Nanotechnologia jako przypis do Platona
W jednym z ostatnich numerów Nature* grupa autorów ogłosiła, że udało im się wyprodukować – po raz pierwszy na świecie – stabilne chemicznie nanocząstki srebra. Artykuł jest interesujący z wielu powodów; jednym z nich jest ten, że na drugiej stronie pada imię Platona.
Kilka słów wstępu. Nanocząsteczki to – jak łatwo wywnioskować – grudki materii tak małe, że ich wymiary wyraża się w nanometrach. W tym przypadku mówimy o dolnej granicy tego zakresu, ponieważ wyhodowane przez autorów cząstki mają ledwie 1,5 nm średnicy i składają się z dokładnie 44 atomów srebra oraz pewnej ilości atomów tworzących otoczkę. Ponieważ opisywana w tekście procedura chemiczna jest bardzo wydajna, na pierwszej stronie z dumą zamieszczono zdjęcie pokaźnej kupki bardzo drobnego czarnego proszku – i trzeba powiedzieć szczerze, że nowy szczyt nanotechnologii wygląda po prostu jak sadza.
Duma autorów wynika z faktu, że nanocząstki notorycznie trudno wyhodować: przy wytrącaniu jakiegokolwiek składnika z roztworu – a taką strategię w tym wypadku stosowano – kolejno krystalizujące atomy mają tendencję do przylepiania się do już istniejących ziarenek, zwanych z tej racji zarodkami krystalizacji. Powstaje więc rosnąca populacja kryształków, z których każdy rośnie tak długo, jak tylko w otoczeniu znajdują się odpowiednie atomy – trudno więc uzyskać grudki fazy stałej składające się wyłącznie ze ściśle określonej liczby atomów. To w sumie logicznie: dlaczego niby pływające w roztworze atomy srebra, zmuszone do opuszczenia fazy płynnej i włączania się w sieć krystaliczną, miałyby przestać dołączać się do pływających wokół zarodków wtedy, gdy zaczną one zawierać, przykładowo, równo 44 atomy srebra? Co miałoby powstrzymać 45. atom przed dołączeniem się do zarodka?
Cała ciężka praca nanotechnologa polega na tym, żeby zmusić atomy do robienia ściśle tego, co jest od nich wymagane – jednak nie na drodze popychania każdego z osobna i ręcznego wklejania na odpowiednie miejsce, tylko na drodze „makroskopowych” procedur chemicznych. Rzut oka na techniki stosowane przez autorów pracy – które zgodnie ze współczesną etykietą trzeba opisać w aneksie do artykułu – daje wgląd w zaskakująco „swojski” warsztat współczesnego nanotechnologa: dodać azotanu srebra, podnieść pH do 9, potem do 12, napuścić parę kropelek kolejnego odczynnika, intensywnie przy tym mieszając, inkubować przez godzinę… nic, co zadziwiłoby polskiego renesansowego alchemika Sędziwoja.
Różnica polega na tym, że dzięki doskonałej znajomości struktury atomowej materii i możliwości symulowania jej na komputerach możliwe jest sterowanie naturalną skłonnością atomów do samoorganizowania się w celu utworzenia precyzyjnie ustalonej konfiguracji atomów. Sędziwój uzyskiwał najrozmaitsze kryształy, wytrącenia i osady, które w skali nanometra prezentowały się tak, jak pragnęła natura. Dziś możliwe jest zmuszanie materii do konfigurowania się ściśle tak, jak tego zapragniemy. W opisywanym tu przypadku doczepione do atomów srebra grupy boczne zamykają się spontanicznie w ściśle określonym momencie do postaci szczelnej klatki, blokując dostęp kolejnym atomom do srebrnego „jądra”.
Na cóż tak się starać? Nanocząstki tego typu stosowane są m.in. w urządzeniach optycznych, panelach słonecznych i innych zaawansowanych układach elektronicznych, ale prawdziwie „gorącym” obszarem badań jest wykorzystywanie ich w medycynie. Prowadzone są już obiecujące próby tworzenia „nanomaszyn” chemicznych nadbudowanych na nanocząstkach metalicznych (takich jak opisywane tu nanocząstki srebra, jednak częściej opartych na atomach złota), które są w stanie dostarczać cząsteczki leków do ściśle określonych komórek organizmu lub wręcz do ściśle określonych miejsc wewnątrz tych komórek. Szczególnie emocjonujące są perspektywy tego typu „inteligentnej” terapii w onkologii.
No dobrze – skąd ten Platon? Analizując strukturę atomową uzyskanej nanocząstki, autorzy odkryli, że atomy srebra tworzą układ poprzytulanych do siebie „klatek” w kształcie tzw. brył platońskich. Platon, rozważając idealne pod względem geometrycznym i filozoficznym twory geometryczne, opisał 5 brył spełniających ścisłe wymogi geometrii, a jednocześnie piękna i harmonii: czworościan, sześcian, ośmiościan, dwunastościan oraz dwudziestościan. Okazuje się, że w owych szczególnie stabilnych nanoczątkach srebra swoją dokładną realizację w formie konfiguracji atomów odnajdują aż cztery spośród tych pięciu brył.
Filozoficzne znaczenie tego faktu jest porażające. 2500 lat temu pewien brodaty Grek uznał, kierując się znanymi ówcześnie prawami geometrii, oraz specyficznie rozumianą wizją świata „wiecznych form”, że pięć trójwymiarowych układów punktów – bo bryłę można przedstawić przy pomocy współrzędnych jej wierzchołków – cechuje się szczególnego typu ważnością. Dość powiedzieć, że elementy żywiołów – wodę, ziemię, ogień i powietrze – wyobrażano sobie czasem jako bryły platońskie, a platoński Timajos zawiera ich bliższą kosmologiczną interpretację. Dziś, po latach wysiłków i żmudnej pracy w najnowocześniejszych laboratoriach świata, na ekranie komputera dane z krystalografii rentgenowskiej pokazują nam, że atomy układają się w te same bryły, które tak zafascynowały starożytnych.
Można – i trzeba! – poszukiwać wyjaśnienia tego „zbiegu okoliczności” z punktu widzenia współczesnej fizyki atomu; zwłaszcza, że pojawianie się brył platońskich w stabilnych układach nanometrowych rozmiarów nie jest nowością. Skąd więc to powiązanie między geometryczną regularnością a trwałością fizyczną?
Stabilne konfiguracje atomów to takie, w których siły działające na poszczególne atomy nie tylko są odpowiednio duże, ale również równoważą się, tj. nie ma w sieci „słabych punktów”. Gdy atomy rozłożone są regularnie, każdy z nich „odczuwa” podobne uśrednione oddziaływanie pozostałych atomów – układ pozostaje więc w równowadze. Problem nie kończy się jednak na geometrii. W grę wchodzi również reaktywność chemiczna, ta zaś wynika z układu i wypełnienia orbitali elektronowych. Autorzy cytowanej pracy szczegółowo opisują konfigurację elektronową uzyskanej nanocząstki, podpierając się symulacjami komputerowymi wykorzystującymi kwantową teorię pola do przewidywania rozkładu gęstości elektronów w otoczeniu cząstki. Z jakiegoś powodu również i z tego punktu widzenia bryły platońskie wydają się „działać”.
To w zasadzie tyle. Tekst ten zrodził się po prostu ze zdziwienia, że w technicznym tekście z zakresu nanotechnologii w 2013 roku pojawia się imię Platona. W tekstach naukowych i filozoficznych wypada czasem „zacząć od Platona” – żeby błysnąć erudycją albo dorobić trochę historii i „głębi” do nieszczególnie wdzięcznego tematu. W tym wypadku brodaty filozof wychylił swoją głowę spontanicznie. Wywołała go z głębin przeszłości pewnego typu trwała nitka intelektualna, wplątana w problematykę harmonii, stabilności, symetrii i bardzo szczególnie rozumianego „dobra”, która w niemalże namacalny sposób wiąże ze sobą geometrię, filozofię przyrody, zmatematyzowaną fizykę oraz „naukę o świecie” jako taką.
Łukasz Lamża
* Nature, Vol. 501, 19.09.2013; A. Desireddy et al.: Ultrastable silver nanoparticles, 399-402