Magiczny błękit: Naukowcy opracowali barwniki, które świecą w czaszce

Egipcjanie wymyślili kolor niebieski. Sugerują to starożytne niebieskie szklane paciorki. Znaleziono je w grobowcu datowanym na około 3300–3500 p.n.e. Później pigment znaleziono również w hieroglifach: wyrzeźbiono je na przykład w Piramidzie Unisa w Sakkarze i wypełniono pigmentem. Faraonowie najwyraźniej mieli nienasycony popyt na tak zwany „egipski błękit”. Według szacunków potrzebowali około 1,4 tony, aby ozdobić jedną świątynię.

Starożytni Rzymianie nazywali pigment „caeruleum”, co po łacinie oznacza „kolor nieba”. Najstarszy zapisany przepis na jego produkcję pochodzi od architekta o imieniu Witruwiusz. Zapisał go około 30 lat przed początkiem naszej ery: „Piasek i sól są mielone tak drobno, że powstaje produkt przypominający mąkę. Miedź jest pocierana o mieszankę grubymi pilnikami, takimi jak trociny”.

Następnie kule należało formować ręcznie i umieszczać w glinianych naczyniach w gorącym piecu. „Gdy tylko miedź i piasek [. . .] połączą się pod wpływem intensywności ognia, wchłaniają nawzajem swój pot” – kontynuował Witruwiusz. „W ten sposób tracą swoje poprzednie właściwości i nabierają niebieskiego koloru”.

Bez tego ogromnego wysiłku, błękit był nieosiągalny. Barwa nieba pigmentu nadawała freskom i mozaikom jaskrawe, niebieskie odcienie, których daremnie szukano by w malowidłach z wczesnej epoki kamienia na ścianach jaskiń Lascaux lub Altamira. W tamtych czasach ludzie musieli zadowolić się tym, co było dostępne: ochrą i węglem drzewnym. Niebieskie barwniki nie były wśród nich, ponieważ są rzadkie.

Dzieje się tak, ponieważ pigment musi odbijać niebieskie światło i jednocześnie absorbować czerwone światło. Jednak czerwone promienie są promieniami o najdłuższej długości fali w widzialnym spektrum – i dlatego mają najniższą energię. „Absorbowanie takich promieni wymaga cząsteczek ze specjalnymi przejściami elektronowymi” – mówi Robert Nissler z ETH w Zurychu. W błękicie egipskim i innych niebieskich lub fioletowych pigmentach mineralnych zadanie to wykonują jony miedzi. „Są one świetlistymi centrami w sieci krystalicznej” – mówi Nissler.

Nanonaukowiec wraz z kolegami z Uniwersytetu w Zurychu, Empa i Niemiec opracował wyrafinowany proces produkcyjny, aby tworzyć fundamentalnie nowe pigmenty kolorów. Nowy niebieski ma potencjał, aby odegrać ważną rolę w badaniach nad udarem i monitorowaniu trwałości stawów zastępczych. Badacze informują. w czasopiśmie specjalistycznym «Advanced Materials » .

Jednakże to było tylko marginalnie o kolorze niebieskim. Ich zainteresowanie skupia się na innym aspekcie, który archeolodzy zauważyli po raz pierwszy prawie 30 lat temu: egipski błękit nie tylko pochłania czerwone światło, ale także ponownie emituje znaczną część przechwyconej energii w niewidzialnym zakresie podczerwieni. Chemicznie blisko spokrewniony „Han Blue” ze starożytnych Chin również ma tę właściwość. Oznacza to, że starożytne barwniki świecą.

Dzięki temu można je łatwo wykryć za pomocą instrumentów, które czynią promieniowanie podczerwone widocznym – bez uszkadzania cennych starożytnych znalezisk. W swoim artykule naukowcy opisują je jako „optycznie czynne” cząsteczki. „Promieniowanie podczerwone sprawia, że ​​te barwniki są tak wyjątkowe i niepowtarzalne” – mówi Nissler.

Na styku światła i materii nawet najmniejsze zmiany w otoczeniu jonów miedzi wpływają na odcień błękitu i podczerwoną poświatę. Na przykład nieco jaśniejszy błękit egipski zawiera dodatkowe jony wapnia, podczas gdy nieco bardziej fioletowy błękit Han zawiera jony baru, które są nieco większe, co nieznacznie zniekształca sieć krystaliczną.

Aby wyprodukować nowe pigmenty kolorowe, eksperci wykorzystali do procesu, który istnieje dopiero od dwudziestu lat. Chociaż metoda jest wysoce nowoczesna, wydaje się prawdziwą alchemiczną grą kolorów: w tak zwanej syntezie płomieniowej zielone soki są przekształcane w niebieski lub fioletowy proszek.

W pierwszym kroku naukowcy rozpuszczają metale ziem alkalicznych, takie jak wapń, bar lub stront w rozpuszczalnikach organicznych. Następnie wstrzykują te zielone płyny do płomienia rozgrzanego do kilku tysięcy stopni. W tym cieple rozpuszczalniki natychmiast odparowują.

Pozostają metale ziem alkalicznych, które zlepiają się na filtrze nad płomieniem, tworząc maleńkie, niebieskozielone ziarenka. Te grudki, wielkości około 30 nanometrów, umieszczane są następnie w piecu nagrzanym do około 1000 stopni Celsjusza na dziesięć minut, gdzie ostatecznie tworzą się minerały — i pojawiają się krystaliczne, niebieskie lub fioletowe pigmenty.

W przeciwieństwie do konwencjonalnych procesów produkcyjnych, synteza płomieniowa pozwala na niemal dowolne łączenie różnych metali ziem alkalicznych w pigmencie, wyjaśnia Nissler. Naukowcy wyprodukowali w ten sposób dziesiątki nowych barwników. Jego ulubiony odcień — „szczególnie intensywny ciemnoniebieski” — powstaje przez połączenie równych części baru i strontu, mówi nanonaukowiec.

W swoich badaniach eksperci dodatkowo zmodyfikowali proces produkcji – i odkryli na przykład, że temperatura pieca i czas spędzony w piecu determinują kolor powstających kryształów pigmentu. Częstotliwości, z jakimi pigmenty świecą w zakresie podczerwieni, zależą również od tych parametrów.

Im jaśniejsza i dłuższa długość fali światła podczerwonego, tym lepiej. Dzieje się tak, ponieważ zaczynając od długości fali około 1000 nanometrów, otwiera się tzw. okno przezroczystości: promieniowanie o tej długości fali przenika tkankę biologiczną bez pochłaniania przez czerwoną hemoglobinę lub wodę. Pozwala to na przechwycenie go na drugim końcu ciała i wykorzystanie do obrazowania.

W rzeczywistości eksperci odkryli mieszankę trzech metali, z których wytwarzają „ultrajasne” pigmenty, które świecą dokładnie przy pożądanej długości fali. „Używając nowej metody, wyprodukowaliśmy materiał, który świeci dziesięć razy jaśniej niż obecnie dostępne pigmenty” — mówi Nissler.

Naukowcy są przekonani, że nowy materiał może być stosowany jako rodzaj środka kontrastowego. Rozpuścili pigmenty w wodzie i wstrzyknęli je do krwi myszy. Barwnik świecił przez nienaruszone czaszki myszy. Za pomocą kamer na podczerwień naukowcy byli w stanie zaobserwować nie tylko dokładnie, gdzie przebiegają naczynia krwionośne w mózgu, ale także, jak szybko krew przepływa przez te naczynia.

Takie informacje są ważne dla badań nad udarem mózgu, wyjaśnia Nissler. Mogą one dostarczyć informacji o tym, jak szybko przepływ krwi powraca do normy po rozpuszczeniu skrzepu, usuwając tym samym blokujący korek. Nissler ma również na myśli inne możliwe zastosowanie. Cząsteczki mogłyby na przykład zostać dodane do ceramicznych protez biodra lub kolana. Jeśli małe cząsteczki oderwą się od protezy z powodu zużycia, chirurdzy mogliby je łatwo wykryć i usunąć za pomocą kamer na podczerwień.

Te opcje są jeszcze bardzo odległe. Na razie eksperci — z grupą w Empa pracującą nad nanotoksycznością — chcą przetestować, jak toksyczne są jasnoniebieskie pigmenty. Prawdopodobnie minie trochę czasu, zanim dalszy rozwój egipskiego błękitu będzie mógł pomóc ludziom w kłopotach zdrowotnych. Ale po ponad 5000 lat to czekanie nie jest szczególnie ważne.

Artykuł z « NZZ am Sonntag »