A Hét 1984/1 (29. évfolyam, 1-27. szám)

1984-04-13 / 16. szám

Tudomány-technika ATOMOK A TŰHEGYEN fia IBM négy svájci kutatója Rüschlikon­­ban többet akart tudni a sok bosszúságot okozó rozsdáról. Hogy céljukat elérjék, megépítették a világ legnagyobb felbon­tóképességű mikroszkópját, amely telje­sen új elven: az alagútáram jelenséget hasznosítva működik. A tárgyak felszínén lévő, majdnem felfogha­tatlanul finom részleteket is láthatóvá teszi az a különleges műszer, amelyet nemrégiben mutattak be a tudományos világnak. A há­romdimenziós kép, amelyet készít, a tökéle­tesen sima tárgyak felületét is szabályosan hullámzó, dimbes-dombos tájnak mutatja, amelyet helyenként szakadékok szelnek át. Ezek mindössze egy atomnyi magasságúak, illetve mélységűek. Még a legjobb elektron­­mikroszkópok sem tudnának ilyen részlete­ket feltárni. Eltűnnek a hullámvölgyben A fizikusok régóta tudják, hogy az atomok hogyan rendeződnek rácsszerkezetbe, ho­gyan lépnek kölcsönhatásba idegen atomok­kal, és mi történik, ha az anyagot erősen hevítik. Arról viszont viszonylag kevés infor­mációjuk van, hogy a felületi atomoknak, amelyeknek az egyik oldalról nincsen szom­szédjuk, milyen kötései alakulnak ki. Pedig éppen itt, ebben az atomnyi réteg­ben megy végbe az a folyamat, amely miatt naponta bosszankodunk, főleg, mert keveset tehetünk ellene. Ha a kocsink rozsdásodik, az lényegében felületi folyamat. Vagy az, amikor a gyújtógyertya elektródja oxidálódik, s emiatt nem keletkezik szikra, és nem indul be a motor, szintén felületi folyamat. Ugyan­ez az oka annak, ha a félvezető-techniká­ban érintkezési hiba miatt a berendezések időnként üzemképtelenné válnak. Hogy ilyenkor pontosan mi történik, de főként, hogy miért, erre volt kíváncsi a svájci IBM kutatólaboratórium négy munkatársa, Gerd Binnig, Heinrich Rohrer, Christoph Gerber és Edmund Weibel. Kezdettől fogva világos volt: az atomot, az atommagot, az elektronokat olyan megvilá­gításban látni, ahogy a környező világot szoktuk, sohasem lehet. A fény hullámhosz­­sza túl nagy, az atomok egyszerűen eltűnnek a hullám völgyeiben. Elektronsugarak alkal­mazása sem jöhet szóba, hiszen azzal éppen azokat a struktúrákat rombolnánk szét, ame­lyeket meg akarunk figyelni. Maradna még a mechanikus letapogatás egy finom hegyű tűvel. Ez a próbálkozás azonban a környezet állandó rezgései miatt eleve kudarcra van ítélve, arról nem is be­szélve, hogy eszközeink fölöttébb tökéletle­nek. Az atomi méretekhez képest a legfino­mabb tűhegy is valóságos faltörö kos. És mégis ez az elv vezetett el a sikerhez. A négy kutató olyan letapogató rendszert épített, amely annyira rázkódásmentes, hogy 1 száz­milliomod milliméter mérhető vele,’ és az érzékelője elég finom ahhoz, hogy akár egyetlen atomot is kimutasson. Sétáló tűk rajza Ez a mikroszkóp lencse nélkül működik. Nincs fényérzékeny lemeze vagy fluoreszkáló ernyője a tárgyról visszaverődő elektronok felfogására, mint az elektronmikroszkópnak. Titka egy különleges fizikai hatás, amelyet már 1928-ban megjósoltak. Ez az alagút­áram. Ha egy árammal táplált fémtüt 10 JEAN BAPTISTE DUMAS (1800-1884) A kép. amelyet a szupermikroszkóp a képer­nyőre rajzol, úgy fest, mint egy geológiai szelvény makettje, csakhogy itt a hegyek atomnyi anyagmorzsákból állnak, és a köztük húzódó völgyek mélysége sem több néhány tízmilliomod milliméternél angströmnyi, vagyis egymilliomod millimé­­ternyi távolságra közelítünk egy villamos fe­szültség alatt levő felülethez, a két test között elektronnyaláb ver hidat. Ez az elekt­ronáramlás voltaképp egy igen finom érzéke­lő, hiszen átmérője csupán néhány tízmilli­omod milliméter. Van még egy lényeges tulajdonsága ennek a sugárnak: a tű csúcsa és a vizsgált felület közötti távolság függvé­nyében változik az átfolyó áram erőssége. Méghozzá jelentős mértékben, hiszen példá­ul már egy tízmilliomod milliméteres közele­dés is a korábbiak tízszeresére növeli ezt az értéket. Könnyű elképzelni, hogy egy ilyen érzé­keny rendszerre akár a halkan kimondott em­beri szó hanghullámai, akár egy lépés keltet­te rázkódás milyen hatással lennének. Ezért a méréseket vákuumban végzik, maga a készülék pedig egy mágneses kazettában lebeg. A berendezés tervezői az alagútáram-je­lenség hasznosítására két utat is választhat­tak. Az egyik: a tű csúcsát állandó magas­ságban sétáltatják végig a felület fölött, és a tényleges felszín „domborzatát" jellemző változó távolságok okozta változó áramerős­séget mérve rajzolják föl a képet. A másik lehetőség: állandósítani az áramerősséget, és az ehhez tartozó, folyvást változó távolsá­gokat mérni. A megoldást a piezo-elektromos anyagok alkalmazása jelentette. Ez a félvezető a rajta átbocsátóit áram feszültségével arányosan változtatja méreteit. A belőle készült mérő­bélyeg hossza egy tizmilliomod egységnyit nyúlik vagy rövidül egy volt (IV) feszültség­változás hatására. Ez pedig kisebb, mint az atomátmérö, tehát éppen az a mérettarto­mány, amelyet a kutatók kerestek. így rajzolja föl a tű, miközben a vizsgált minta fölött hossz- és harántirányban mo­zog, pontról pontra, sorról sorra haladva a felület háromdimenziós képét. Különös fel­vételek sorát varázsolja a képernyőre a szá­mítógép, amelyeken 1,4 tízmilliomod milli­méter magasságú dombok és ugyanolyan mély völgyek láthatók körülbelül hat tizmilli­omod milliméteres távolságból „fényképez­ve". Az embereknek ősidőktől fogva nap mint nap dolguk akadt a legkülönbözőbb szerves vegyietekkel — gondoljunk csak például a táplálékra, a gyógyszerként alkalmazott nö­vényi főzetekre és kivonatokra, a különféle szerves eredetű festékanyagokra stb. —, en­nek ellenére a szerves kémia mint önálló tudomány viszonylag későn, a 18. század utolsó harmadában kezdett kibontakozni, mindenekelőtt Carl Wilhelm Scheele (1742—1786) svéd vegyész jóvoltából, aki számos szerves anyagot — főleg növényi savakat — elsőként állított elő igen tiszta állapotban. Antoine Laurent Lavoisier (1743—1794) a szerves anyagok égéster­mékeinek vizsgálata alapján megállapította, hogy a szerves vegyületek legfontosabb al­kotóelemei a szén, a hidrogén, a nitrogén és az oxigén. A szerves kémiai kutatások fellen­dülése a 19. század húszas-harmincas éve­iben kezdődött, ekkor kezdte pályafutását a múlt századi kémia számos nagy egyénisé­ge, mint például Friedrich Wöhler (1800— 1882), Justus Liebig (1803—1873) vagy történetünk főszereplője Jean Baptiste André Dumas. Abban az időben a vegyészek szinte kivétel nélkül azon a véleményen voltak, hogy szerves vegyületek előállítására csakis élő szervezetek képesek, s léteznie kell vala­miféle „életerőnek", „vis vitalis”-nak, amely meghatározó szerepet játszik a szerves anyagok létrejöttében. Wöhler volt az, aki egy jellegzetesen szervetlen vegyületböl, az ammónium-cianátból (NH4-0CN) egy jelleg­zetes szerves vegyületet, az állati és emberi vizeletben kimutatható karbamidot (NH2- CO-NH2) állított elő hevítéssel. Természete­sen eltartott még egy ideig, amíg a tudósok végleg elvetették az „életerő" gondolatát, s ehhez az is kellett, hogy nagy mennyiségű megfigyelés és tényanyag halmozódjék fel, amely nemcsak új elméletek után kiált, ha­nem új szemlélet kialakítását is szükségessé teszi. A helyzetet bonyolította, hogy vajmi keveset tudtak még 'akkor a molekulák fel­építéséről és szerkezetéről, sokan még az atomok létezésében is kételkedtek. Nem is­merték a pontos mennyiségi viszonyokat sem sok esetben, ezért fordulhatott elő az a furcsa dolog, hogy az egyik vegyész más atomsúlyokat vett alapul mint 100 vagy 500 kilométerrel odébb tevékenykedő kollégája, s ez gyakran fölösleges félreértésekre és vitákra adott alkalmat. Mindezek ellenére a kémia nagy léptekkel haladt előre. Finomod­tak az elemzési módszerek, tökéletesedtek a kísérleti berendezések, s egyre-másra szü­lettek a használható elméleti elképzelések is. Jean Baptiste Dumas vitathatatlanul a leg­szerencsésebb pillanatban kezdte meg tu­dományos pályafutását: akárhová nyúlt, új és tisztázásra váró problémára bukkant. Genfben volt patikus, amikor néhány kiváló tudós felismerte tehetségét és arra biztatta öt, hogy foglalkozzék elmélyültebben a ké­miával. A neves német természettudós és utazó, Alexander Humboldt (1769—1859) ajánlóleveleivel hamarosan Párizsba ment, ahol Louis Jacques Thénard (1777—1857), az École Polytechnique professzora mellé került asszisztensnek. Szakmai körökben rö­vid idő alatt felfigyeltek a tehetséges fiatal emberre, aki a kémia számos területén je­leskedett. 28 esztendős korában egy remek technológiai kézikönyvet írt (Traité de chimie appliquée aux arts), néhány évvel később „Előadások a vegytan filozófiájáról" címmel adott ki egy összefoglalást a vegytani elmé­letek fejlődéséről. Igen elterjedt volt 1841 - ben kiadott „Tanulmány a szerves lények vegyi egyensúlyáról" című munkája, amely­ben számos újszerű gondolatot vetett papír­ra, sajnos ezek között néhány olyan is akadt, amelyet Liebigtől kölcsönzött, de a forrás megnevezése nélkül. Emiatt éles szópárbajra került sor a két kiváló vegyész között. Dumas mentségére legyen mondva, az efféle dolgok nem mentek ritkaságszámba akkoriban, mint ahogy az sem, hogy valakit merész és újsze­rű gondolataiért a tekintélyek megfeddtek vagy háttérbe szorítottak. Dumas-nak is volt része ilyesmiben, amikor nyilvánosságra hozta azt a megfigyelését, hogy a szerves vegyületekben a hidrogént halogén elemek­kel lehet helyettesíteni. Ez a korabeli ún. dualisztikus elmélet szerint (amely azt hir­dette, hogy csakis elektropozitív és elektro­­negatív anyagok reagálhatnak egymással és képezhetnek vegyületet) lehetetlennek tűnt, de Dumas akárhányszor ismételte is meg a kísérletet (alkoholt, terpentint és ecetsavat reagáltatott klórgázzal), a végeredmény ugyanaz lett: az elektropozitív hidrogén he­lyett egy elektronegatív elem (klór) épült be a molekulába. Különösen meggyőző volt a do­log a klórozott ecetsavak esetében, hiszen a reakció során hidrogénklorid szabadult fel, a keletkezett klórecetsav pedig vegyi tulajdon­ságaiban nagyon hasonlított az ecetsavra. Berzelius (1779—1848), a dualisztikus el­mélet kidolgozója élesen támadta Dumas-t, s mások sem akartak beletörődni abba, hogy a vegyületek létrejöttét oly szemléletesen magyarázó elektrokémiai elméletet megin­gatták. Persze, ha pontosabban ismerték volna a molekulák szerkezetét, a Dumas-féle szubsztitúció-elv nem hatott volna annyira meglepetésszerűen. De akkor még senkinek sem volt fogalma arról, hogy az egyes ato­mok hogyan is kapcsolódnak egymáshoz. Jelentős előrelépést hozott az ún. gyökelmé­let, amelynek kidolgozásában Dumas is nagy érdemeket szerzett. A tudósok megfigyelték, hogy bizonyos vegyületekben egyes atom­csoportok — gyökök — „érintetlenek" ma­radnak a reakció során. Dumas ismerte fel a metilgyököt (CH3-), Wöhler és Liebig mutat­ta ki a benzoilgyök (C7H50-) létezését, s ismét Liebig volt az. aki megtalálta az etil­gyököt (C2HB-). A további kísérletek arra irányultak, hogy ezeket az akkor még csak elképzelt gyököket tiszta állapotban is előál­lítsák. Ma már tudjuk, hogy ez lehetetlen, s a gyökelméletet is elvetjük, de ez az elképzelés a maga idejében rendkívül termékenyítőén hatott a szerves kémia fejlődésére. Jean Baptiste Dumas jelentős és nagy tekintélyű alakja volt a 19. századi kémiának. Fontos közéleti tisztségeket is viselt — egy ideig földművelési és kereskedelmi miniszter is volt —. nagy befolyása révén sok ember sorsába tudott ilyen vagy olyan módon be­avatkozni. Sajnos néhány tehetséges .fiatal kollégájának (pl. Charles Gerhardt-nak, Au­gust Laurent-nak) szakmai féltékenységből megnehezítette az életét, s ez emberileg nem vet jó fényt az egyébként kiváló képes­ségű tudósra, akiről Mengyelejev a követke­zőket mondotta: „Olyan tekintélyes mennyi­ségű tudományos munkát hagyott hátra és olyan hatással volt a kémia fejlődésére, hogy neve halhatatlan marad, amíg csak létezni fog a tudomány." J. B. A. Dumas 100 évvel ezelőtt, 1884. április 11 -én halt meg. » LACZA TIHAMÉR 18

Next

/
  • Elrendezés
  • Igazítás
  • Forgatás
Oldalképek
Tartalom