mojca Opresnik/Kemijski inštitut

Deteljici je podobna površina kovinsko-organskega poroznega materiala, ki se lahko uporablja kot adsorbent za zajem onesnažil iz okolja. FOTO: Mojca Opresnik/Kemijski inštitut

Z novejšimi transmisijskimi elektronskimi mikroskopi lahko snovi pogledamo povečane na raven molekul in atomov. »To so izjemno občutljivi mikroskopi, ki jih zmoti prav vsak tresljaj,« pojasni. »Kadar gledamo urejenost atomov in molekul, preverjamo strukturo materiala, kako so atomi med seboj povezani. Tu res vidimo najmanjši osnovni delec materiala, lahko bi rekli, da gledamo njihovo dušo,« ponazori.

Seveda pa so mikroskopske povečave le en del preučevanja, zelo pomembne so tudi komplementarne spektroskopske in difrakcijske metode, na primer rentgenska difrakcija. »Ta nam pokaže, ali je vzorec kristaliničen, mikroskop nam nato lahko razkrije, ali so zraven prisotne amorfne nečistoče.«

Mojca Opresnik in mikroskop, s katerim so nastali ti posnetki. FOTO: Jože Suhadolnik

Na odseku za anorgansko kemijo in tehnologijo izdelujejo materiale, primarno namenjene shranjevanju toplote pa za čiščenje vode in zraka, zajem vode iz zraka, za čiščenje izpušnih plinov, za ločevanje in absorpcijo plinov in drugo. Kot pravi Mojca Opresnik, je sinteza novih materialov vedno večji izziv. »Težimo k zeleni kemiji, z uporabo manj škodljivih reaktantov in topil, vendar se vloženi trud poplača, saj so ti materiali v osnovi namenjeni za zaščito narave.«

Reproduktivni organi navadne marjetice (Bellis perennis). FOTO: Mojca Opresnik/Kemijski inštitut  

Povpraševanje po učinkoviti predelavi biomase je pospešilo razvoj okolju prijaznih heterogenih katalizatorjev, kakršen je mezoporozni silikat, modificiran SBA-15, ki se uporablja tudi za številne reakcije pretvorb v organski kemiji. FOTO: Mojca Opresnik/Kemijski inštitut

Znanstveni ustvarjalni proces se vedno začne z veliko branja. »Najprej prebiramo članke, kaj je že bilo narejeno, da dobimo zasnovo, v katero smer gremo z novim materialom. Sama priprava materiala lahko traja en dan ali pa nekaj dni, potem se spreminja pogoje, denimo časovno komponento pa temperaturo, vnos posameznih kemikalij. Kemiki smo kot inovativni kuharji,« se nasmehne sogovornica in doda, da je pri njihovem delu tudi veliko neuspehov. Poudari še, da je njihovo delo usmerjeno predvsem v izboljševanje kakovosti življenja. »Kemija ni nekaj slabega. Pa še zabavna je.«

Struktura morskih koral je podobna nosilcu katalizatorja makroporoznega ogljika. FOTO: Mojca Opresnik/Kemijski inštitut

Makroporozni ogljik je lahko primeren nosilec za različne katalitsko aktivne komponente, priprava pa poteka z uporabo polimernih templatov. FOTO: Mojca Opresnik/Kemijski inštitut

Povsem za zabavo je začela v posnetkih izpod mikroskopa iskati zanimive vzorce. V človeški naravi je, da radi prepoznavamo oblike, pomislite, kolikokrat ste v oblakih poiskali kakšen obraz ali pa nenavadnega zmaja, ki bruha ogenj.

Organsko in anorgansko

Vzniknilo je zanimivo vprašanje, ali lahko podobnosti najde tako v anorganskih, torej neživih, kot v organskih oziroma živih snoveh. Tudi njo je presunilo, kako so si reči podobne. »Presenetil me je red snovi. Pri iskanju primerjav sem opazila, da je osnovni delec pogosto krogla. Pri vodnih kapljicah je kroglasta oblika posledica površinske napetosti in tudi v svetu trdnih snovi razmerje med površino in velikostjo delca igra pomembno vlogo pri njihovem delovanju in uporabi. Bistvena pa je urejenost snovi. Tako v živi kot v neživi naravi so stvari simetrične, urejene na način, ki zagotavlja stabilnost in funkcionalnost. Primerov je veliko, listi so simetrični, človek je simetričen z levo in desno polovico. Lahko da gre le za srečo pri izbiri materialov za primerjavo, ampak res je zanimivo, da so si nekateri vzorci iz žive in nežive narave tako zelo podobni,« opisuje vtise iz podob, ki jih je preučila pod mikroskopom.

Cvetni prah navadne travniške marjetice, povečan 300-krat. FOTO: Mojca Opresnik/Kemijski inštitut

Zeolit P je porozni aluminosilikat, ki se je zaradi svoje strukture in primerne velikosti por izkazal kot odličen za uporabo pri katalitskem krekingu pri predelavi nafte in v ionskih izmenjavah. FOTO: Mojca Opresnik/Kemijski inštitut

»Pod mikroskopom sem seveda pogledala marsikaj organskega in se zavedela podobnosti. Potem je iskanje primerjav postalo nekakšen hobi in za mikroskopom sem ostajala še dolgo po končanem delu. Začela sem zbirati marjetice, različne pelode, vejice. Presenetila me je lepota koral, kako vznemirljivo je bilo videti ostanke planktona na korali. Izjemna se mi zdi deteljica, niti predstavljala si nisem, kako bi lahko bila videti pod takšno povečavo. V našem laboratoriju smo našli material, ki je videti skoraj enak. Zanimivo oblikovana površina deteljice nakazuje, kako funkcionalna je narava, da izkoristi kar se da največ sonca za fotosintezo. Oko komarja je sestavljeno iz številnih okroglih mikroskopskih leč, organiziranih v ukrivljenem nizu, in je na moč podobno našemu katalizatorju.«

Tako je pod mikroskopom videti komarjevo oko. FOTO: Mojca Opresnik/Kemijski inštitut

Strukturi očesa je podobna oblika polimernega templata za odlitek makroporoznega ogljika. FOTO: Mojca Opresnik/Kemijski inštitut

S kolegi je odkrivala, da so pogoste strukture tudi šesterokotne, sem ter tja kvadratne, kar je posledica različne razporeditve in vrste atomov. Iskanje ustreznic med živo in neživo naravo ni bilo povsem enostavno, vendar je hkrati vedno znova našla igrivo in simpatično naravo kemije.

Tako so videti vzorčki organskih snovi. FOTO: Jože Suhadolnik

Kakšne pa so glavne razlike med naravnimi in umetnimi materiali? »Vzorci iz žive narave so predvsem zelo krhki, mehki, kar se tudi vidi pod mikroskopom, saj jih vakum stisne in splošči. Anorganski vzorci pa so trdni, kompaktni in večinoma temperaturno obstojni. S pregledovanjem različnih snovi sem na naravo začela gledati drugače, vse bolj sem se zavedala, kako je krhka in da jo moramo varovati.«