Hackmanit, minerał nieskończenie zmienny

Tenebrescencja, czyli zdolność do zmiany koloru pod wpływem światła słonecznego, to najrzadsze ze wszystkich zjawisk optycznych dotyczących minerałów. Na przykład rzadko występujący hackmanit zmienia kolor z białego na fioletowy pod wpływem promieniowania UV, a jeśli znajdzie się w ciemności, znów staje się biały. Do tej pory nie było jasne, jakie cechy strukturalne umożliwiają takie powtarzające się zmiany.

Badania nad hackmanitem i dwoma innymi minerałami (tugtupit i skapolit) prowadzili od kilku lat naukowcy z uniwersytetu w Turku (Finlandia). Jak wykazali, może on zmieniać kolor po wielokrotnym wystawieniu na działanie promieniowanie UV, nie ulegając przy tym "zużyciu".

Hackmanit jako materiał może znaleźć wiele potencjalnych zastosowań - na przykład monitorowanie ekspozycji na ultrafiolet i obrazowanie rentgenowskie. Jest przy tym trwały, niedrogi i łatwy w syntezie.

Zmieniające kolor hackmanit, tugtupit i skapolit są nieorganicznymi materiałami naturalnymi, jednak istnieją również związki organiczne (węglowodory), które mogą odwracalnie zmieniać kolor pod wpływem promieniowania. Węglowodory te mogą jednak zmienić kolor tylko kilka razy, zanim ich struktura molekularna ulegnie destrukcji. W ich przypadku każda zmiana koloru pociąga za sobą drastyczną zmianę struktury, a wielokrotne poddawanie tej zmianie ostatecznie rozbija cząsteczkę.

"W tych badaniach po raz pierwszy odkryliśmy, że w rzeczywistości zachodzi również zmiana strukturalna związana z procesem zmiany koloru. Kiedy zmienia się kolor, atomy sodu w strukturze oddalają się stosunkowo daleko od swoich zwykłych miejsc, a następnie wracają. Można to nazwać +oddychaniem strukturalnym+ - nie niszczy struktury, nawet jeśli jest powtarzane wiele razy" - zaznaczył prof. Mika Lastusaari z Wydziału Chemii Uniwersytetu w Turku.

Według profesora Lastusaariego trwałość wynika z przypominającej klatkę trójwymiarowej struktury tych minerałów, podobnej do występującej w zeolitach. Na przykład w detergentach struktura przypominająca klatkę umożliwia zeolitom usuwanie magnezu i wapnia z wody poprzez ścisłe wiązanie ich w porach klatki.

"W tych zmieniających kolor minerałach wszystkie procesy związane ze zmianą koloru zachodzą w porach klatki zeolitowej, w której znajdują się atomy sodu i chloru. Struktura przypominająca klatkę umożliwia ruch atomów wewnątrz klatki, jednocześnie utrzymując jej strukturę. Dlatego minerały mogą zmieniać kolor i powracać do swojego pierwotnego koloru praktycznie w nieskończoność" - wyjaśnia doktor Sami Vuori.

Wcześniej wiedziano, że skapolit zmienia kolor znacznie szybciej niż hackmanit, natomiast tugtupit zmienia się znacznie wolniej. "Na podstawie wyników tej pracy ustaliliśmy, że prędkość zmiany koloru koreluje z odległością, na jaką poruszają się atomy sodu. Obserwacje te są ważne dla przyszłego rozwoju materiału, ponieważ teraz wiemy, co jest wymagane od struktury macierzystej, aby umożliwiała kontrolę i dostosowywanie właściwości zmian koloru" - komentuje doktor Hannah Byron.

"Nie było dostępnych metod odpowiednich do badań minerałów zmieniających kolor, dlatego sami opracowaliśmy nowe metody. Trudno jednak jednoznacznie zinterpretować wyniki na podstawie samych danych eksperymentalnych - tylko połączenie danych doświadczalnych i obliczeniowych pokazuje cały obraz. To zawdzięczamy naszemu współpracownikowi profesorowi Tangui Le Bahers i jego grupie, która opracowała i rozwinęła odpowiednie metody obliczeniowe, w przypadku których uzyskanie obecnej dokładności nie byłoby możliwe jeszcze kilka lat temu" - powiedział prof. Lastusaari.

Kierowana przez profesora Lastusaari grupa bada obecnie liczne potencjalne zastosowania hackmanitu, takie jak ewentualne zastąpienie diod LED i innych źródeł światła czy wykorzystanie w obrazowaniu rentgenowskim. W badaniach uczestniczą także naukowcy z Uniwersytetu Claude'a Bernarda w Lyonie we Francji oraz Towarzystwa Mineralogicznego w Antwerpii (Belgia).

Jednym z najciekawszych pomysłów wydaje się oparty na hackmanicie dozymetr i detektory pasywne dla Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS), przeznaczone do pomiaru dawki promieniowania pochłanianej przez materiały podczas lotów kosmicznych.

"Siła barwy hackmanitu zależy od tego, na jakie promieniowanie UV jest on wystawiony, co oznacza, że materiał można wykorzystać np. do określenia wskaźnika UV promieniowania słonecznego. Hackmanit, który będzie testowany na stacji kosmicznej, będzie używane w podobny sposób, ale ta właściwość może być również wykorzystywana w codziennych zastosowaniach. Na przykład opracowaliśmy już aplikację na telefon komórkowy do pomiaru promieniowania UV, z której może korzystać każdy" - wyjaśnia Sami Vuori

Paweł Wernicki