peryferia
MAGAZYN KULTURALNY
30 marca 2016

MIODOWNIK: W RZECZY SAMEJ

Niezłomna – stal, zaufany – papier, przepyszna – czekolada, wyśniony – plastik, niewidzialne – szkło, to główni, choć nie jedyni, bohaterowie książki Marka Miodownika. Autor wyjaśnia, skąd się biorą niezwykłe właściwości materiałów, jaka jest ich historia, jak były i są wykorzystywane. W Czytelni Magazynu prezentujemy fragment premierowego tytułu w Karakterze.

Mark Miodownik, W RZECZY SAMEJ, Karakter 2016

Gdy byłem dzieckiem, nieustannie ciągano mnie po różnych muzeach sztuk i galeriach narodowych, a ja w każdej z nich nudziłem się jak mops. Próbowałem zachowywać się tak jak dorośli, którzy spacerowali wokół w nabożnej ciszy lub zatrzymywali się, by pooglądać w skupieniu jakieś malowidło czy rzeźbę, ale to było nie dla mnie. Te rzeczy zupełnie mnie nie interesowały. Dopiero gdy poszliśmy zobaczyć klejnoty koronne, serce żywiej mi zabiło. Od chwili przekroczenia progu sali byłem oczarowany. Trafiłem do najprawdziwszej jaskini Aladyna. Złoto i klejnoty przemówiły do mnie jakimś pierwotnym językiem, bardziej fundamentalnym niż dzieła sztuki. Ogarnęło mnie coś w rodzaju religijnego uniesienia. Gdy spoglądam wstecz, sądzę, że ekscytowało mnie nie tyle oglądanie zgromadzonych bogactw, ile doświadczenie obcowania z materią w czystej formie. Przed Wielką Gwiazdą Afryki (jak nazwano największy brylant powstały po podziale i oszlifowaniu Cullinana) zgromadził się spory tłumek. Wystarczyło mi jedno spojrzenie na klejnot, by zapamiętać go do końca życia, choć patrzyłem na niego spod ramienia ogromnego faceta w wilgotnej flanelowej koszuli, cisnąc się obok zniecierpliwionej Hinduski. Przeczytawszy później hasło o diamentach w encyklopedii ojca, doszedłem do wniosku, że obecność osoby z Indii była tam jak najbardziej na miejscu, bowiem to właśnie Indie stanowiły jedyne źródło tych klejnotów aż do połowy XVIII wieku, kiedy to odkryto diamenty w innych częściach globu, z Afryką Południową na czele.

Każdy diament to w istocie pojedynczy kryształ. W typowym diamencie znajduje się milion miliardów miliardów atomów (1 000 000 000 000 000 000 000 000) ułożonych w doskonałą piramidalną strukturę. To właśnie tej strukturze diament zawdzięcza swoje wyjątkowe właściwości. Powstają w niej bardzo stabilne wiązania między elektronami, co nadaje kryształowi jego legendarną twardość. Diamenty są przezroczyste, lecz mają wyjątkowo wysoki współczynnik rozpraszania światła – gdy przechodzi przez nie promień, rozszczepiają go na barwy składowe, tworząc jasne, błyszczące tęcze.

Połączenie niezwykłej twardości z połyskiem czyni z diamentów doskonałe kamienie szlachetne. Są tak odporne, że nic nie jest w stanie ich zarysować. Idealny fasetkowaty kształt i nieskazitelny połysk nie tylko przeżyją noszącego diament człowieka, lecz także przetrwają cywilizacje: deszcz i słońce, burze piaskowe, przedzieranie się przez dżunglę czy zwykłe czyszczenie. Już w starożytności diament uważano za najtwardszy materiał świata. Jego nazwa pochodzi od greckiego słowa adamas – niezmienny, niezłomny.

Bezpieczny przewóz Cullinana do Wielkiej Brytanii stanowił dla jego właścicieli spore wyzwanie, ponieważ o odkryciu największego w dziejach nieoszlifowanego diamentu szeroko rozpisywano się w gazetach. Słynni przestępcy pokroju Adama Wortha, pierwowzoru Moriarty’ego, przeciwnika Sherlocka Holmesa, stanowili zagrożenie, z którym należało się liczyć. W końcu obmyślono i wprowadzono w życie plan godny słynnego detektywa. Parowcem pod silną obstawą wysłano fałszywy kamień, podczas gdy ten prawdziwy włożono do zwykłego pudełka owiniętego szarym papierem i nadano pocztą. Sztuczka ta udała się dzięki temu, że diamenty wykazują jeszcze jedną wyjątkową cechę – ponieważ składają się z czystego węgla, są bardzo lekkie. Cały Cullinan ważył niewiele ponad pół kilograma.

Adam Worth nie był wyjątkiem. Gdy bogacze zaczęli skupować wielkie diamenty w coraz większych ilościach, narodziła się nowa przestępcza profesja: złodziej klejnotów. Mała waga diamentu i jego bardzo duża wartość sprawiały, że udana kradzież kamienia wielkości choćby ziarnka fasoli mogła złodzieja ustawić do końca życia, a skradziony klejnot był praktycznie nie do wyśledzenia. (Jeśli porównać to z kradzieżą złota, gdybym zwinął Andremu medal, na sprzedaży stopionej surówki zarobiłbym co najwyżej kilka tysięcy funtów). Nowemu rodzajowi złodzieja przypisywano cechy diamentu: miał być elegancki, wyrafinowany i autentyczny. W filmach takich jak Złapać złodzieja i Różowa Pantera diamenty odgrywają rolę uwięzionej księżniczki. W ich wybawców – porządnych obywateli za dnia, a złodziei klejnotów nocą – wcielali się na przykład Cary Grant i David Niven. W produkcjach tych kradzież klejnotu jest ukazana jako czyn szlachetny. Złodziej – lub złodziejka – przemyka jak zjawa i do sukcesu wystarczy mu tylko obcisły czarny kombinezon, znajomość planu okazałej rezydencji i umiejętność otwarcia skrytego za obrazem szyfrowego sejfu. Dla odmiany kradzież gotówki lub złota z banku czy pociągu ukazywano jako prostacką zbrodnię, której często dokonywali brutalni, chciwi faceci.MIODOWNIK: W RZECZY SAMEJ

W przeciwieństwie do złota, diamenty, mimo ich wielkiej wartości pieniężnej, nigdy nie były używane w charakterze waluty i nie stanowią płynnego kapitału. Można to zresztą rozumieć dosłownie – nie da się ich przetopić, a tym samym utowarowić. Ogromne diamenty nie mają żadnego zastosowania poza tym, że budzą podziw i zachwyt, a także podkreślają status posiadacza. Przed XX wiekiem tylko bardzo bogaci ludzie mogli sobie na nie pozwolić. Wzrost zamożności europejskiej klasy średniej doprowadził jednak do powstania atrakcyjnego rynku dla właścicieli kopalni diamentów. Kompania DeBeers, która w 1902 roku kontrolowała dziewięćdziesiąt procent światowej produkcji tych kamieni, stanęła przed wyzwaniem, jak wejść na ów poszerzony rynek, unikając jednocześnie dewaluacji diamentu. Udało im się to za pomocą zmyślnej kampanii marketingowej: ukuli hasło „Diamenty są wieczne” i upowszechnili przekonanie, że tylko pierścionek zaręczynowy z diamentem jest autentycznym wyrazem nieustającej miłości. Każdy, kto chce przekonać partnerkę o szczerości swoich uczuć, musi więc taki pierścionek kupić, a im droższy kamień, tym prawdziwsza miłość. Kampania odniosła spektakularny sukces i miliony diamentów trafiły pod strzechy. Jej kulminacją był film o Jamesie Bondzie z piosenką Shirley Bassey i Johna Barry’ego. W ten sposób diament zaczął pełnić w naszej kulturze nową funkcję – stał się symbolem romantycznej miłości.

Ale diamenty wcale nie są wieczne, a przynajmniej nie te wydobyte na powierzchnię naszej planety. W rzeczywistości pokrewny im minerał – grafit – jest od nich bardziej stabilny, toteż wszystkie diamenty świata, w tym przechowywana w Tower of London Wielka Gwiazda Afryki, powoli się w niego przekształcają. Jest to niepokojąca wiadomość dla właścicieli diamentów, choć – by ich uspokoić – dodam, że zmiany w ich kamieniach staną się widoczne dopiero za kilka miliardów lat.

Grafit ma zupełnie inną strukturę niż diament. Składa się z wielu warstw atomów węgla związanych w taki sposób, że tworzą sześciokątny (czyli heksagonalny) wzór. Każda warstwa stanowi bardzo mocną, stabilną strukturę, a wiązania międzyatomowe są w niej silniejsze niż te w diamencie, co może brzmieć zaskakująco, skoro grafit jest tak słaby, że używa się go jako smaru oraz wkładu do ołówków.

Zagadkę tę wyjaśnia fakt, że w warstwach grafitu każdy atom dzieli swoje cztery aktywne elektrony z trzema sąsiadami, natomiast w diamencie – z czterema. Tym samym pojedyncza warstwa grafitu ma inną strukturę elektronową i mocniejsze wiązania chemiczne niż te, które są obecne w diamencie. Nie ma jednak nic za darmo. Atomom grafitu brakuje elektronów, by tworzyć silne wiązania pomiędzy warstwami. Warstwy te trzymają się razem tylko dzięki siłom van der Waalsa – powszechnie występującemu klejowi materii. Jest to zespół słabych oddziaływań generowanych przez pole elektryczne cząstek, który odpowiada też między innymi za lepkość patafiksu. Gdy na grafit wywiera się nacisk, siły van der Waalsa ustępują jako pierwsze i to dlatego materiał ten wydaje się bardzo miękki. W ten właśnie sposób działa ołówek: przykładając go do kartki, pokonujemy siły van der Waalsa, dzięki czemu warstwy grafitu ześlizgują się po sobie nawzajem i odkładają na papierze. Gdyby w graficie zamiast tych sił występowały normalne wiązania atomowe, byłby mocniejszy niż diament. Z tego założenia wyszedł zespół Andrego Geima.

Przyjrzyj się grafitowi w ołówku – jest ciemnoszary i błyszczący jak metal. Przez tysiące lat mylono go z ołowiem i nazywano plumbago – czarny ołów. Sama nazwa „ołówek” wzięła się zresztą stąd, że grafit brano za ołów. Pomyłka ta jest dość zrozumiała, ponieważ oba te materiały są miękkimi metalami (choć grafit uważa się dziś raczej za półmetal). Wydobycie plumbago stawało się coraz bardziej opłacalne, gdy znajdowano dla niego nowe zastosowania – odkryto na przykład, że jest doskonałym materiałem do wyrobu kul armatnich i muszkietowych. W XVII i XVIII wieku jego wartość tak bardzo wzrosła, że w Wielkiej Brytanii złodzieje zaczęli wykonywać sekretne przekopy do kopalnianych tuneli lub zatrudniali się w kopalniach, by potajemnie wynosić z nich grafit. Ceny rosły, przemytników i złodziei przybywało, aż w 1752 roku parlament wydał uchwałę, na mocy której kradzież grafitu z kopalni karano rokiem ciężkich robót lub siedmioletnim zesłaniem do Australii. Około roku 1800 wydobywanie tego minerału było już tak dochodowym biznesem, że przed wejściem do kopalń plumbago stawiano uzbrojonych strażników.

Odpowiedź na pytanie, dlaczego grafit jest metaliczny, a diament nie, także tkwi w jego heksagonalnej strukturze. Jak już wiemy, w diamencie wszystkie cztery elektrony każdego atomu węgla są związane z odpowiadającymi im elektronami innych atomów. W ten sposób atomy formują ścisłą siatkę, zagospodarowując wszystkie elektrony. To właśnie z powodu braku swobodnych elektronów, które mogłyby się przemieszczać w strukturze materiału, niosąc ładunek elektryczny, diamenty nie przewodzą prądu. W strukturze grafitu natomiast zewnętrzne elektrony nie tyle wiążą się z elektronami sąsiednich atomów, ile tworzą w całym materiale morze elektronów. Ma to kilka istotnych skutków. Jednym z nich jest przewodnictwo elektryczne grafitu, w którym elektrony mogą się przemieszczać jak płyn. Edison zrobił z grafitu pierwsze włókna żarówek – ponieważ minerał ten ma wysoką temperaturę topnienia, rozgrzewa się do białości i jasno świeci, gdy przepływa przez niego prąd o wysokim napięciu. Ponadto morze elektronów łatwo odbija światło, działając na fotony jak elektromagnetyczna wyrzutnia, co sprawia, że grafit błyszczy się jak inne metale. Lecz Nobla nie wręczono Andremu Geimowi za trafne objaśnienie metalicznych właściwości grafitu. Wiedza ta była dla niego jedynie punktem wyjścia.

Życie na Ziemi jest oparte na węglu i choć nie przypomina on grafitu, można mu nadać podobną heksagonalną strukturę przez spalanie. Tak się dzieje, gdy płonące drewno zamienia się w węgiel lub gdy przypala się tost. Ludzkie ciało w ogniu także staje się czarne i zwęglone. W procesach tych nie powstaje czysty lśniący grafit, ponieważ heksagonalne warstwy węgla w spalonej materii organicznej są chaotycznie pomieszane, a nie równo upakowane. Wiele czarnych smolistych materiałów ma jednak pewną wspólną cechę: zrobione są z węgla o najstabilniejszej strukturze złożonej z heksagonalnych warstw.

W XIX wieku upowszechniła się jeszcze jedna odmiana czarnego pierwiastka: węgiel kamienny. Warstwy atomów ułożonych w sześciokąty nie powstają w nim jednak pod wpływem temperatury, jak w przypalonym toście, lecz wskutek procesów geologicznych, jakim przez miliony lat podlega rozłożona materia roślinna. Węgiel kamienny zaczyna więc jako torf, który pod wpływem ciepła i ciśnienia przekształca się w węgiel brunatny, następnie w węgiel bitumiczny, później antracyt, a wreszcie grafit. Podczas kolejnych transformacji materiał ten pozbywa się obecnych w roślinach związków lotnych – azotu, siarki oraz tlenu – i nabiera coraz większej czystości. Wraz z formowaniem się heksagonalnych warstw zyskuje także metaliczny połysk, co widać szczególnie wyraźnie, gdy patrzy się w czarne lustrzane powierzchnie niektórych odmian węgla, takich jak antracyt. Niemniej węgiel kamienny rzadko kiedy jest zupełnie czysty – to dlatego podczas spalania miewa nieprzyjemny zapach.

Pod względem estetycznym najbardziej ceni się węgiel powstały wskutek petryfikacji araukarii. Jest twardy, ma przepiękny czarny połysk i można w nim rzeźbić oraz go polerować. Niekiedy nazywa się go czarnym bursztynem, ponieważ podobnie jak bursztyn przejawia właściwości triboelektryczne: gdy się go potrze, wytwarza ładunek elektryczny zdolny zjeżyć włosy. Minerał ten, szerzej znany jako gagat lub dżet, stał się modny w Anglii w XIX wieku, gdy królowa Wiktoria po śmierci małżonka, księcia Alberta, zaczęła ubierać się na czarno i nosić gagatową biżuterię. Wywołało to tak wielki popyt na ten minerał w całym Imperium Brytyjskim, że mieszkańcy miasteczka Whitby, gdzie Bram Stoker napisał później Drakulę, z dnia na dzień przestali zużywać miejscowe złoża gagatu na opał i zasłynęli produkcją biżuterii żałobnej.

Pomysł, że diament ma cokolwiek wspólnego z węglem lub grafitem, uważano za zupełnie niedorzeczny do czasu, gdy pierwsi chemicy w ramach eksperymentów zaczęli podgrzewać diament. Antoine Lavoisier w 1772 roku odkrył, że gdy rozgrzać go do czerwoności, zaczyna się palić, nie pozostawiając po sobie żadnego popiołu. Spala się całkowicie. Wygląda to tak, jakby po prostu znikał. Wynik tego eksperymentu był zdumiewający. Inne kamienie szlachetne wydawały się odporne na rozgrzewanie do czerwoności lub nawet do białości – nie paliły się. Okazało się, że ich król, diament, ma piętę achillesową. Następnie Lavoisier wykonał doświadczenie tak eleganckie, że na myśl o nim ogarnia mnie ekscytacja. Podgrzał diament w próżni, by – nie wchodząc w reakcję z tlenem – mógł on wytrzymać wyższą temperaturę. Jest to jeden z tych eksperymentów, które łatwiej jest zaprojektować, niż przeprowadzić, w XVIII wieku bowiem uzyskanie próżni było nie lada sztuką. Wynik doświadczenia zdumiał Lavoisiera: diament wciąż nie był odporny na wysoką temperaturę, lecz tym razem nie zniknął, lecz przeistoczył się w czysty grafit. Było to dowodem, że oba te materiały składają się z tego samego pierwiastka – węgla.

Lavoisier i rzesze innych badaczy, uzbrojeni w nową wiedzę, zaczęli poszukiwać sposobu na odwrócenie tego procesu i przeobrażenie grafitu w diament. Nagrodą dla tego, komu by się to udało, byłoby wielkie bogactwo. Rozpoczął się wyścig. Lecz zadanie stojące przed badaczami było wyjątkowo trudne. Wszystkie substancje w procesie transformacji wolą przybierać coraz bardziej stabilne formy, a struktura diamentu jest mniej stabilna niż grafitu. Aby sprowokować przeobrażenie w drugą stronę, trzeba wytworzyć bardzo wysoką temperaturę i ciśnienie. Warunki takie istnieją w skorupie ziemskiej, a i tak trzeba czekać kilka miliardów lat na uformowanie się sporego diamentowego kryształu. Przeprowadzenie takiego procesu w laboratorium jest niezwykle trudne. Eksperymentatorzy jeden za drugim ogłaszali sukces, lecz później go odwoływali. Fakt, że żaden z tych naukowców nie stał się z dnia na dzień bogaczem, miał – wedle niektórych – potwierdzać niepowodzenie przedsięwzięcia. Inni z kolei podejrzewali, że ci, którym się udało, nikomu o tym nie powiedzieli, by w ciszy i spokoju stopniowo gromadzić bogactwo.

Niezależnie od tego, jak było naprawdę, dopiero w 1953 roku pojawiły się rzetelnie udokumentowane dowody na to, że taka przemiana się powiodła. Obecnie wytwórstwo syntetycznego diamentu to spora gałąź przemysłu, która jednak nie stanowi bezpośredniej konkurencji dla firm wytwarzających biżuterię z naturalnych diamentów. Jest po temu kilka powodów. Po pierwsze, choć potrafimy obecnie syntetyzować małe diamenty nieco taniej niż wynosi koszt wydobywania tych prawdziwych, są one zwykle zabarwione i mają skazy, co jest skutkiem przyspieszonego procesu ich powstawania. Większość syntetycznych diamentów wykorzystuje się w przemyśle wydobywczym. Nie chodzi jednak o to, by wiertła i tarcze tnące nimi przyozdabiać, ale by nadać narzędziom twardość niezbędną do cięcia granitu i innych twardych skał. Po drugie, wartość diamentów jest w dużej mierze pochodną ich autentyczności. Podczas oświadczyn istotne jest, by oferowany kryształ – choć identyczny jak ten stworzony w fabryce – pochodził z głębi Ziemi, gdzie formował się przez miliard lat. Po trzecie, nawet jeśli jesteś osobą superracjonalną i nie obchodzi cię pochodzenie kamienia, syntetyczny diament dla ukochanej i tak bardzo mocno uderzy cię po kieszeni. Istnieją znacznie tańsze jubilerskie substytuty diamentu wykonane z cyrkonii czy nawet szkła, które lśnią, oczarowują i potrafią zwieść każdego z wyjątkiem specjalisty.

Przewaga naturalnego diamentu nad grafitem zmalała, kiedy utracił on status najtwardszego materiału znanego ludzkości. W 1967 roku odkryto jeszcze jeden, trzeci sposób ułożenia atomów węgla, dający substancję twardszą niż diament. Podobnie jak grafit, jest zbudowana z heksagonalnych warstw, lecz w tym wypadku tworzą one strukturę trójwymiarową. Tworzywo to, zwane lonsdaleitem, uważa się za twardsze od diamentu o pięćdziesiąt osiem procent, lecz występuje w ilościach tak małych, że trudno je dokładnie przebadać. Pierwszą jego próbkę znaleziono w meteorycie Canyon Diablo. Temperatura i ciśnienie powstałe wskutek upadku spowodowały przekształcenie grafitu w lonsdaleit. Nigdy nie zrobiono z niego żadnego pierścionka zaręczynowego, ponieważ upadki meteorytów prowadzące do powstania lonsdaleitu są niezwykle rzadkie, niemniej odkrycie kolejnego, trzeciego typu węglowej struktury w nieunikniony sposób doprowadziło do postawienia pytania, czy poza sześcienną strukturą diamentu, heksagonalną – węgla kamiennego, węgla drzewnego, gagatu i grafitu – oraz heksagonalną, lecz trójwymiarową lonsdaleitu mogą istnieć jeszcze jakieś inne. Niebawem dzięki badaniom przemysłu lotniczego do listy tej dopisano kolejną syntetyczną strukturę węgla.

Mark Miodownik, W rzeczy samej. Osobliwe historie wspaniałych materiałów, które nadają kształt naszemu światu

Tłumaczenie: Dariusz Żukowski

Wydawnictwo Karakter 2016

Premiera: 1 kwietnia 2016

następna
strona
poprzednia
strona
przejdź do strony: 12345
To jest artykuł z serii CZYTELNIA MAGAZYNU

Zobacz także