Foto: Arek Socha / Pixabay
Magia științifică a lichidelor31 min read
Recent publicată și la noi, de prietenii de la editura Publica, „Lichid. Substanțele plăcute și periculoase care curg prin viețile noastre” este una dintre cele mai bune cărți de popularizare a științei din ultimii ani, care reușește „imposibilul”: să explice clar și bine noțiuni științifice complicate despre lucruri aparent „banale” (punem în ghilimele, căci nimic nu-i banal dacă te uiți cu atenție la el), precum vinul, apa, kerosenul din avion ori freonul din aparatele de aer condiționat. Cel puțin o dată la câteva pagini, reacția oricărui cititor va fi: „Wow, nu știam asta!”
Mark Miodownik este directorul Institute of Making de la University College, Londra, profesor universitar și unul dintre cei mai talentați autori de cărți de popularizare a științei, cu două volume geniale despre știința materialelor.
Ambele au fost traduse și la noi, în colecția Publica: Bestseller-ul 10 materiale minune, distins cu premiul pentru carte al Academiei Naționale de Comunicare în Științe și cu Premiul Winton al Societății Regale, precum și noua sa carte, „Lichid. Substanțele plăcute și periculoase care curg prin viețile noastre”, din care vă invităm să vă bucurați mai jos de un fragment care să vă stârnească curiozitatea.
Mi s‐au confiscat la controlul de securitate de la aeroport unt de arahide, miere, sos pesto, pastă de dinți și, ceea ce m‐a durut cel mai tare, o sticlă de whisky single‐malt. În astfel de situații, inevitabil îmi sare muștarul. Spun lucruri de genul „Vreau să vorbesc cu un superior” sau „Untul de arahide nu e lichid”, deși știu că este. Untul de arahide curge și capătă forma recipientului în care este pus – asta fac lichidele –, deci este lichid. Oricum, pur și simplu mă scoate din sărite că nici acum, într‐o lume plină de tehnologie „smart”, controlul de securitate de la aeroport nu poate face diferența între o cremă lichidă și un exploziv lichid.
Trecerea a mai mult de 100 de mililitri de lichid prin controlul de securitate este interzisă din 2006, dar de atunci tehnologia noastră de detecție nu s‐a îmbunătățit prea mult. Scanerele cu raze X detectează obiectele din bagaje. Mai precis, alertează agentul de securitate când întâlnește forme suspecte: deosebește pistoalele de uscătoarele de păr și cuțitele de stilouri. Dar lichidele nu au formă. Doar iau forma recipientului în care se află. Tehnologia de scanare din aeroport poate detecta și densitatea, și o serie de elemente chimice. Dar aici din nou apar probleme. Compoziția moleculară a nitroglicerinei explozive, de exemplu, este asemănătoare cu a untului de arahide. Ambele sunt făcute din carbon, hidrogen, azot și oxigen – dar unul e un explozibil lichid, iar celălalt e doar… ce să mai, delicios. Există enorm de multe toxine, otrăvuri, oxidanți și patogeni periculoși, incredibil de greu de distins de lichide inofensive în mod rapid și sigur. Tocmai argumentul acesta, pe care l‐am auzit de la mulți agenți de securitate (și de la superiorii lor) mă face, de obicei, să accept – fără chef – că untul meu de arahide, sau altul dintre lichidele pe care tot uit să mi le scot din bagajul de mână, prezintă un risc important.
Foto: Martin Str / Pixabay
Lichidele sunt alter ego‐ul solidelor de încredere. În timp ce solidele sunt materialele de nădejde ale omenirii, fiindcă iau formă permanentă – de haine, încălțări, telefoane, mașini și, la o adică, chiar și aeroporturi –, lichidele sunt fluide; adoptă orice formă, dar numai atâta timp cât se află într‐un recipient. De unele singure, sunt în continuă mișcare – se scurg, corodează, picură și se sustrag controlului nostru. Dacă pui un material solid într‐un loc, rămâne acolo – dacă nu îl ia cineva cu forța – și, de obicei, face ceva foarte util, cum ar fi să susțină o clădire sau să asigure electricitate pentru o întreagă comunitate. Lichidele, pe de altă parte, sunt anarhice: au darul distrugerii. În baie, de exemplu, e o luptă continuă să împiedici apa să se strecoare prin crăpături și să se adune sub podea, producând astfel numai pagube, precum putrezirea și șubrezirea grinzilor de lemn; pe podelele netede cu gresie, apa întinde o capcană alunecoasă perfectă și provoacă extrem de multe accidente; iar când se adună prin colțuri în baie, hrănește ciuperci negre și mâzgoase și bacterii, care riscă să ne ajungă în organism și să ne îmbolnăvească. Și totuși, în ciuda purtărilor acestora mișelești, o iubim; ne place la nebunie să facem baie, să facem duș, să ne scăldăm tot corpul în apă.
Și ce baie ar fi completă fără un corn al abundenței cu sticle de săpun lichid, șampon și balsam, borcănele cu cremă și tuburi cu pastă de dinți? Ne încântă lichidele acestea miraculoase, dar ne și îngrijorează: nu cumva ne fac rău? Nu cumva provoacă și cancer? Nu cumva dăunează mediului? În cazul lichidelor, plăcerea și bănuiala merg mână în mână. Sunt duplicitare prin însăși natura lor – nici gaz, nici solid, ci ceva pe la mijloc, ceva insondabil și misterios.
Să luăm, de exemplu, mercurul, care încântă și otrăvește omenirea de mii de ani. În copilărie, mă jucam cu mercur lichid pe blatul mesei, fascinat de aura lui extraterestră, până când mi s‐a spus cât de toxic este. Dar multe culturi străvechi considerau că prelungește viața, vindecă fracturile și întărește sănătatea. Nu este clar de ce se punea atâta preț pe el – poate pentru distincția de a fi singurul metal pur care există în formă lichidă la temperatura camerei. Primul împărat al Chinei, Qin Shi Huang, lua pastile de mercur pentru sănătate, dar a murit la 39 de ani, probabil tocmai de aceea. Cu toate acestea, a fost îngropat într‐un mormânt plin de râuri de mercur. Grecii antici foloseau mercurul în unguente, iar alchimiștii credeau că, în combinație cu altă substanță elementară, sulful, constituia baza tuturor metalelor și că din echilibrul perfect între mercur și sulf se putea obține aur. De aici credința greșită că diferite metale puteau fi transformate în aur dacă erau amestecate în proporțiile corecte. S‐a dovedit a fi doar o poveste, dar aurul se dizolvă, totuși, în mercur. Dacă încălzești lichidul după ce a absorbit metalul, se va evapora și va lăsa în urmă un bulgăraș solid de aur. Pentru cele mai multe popoare antice, procesul era imposibil de deosebit de magie.
Împăratul Qin Shi Huang, fondatorul dinastiei Qin.
Mercurul nu este singurul lichid care poate consuma și cuprinde în sine o altă substanță. Dacă adăugăm sare în apă, va dispărea rapid – sarea se află undeva, dar unde și ce s‐a întâmplat cu ea? Și totuși, dacă o turnăm în ulei, sarea rămâne acolo. De ce? Mercurul lichid absoarbe aurul solid, dar respinge apa. De ce? Apa absoarbe gaze, inclusiv oxigenul; dacă nu ar fi așa, am trăi într‐o lume foarte diferită – oxigenul dizolvat în apă le permite peștilor să respire. Apoi, deși apa nu poate absorbi suficient oxigen pentru respirația umană, alte lichide pot. Există un tip de ulei – fluorocarbura – foarte nereactiv din punct de vedere chimic și electric. Este atât de inert că îți poți pune telefonul mobil într‐un pahar cu această substanță și va funcționa normal în continuare. De asemenea, fluorocarbura poate absorbi oxigen în concentrație atât de mare încât devine respirabil pentru oameni – inspiri lichid în loc de aer –, având multe utilizări posibile, dintre care cea mai importantă este tratarea copiilor născuți prematur care suferă de sindromul de detresă respiratorie (n.t.: afecțiune în care alveolele pulmonare incomplet dezvoltate nu transferă suficient oxigen în sânge).
Dar tot apa lichidă are proprietatea supremă de a genera viață. Motivul este că în ea se dizolvă nu doar oxigenul, ci și multe alte substanțe, printre care moleculele pe bază de carbon; este deci mediul optim pentru apariția vieții – pentru generarea spontană de noi organisme. Cel puțin așa spune teoria. De aceea, când caută semne de viață pe alte planete, oamenii de știință caută apă lichidă. Dar apa în formă lichidă este rară în Univers. Este posibil ca pe Europa, una din lunile lui Jupiter, să se afle oceane de apă lichidă, sub stratul de gheață. Se poate să existe apă lichidă și pe Encelade, una din lunile lui Saturn. Dar Pământul este singurul corp din sistemul solar cu o cantitate mare de apă ușor accesibilă la suprafață.
Temperaturile și presiunile de suprafață care fac posibilă prezența apei în formă lichidă au rezultat dintr‐un set de împrejurări unice. Mai precis, dacă n‐ar fi miezul lichid al Pământului, alcătuit din metale topite, sursa câmpului magnetic care ne protejează de vântul solar, probabil ne‐ar fi dispărut toată apa cu miliarde de ani în urmă. Pe scurt, pe planeta noastră, lichidul s‐a născut din lichid, iar din el – viața.
Dar lichidele sunt și distrugătoare. Spuma este moale, fiindcă se comprimă ușor; dacă sari pe o saltea de spumă, o simți cum cedează sub tine. Lichidele nu se comportă așa; dimpotrivă, curg – fiecare moleculă avansează în spațiul eliberat de altă moleculă. Observăm fenomenul în râuri, când deschidem robinetul sau când amestecăm cafeaua cu lingurița. Când sărim de pe o trambulină și atingem apa, ea trebuie să se separe ca să‐ți facă loc. Dar separarea aceasta necesită timp, iar dacă viteza la impact este prea mare, apa nu se va putea scurge suficient de repede și va exercita presiune asupra ta. De aici forța care îți înțeapă pielea când te arunci în piscină și care face contactul cu apa după o săritură de la mare înălțime să fie foarte asemănător cu aterizarea pe beton. Tot incompresibilitatea apei este și motivul pentru care valurile pot exercita o asemenea forță letală și pentru care un val tsunami poate demola clădiri și orașe, aruncând mașini de colo‐colo ca pe niște crengi rupte. De exemplu, cutremurul din Oceanul Indian din 2004 a declanșat o serie de tsunami care au ucis 230 000 de oameni din paisprezece țări. Ca gravitate, a fost al optulea dezastru natural din istorie.
O altă proprietate periculoasă a lichidelor este capacitatea lor de a exploda. Când mi‐am început doctoratul la Oxford, trebuia să prepar specimene mici pentru microscopul electronic. Procesul implica răcirea unui lichid numit soluție de lustruire electrochimică la temperatura de minus 20°C. Lichidul era un amestec de butoxietanol, acid acetic și acid percloric. Mi‐a arătat cum se procedează alt doctorand din laborator, Andy Godfrey, și mi se păruse că înțelesesem. Dar, după câteva luni, Andy a observat că de multe ori lăsam soluția să se încălzească în timpul lustruirii electrochimice. „Eu n‐aș face asta”, a spus el într‐o zi, ridicând din sprâncene în timp ce privea peste umărul meu. Când l‐am întrebat de ce, m‐a îndrumat spre manualul pericolelor chimice din laborator:
Acidul percloric este un acid coroziv care distruge țesuturile umane. Acidul percloric poate fi periculos pentru sănătate în caz de inhalare, ingerare sau în contact cu pielea sau ochii. Încălzit peste temperatura camerei sau folosit la concentrații de peste 72% (la orice temperatură), acidul percloric devine un acid oxidant puternic. Substanțele organice sunt deosebit de susceptibile la combustie spontană în amestec sau contact cu acidul percloric. Vaporii de acid percloric pot forma perclorați sensibili la șoc în conductele sistemelor de ventilație.
Cu alte cuvinte, explodează.
Căutând prin laborator, am găsit multe lichide incolore, la fel de transparente, majoritatea imposibil de deosebit. Foloseam, de exemplu, acid fluorhidric, care, pe lângă faptul că face găuri în beton, metale și carne, este și toxic la contact, inhibând funcționarea nervilor. Efectul este subtil – mai precis, nu îl simți când te arde. Expunerea accidentală poate trece neobservată foarte ușor, în timp ce acidul îți roade pielea.
Și alcoolul intră în categoria otrăvurilor. Ce‐i drept, nu se manifestă astfel decât în doze mari, dar a făcut mai multe victime decât acidul fluorhidric. Și totuși, are un rol enorm în societate și în culturile de pe tot globul; de‐a lungul istoriei, a fost folosit ca antiseptic, antitusiv, antidot, tranchilizant și combustibil. Principala lui funcție atrăgătoare este aceea de depresor al sistemului nervos: este un drog psihoactiv. Mulți nu sunt în stare să funcționeze fără paharul zilnic de vin, iar majoritatea evenimentelor de socializare se învârt în jurul localurilor care servesc alcool. Nu avem noi încredere în lichidele acestea (și pe bună dreptate), dar tot le iubim.
Simțim efectele fiziologice ale alcoolului când acesta se absoarbe în sânge. Bătăile inimii ne amintesc constant de rolul sângelui în organism și de nevoia lui de a circula constant: funcționăm mulțumită acțiunii unei pompe, iar când aceasta se oprește, murim. Dintre toate lichidele din lume, am putea spune că sângele este unul din cele mai importante. Din fericire, în ziua de azi ne putem înlocui inimile, putem face operații de bypass și le putem conecta la diverse puncte din organism și din afara lui. Chiar și sângele se poate transfuza și extrage, depozita, împărți, îngheța și readuce la viață. De fapt, fără băncile de sânge ar muri anual milioane de oameni care suferă intervenții chirurgicale sau accidente rutiere sau sunt răniți în zone de război.
Dar sângele poate fi infectat, de exemplu cu HIV sau virusul hepatitei, așa că poate face și rău. Trebuie deci să luăm în considerare natura duplicitară a sângelui, ca și a tuturor lichidelor. Întrebarea importantă nu este dacă putem avea încredere într‐un lichid anume, dacă este bun sau rău, dacă este sănătos sau otrăvitor, delicios sau dezgustător, ci mai degrabă dacă îl înțelegem suficient cât să ne putem folosi de el.
Cel mai bun mod de a ilustra puterea și plăcerea pe care le obținem din controlul lichidelor este să observăm pasagerii dintr‐un avion. Așadar, despre asta vorbește cartea de față: despre un zbor transatlantic și despre toate lichidele ciudate și minunate implicate în el. Eu am ajuns în avion pentru că am reușit să nu mă arunc singur în aer în timpul doctoratului, ci mi‐am continuat cercetarea în domeniul științei materialelor și am devenit director al Institute of Making de la University College, Londra. O parte din cercetarea noastră vizează modul în care se pot deghiza lichidele în solide. De exemplu, asfaltul de pe șosele este, la fel ca untul de arahide, un lichid, deși dă impresia că ar fi solid. Datorită studiilor noastre, am primit invitații la conferințe din întreaga lume, iar cartea aceasta povestește o astfel de călătorie cu avionul, de la Londra la San Francisco.
Planeta „Ocean”, într-o fotografie în culori naturale, din iunie 2019, făcută cu satelitul DSCOVR, al NASA.
Zborul este descris în limbajul moleculelor, al bătăilor inimii și al valurilor oceanului. Scopul meu este să dezvălui proprietățile misterioase ale lichidelor și să arăt cum am ajuns să depindem de ele. Vom zbura peste vulcanii Islandei, peste întinderea înghețată a Groenlandei, peste lacurile din apropierea Golfului Hudson, apoi spre sud, către coasta Pacificului. Este un spațiu de desfășurare destul de mare cât să discutăm despre lichide de la scara oceanelor până la picăturile din nori, examinând și ciudatele cristale lichide din ecranele din avion, băuturile servite de personalul de zbor și, bineînțeles, combustibilul care ține avionul în stratosferă.
În fiecare capitol, tratez o etapă separată a zborului și calitățile lichidelor care au făcut‐o posibilă: capacitatea lor de a arde, de a se dizolva sau de a se infuza, ca să numim doar câteva. Arăt cum ne permit să zburăm în jurul globului capilaritatea, condensarea, viscozitatea, solubilitatea, presiunea, tensiunea superficială și multe alte proprietăți ciudate ale lichidelor. Astfel, explic cum se face că lichidele urmează o direcție de curgere ascendentă în copaci, dar descendentă pe dealuri, de ce este uleiul lipicios, cum pot ajunge valurile atât de departe, de ce se usucă lucrurile, cum este posibil ca unele lichide să fie cristale, cum să nu te otrăvești când îți prepari băuturile alcoolice acasă și, poate cel mai important, cum se face un ceai perfect. Vă invit deci să zburați cu mine.
Vă promit o călătorie stranie și minunată.
