Patrzyli przez mikroskop i zmienili eksperyment. Samym patrzeniem

Mikroskop miał tylko pokazywać przebieg reakcji. Okazało się, iż elektrony i promieniowanie rentgenowskie kierują ją w dwie różne strony.

Mieli obserwować tę samą reakcję chemiczną na dwa różne sposoby. Zamiast tego dostali dwa różne wyniki. Gdy do próbki zaglądali dzięki elektronów, na kostkach tlenku miedzi osadzało się złoto. Gdy używali promieniowania rentgenowskiego, miedziane wnętrze znikało i zostawały puste złote pudełka. Różnica nie wynikała jednak ani z błędu, ani z przypadku. Polscy naukowcy pokazali, iż narzędzie używane do obserwacji samo ingerowało w eksperyment.

Ta sama próbka, a na końcu coś zupełnie innego

Badacze z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN, Uniwersytetu Warszawskiego i Uniwersytetu Jagiellońskiego pracowali z maleńkimi kostkami tlenku miedzi(I), czyli Cu2O. Umieścili je w roztworze zawierającym związki złota i śledzili reakcję, w której złoto osadza się na powierzchni kostek, a miedź może stopniowo przechodzić do roztworu.

Jeśli oba procesy przebiegają równocześnie, to rezultat jest naprawdę okazały. Złoto tworzy zewnętrzną strukturę, a znajdujący się w środku tlenek miedzi znika. Zostaje więc coś przypominającego mikroskopijne, puste pudełko wykonane ze złota. Zespół chciał dokładnie zobaczyć, jak taka przemiana zachodzi.

W pierwszym eksperymencie wykorzystano transmisyjny mikroskop elektronowy przystosowany do badania próbek w cieczy. To niezwykle trudne technicznie, ponieważ klasyczny TEM pracuje w próżni, a woda w takich warunkach natychmiast by odparowała. Roztwór trzeba więc zamknąć w mikroskopijnej komorze oddzielonej od próżni niezwykle cienkimi membranami. Przez próbkę przechodzi wtedy wiązka elektronów.

Drugi eksperyment przeprowadzono natomiast z wykorzystaniem miękkiego promieniowania rentgenowskiego. Tu do gry wszedł krakowski synchrotron SOLARIS. Zamiast elektronów próbkę skanowała skupiona wiązka fotonów. Początek reakcji był bardzo podobny. Koniec już zdecydowanie nie.

Elektrony zrobiły powłokę. Fotony wydrążyły pudełko

Pod wiązką elektronów złoto rzeczywiście zaczęło osadzać się na kostkach. Tlenek miedzi pozostawał jednak w środku. W efekcie powstawała struktura z miedzianym rdzeniem otoczonym złotem.

Pod promieniowaniem rentgenowskim reakcja poszła dalej. Złoto osadzało się na zewnątrz, ale jednocześnie tlenek miedzi był utleniany i stopniowo rozpuszczał się w cieczy. Gdy proces dobiegł końca, po pierwotnej kostce został pusty obiekt bogaty w złoto. Naukowcy obserwowali więc te same substancje i zasadniczo tę samą reakcję, ale sam sposób wykonywania pomiaru zmieniał produkt końcowy. Nie chodzi tutaj o słynny kwantowy efekt obserwatora, w którym sam pomiar wpływa na stan badanego układu. Wyjaśnienie jest znacznie bardziej namacalne. Winna okazała się woda.

Zarówno elektrony, jak i fotony rentgenowskie niosą energię. Kiedy trafiają w wodę, mogą rozrywać jej cząsteczki. Proces nazywa się radiolizą. Z H2O zaczynają wtedy powstawać bardzo reaktywne składniki chemiczne. Zmienia się lokalne środowisko wokół badanej nanocząstki: jego kwasowość, zdolność do odbierania elektronów i zdolność do ich oddawania. I właśnie tutaj drogi dwóch mikroskopów się rozchodzą.

Wiązka elektronów tworzyła w badanym układzie bardziej kwaśne środowisko. Takie warunki sprzyjały redukcji jonów złota i odkładaniu metalu na powierzchni kostki, a jednocześnie hamowały utlenianie i rozpuszczanie tlenku miedzi. Promieniowanie rentgenowskie nie powodowało tak silnego zakwaszenia, a powstające środowisko bardziej sprzyjało utlenianiu miedzi. Kostka mogła więc stopniowo znikać, podczas gdy na jej miejscu pozostawała zewnętrzna złota konstrukcja. Mikroskop nie zmieniał więc reakcji w jakiś tajemniczy sposób. Dostarczał energię, która uruchamiała dodatkowe reakcje w cieczy. Te z kolei zmieniały warunki chemiczne dokładnie tam, gdzie naukowcy próbowali zajrzeć.

Naukowcy specjalnie zmienili warunki i efekt się odwrócił

Badacze nie poprzestali jednak na porównaniu dwóch obrazów. o ile rzeczywiście wszystko zależało od lokalnej chemii wywoływanej przez wiązkę, powinni być w stanie zmusić eksperyment prowadzony pod elektronami do zachowania podobnego do tego obserwowanego pod promieniowaniem rentgenowskim. Do roztworu dodali więc wodorotlenek sodu, zmieniając jego odczyn.

Tym razem również pod wiązką elektronów tlenek miedzi zaczął się rozpuszczać i powstawały puste struktury. To był naprawdę mocny argument za proponowanym mechanizmem. Dodatkowo zespół przeprowadził modelowanie obejmujące transport jonów, reakcje na powierzchni nanocząstek i radiolizę wody. Obliczenia zgadzały się z obserwowanym kierunkiem zmian.

Odkrycie ma tak naprawdę ogromne znaczenie daleko wykraczające poza złoto i tlenek miedzi. Mikroskopia prowadzona w cieczy pozwala dziś oglądać procesy, których jeszcze niedawno nie dało się śledzić bezpośrednio: wzrost nanocząstek, korozję, reakcje katalityczne czy przemiany materiałów używanych w energetyce. To ogromna zaleta. Zamiast zatrzymywać eksperyment po kilku sekundach, wyciągać próbkę i sprawdzać, co się zmieniło, można obserwować proces niemal na żywo.

Tyle iż jest pewien warunek. Trzeba mieć przede wszystkim pewność, iż to, co widzimy, wydarzyłoby się również wtedy, gdybyśmy nie patrzyli. Nowa praca pokazuje, iż nie zawsze można to założyć. Wiązka, jej energia i dawka nie są wyłącznie ustawieniami aparatury odpowiedzialnymi za jakość obrazu. W pewnych eksperymentach trzeba traktować je jak kolejny składnik reakcji. o ile zostaną dobrane źle albo ich wpływ zostanie pominięty, naukowiec może bardzo dokładnie sfotografować zjawisko, które częściowo sam wywołał.

Jak już wcześniej pisaliśmy, współczesne metody obrazowania schodzą dziś poniżej skali pojedynczych atomów i pozwalają rekonstruować choćby trójwymiarowe orbitale elektronów. Im głębiej jednak zaglądamy w materię, tym mniej przypomina to zwykłe robienie zdjęcia. Żeby wydobyć informację z próbki, trzeba wejść z nią w fizyczną interakcję.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI