Połóżmy obok siebie kanapkę i kawałek plastikowej reklamówki.
Jedną można zjeść. Druga może przeleżeć w środowisku przez dziesiątki lat i zdecydowanie nie powinna znaleźć się w przewodzie pokarmowym. Na pierwszy rzut oka trudno o dwie bardziej różne rzeczy.
A jednak obie są zbudowane z atomów.
Więc co właściwie by się stało, gdyby dało się te atomy dowolnie poprzestawiać? Czy z plastiku można byłoby zrobić kanapkę?
Pytanie brzmi trochę jak absurd. Tyle że im głębiej zajrzeć w budowę materii, tym mniej absurdalne się staje.
Czy wszystkie atomy są takie same?
Nie. Ale odpowiedź jest ciekawsza niż proste „nie”.
Tablicę okresową można potraktować jako katalog znanych rodzajów atomów. Każde pole oznacza inny pierwiastek.
Wodór to atom mający jeden proton w jądrze. Hel ma dwa protony. Węgiel sześć. Tlen osiem. Żelazo dwadzieścia sześć.
Liczba protonów jest tutaj kluczowa. Jeśli atom ma sześć protonów, jest węglem. Gdyby miał siedem, byłby już azotem.
Obecnie tablica okresowa zawiera 118 oficjalnie uznanych pierwiastków.
Na potrzeby naszej kanapki najważniejsze jest jednak coś innego.
Atom węgla znajdujący się w plastikowej butelce nie jest jakimś specjalnym „plastikowym węglem”. Taki sam atom może znajdować się w chlebie, drzewie, dwutlenku węgla albo człowieku.
Atom nie pamięta swojego poprzedniego zatrudnienia.
Świat zbudowany z niewielu klocków
118 pierwiastków już samo w sobie nie jest szczególnie dużą liczbą, jeśli pomyśleć o różnorodności wszystkiego, co istnieje.
A codzienny świat korzysta bardzo intensywnie z jeszcze mniejszej części tego zestawu.
Suche powietrze to w ponad 99,9 procentach azot, tlen i argon.
Żywe organizmy opierają się przede wszystkim na węglu, wodorze, tlenie i azocie. Te cztery pierwiastki stanowią około 96,5 procent masy organizmów.
W skałach i minerałach bez przerwy wracają tlen, krzem, glin, żelazo, wapń, sód, potas i magnez. W głębi Ziemi znowu dominują między innymi tlen, krzem, magnez i żelazo.
Do tego dochodzą materiały produkowane przez człowieka. Stal opiera się głównie na żelazie i węglu. Szkło przede wszystkim na krzemie i tlenie. Wiele tworzyw sztucznych na węglu, wodorze, czasem tlenie, azocie lub chlorze.
Oczywiście współczesna technologia korzysta także z bardziej egzotycznych pierwiastków. Smartfon potrafi zebrać całkiem pokaźny fragment tablicy okresowej. Nie zmienia to jednak ogólnego obrazu.
Znaczna część tego, co widzimy gołym okiem, czego dotykamy, czym oddychamy i z czego sami jesteśmy zbudowani, wciąż wykorzystuje ten sam stosunkowo niewielki zestaw atomowych klocków.
A później zaczyna się chemia.
Te atomy można łączyć w niewiarygodnie wiele różnych cząsteczek i struktur.
I wtedy z tych samych kilku rodzajów klocków zaczynają powstawać rzeczy, które nie mają ze sobą na pierwszy rzut oka nic wspólnego.
Plastik jest bliżej jedzenia, niż wygląda
Weźmy polietylen, jedno z najpopularniejszych tworzyw sztucznych, używane między innymi do produkcji foliowych toreb.
Składa się z węgla i wodoru.
Jedzenie również jest pełne węgla i wodoru. Tłuszcze, cukry i białka zawierają ogromne ilości tych samych pierwiastków.
Do kompletnej kanapki potrzeba oczywiście znacznie więcej. Dochodzą tlen, azot, siarka, fosfor, sód, wapń i inne składniki. Dlatego z samego kawałka polietylenu nie można zrobić kanapki wyłącznie przez przestawienie znajdujących się już w nim atomów. Brakuje części potrzebnych klocków.
Możemy jednak znaleźć jeszcze czystszy przykład.
Plastikowa butelka z PET jest zbudowana z węgla, wodoru i tlenu. Powtarzający się fragment jego łańcucha ma wzór (C₁₀H₈O₄)ₙ.
Zwykły cukier stołowy również składa się wyłącznie z węgla, wodoru i tlenu. Jego wzór to C₁₂H₂₂O₁₁.
Te same trzy rodzaje atomów.
A rezultat trudno pomylić.
Jedno jest twardym tworzywem, z którego robimy butelki. Drugie rozpuszcza się w kawie i jest słodkie.
Składniki mogą być podobne. Sposób montażu robi ogromną różnicę.
Z węgla można zrobić diament albo grafit
Jeszcze wyraźniej widać to wtedy, gdy usuniemy nawet różnicę w składzie.
Diament składa się z węgla.
Grafit również.
W diamencie każdy atom węgla jest połączony z sąsiadami w sztywnej, przestrzennej sieci. W graficie atomy tworzą płaskie warstwy, które stosunkowo łatwo przesuwają się względem siebie.
Efekt?
Jednym materiałem można pisać po papierze. Drugi należy do najtwardszych naturalnych materiałów.
Nie zmieniliśmy pierwiastka. Zmieniliśmy sposób połączenia jego atomów.
W chemii organicznej możliwości robią się jeszcze większe. Węgiel potrafi tworzyć długie łańcuchy, pierścienie i rozbudowane struktury, do których dołączają wodór, tlen, azot, siarka i inne pierwiastki.
Powstają cukry, tłuszcze, białka, alkohole, leki, barwniki, tworzywa sztuczne i niezliczona liczba innych substancji.
Świat na poziomie podstawowych składników okazuje się więc dość oszczędny.
Całe szaleństwo zaczyna się przy ich łączeniu.
Dlaczego więc nie możemy zjeść plastiku?
Bo układ pokarmowy nie rozkłada wszystkiego do pojedynczych atomów.
Gdyby tak działał, problem byłby prostszy. Wrzucalibyśmy do żołądka dowolny materiał zawierający odpowiednie pierwiastki, a organizm odzyskiwałby z niego potrzebny węgiel, wodór czy tlen.
Tymczasem trawienie polega przede wszystkim na rozbijaniu konkretnych cząsteczek.
Robią to enzymy, czyli biologiczne narzędzia wyspecjalizowane w przeprowadzaniu określonych reakcji chemicznych.
Skrobia znajdująca się w chlebie ma strukturę, którą nasze enzymy potrafią rozłożyć do mniejszych cukrów, ostatecznie między innymi do glukozy.
Długie łańcuchy polietylenu mają inną budowę. Nasz układ pokarmowy nie ma zestawu enzymów, który pozwalałby potraktować foliową torbę jak źródło kalorii.
Do tego tworzywa sztuczne mogą zawierać barwniki, stabilizatory, plastyfikatory i inne dodatki, których również nie chcielibyśmy wykorzystać jako składników obiadu.
Niejadalność plastiku nie oznacza jednak, że jego atomy są niejadalne.
To ich aktualna organizacja stanowi problem.
A gdyby zacząć od kawałka metalu?
Tutaj szybko widać granicę całej zabawy.
Wyobraźmy sobie kostkę czystego żelaza.
Możemy dowolnie przekładać zawarte w niej atomy, ale nadal będziemy mieć atomy żelaza. Nie zbudujemy z nich glukozy, ponieważ glukoza potrzebuje węgla, wodoru i tlenu. Nie zbudujemy białka, bo nie mamy między innymi węgla i azotu.
Żeby zamienić żelazo w węgiel, należałoby zmienić samo jądro atomu, czyli liczbę jego protonów.
To już nie chemia.
To reakcja jądrowa.
Dlatego pytanie o kanapkę z plastiku przypadkiem trafia na całkiem dobry materiał. Tworzywa sztuczne i żywność mają ze sobą chemicznie więcej wspólnego, niż sugeruje ich wygląd.
Czy wystarczyłoby więc po prostu przestawić wszystkie atomy?
W najbardziej dosłownym sensie można sobie wyobrazić maszynę, która rozbiera plastik i inne dostarczone materiały na atomy, a następnie układa z nich cząsteczki występujące w chlebie, serze czy pomidorze.
Problem polega na skali.
W zwykłej kanapce znajduje się mniej więcej rzędu:
10 000 000 000 000 000 000 000 000 atomów.
To 10²⁵, czyli dziesięć kwadrylionów atomów.
Wyobraźmy sobie absurdalnie szybką maszynę, która potrafi prawidłowo ustawić miliard atomów w każdej sekundzie.
Gdyby musiała zajmować się nimi pojedynczo, ułożenie 10²⁵ atomów zajęłoby jej około 317 milionów lat.
Oczywiście to tylko eksperyment myślowy. Prawdziwa chemia na szczęście nie działa przez ustawianie atomów jeden po drugim.
Chociaż sam pomysł manipulowania pojedynczym atomem wcale nie jest fantazją.
W 1989 roku fizyk Donald Eigler z IBM wykorzystał skaningowy mikroskop tunelowy do przesuwania atomów ksenonu po powierzchni. W ciągu 22 godzin zespół ułożył 35 atomów w napis „IBM”. Eksperyment wymagał między innymi ultrawysokiej próżni i temperatury bliskiej zeru absolutnemu.
Od 35 atomów do kanapki pozostaje jednak dość długi odcinek.
Natura znalazła lepszy sposób
Weźmy pomidora.
Roślina nie znajduje gotowych pomidorów w ziemi w postaci zestawu części do złożenia.
Pobiera wodę, dwutlenek węgla i składniki mineralne. Dostaje energię ze światła.
A potem buduje z tego cukry, tłuszcze, białka, ściany komórkowe, nasiona i całą resztę pomidora.
Nie istnieje w niej maleńkie ramię robotyczne ustawiające atomy jeden po drugim.
Zamiast tego zachodzą ogromne liczby reakcji chemicznych. Enzymy przyspieszają określone procesy, cząsteczki reagują ze sobą, niektóre struktury samorzutnie się organizują, a komórka cały czas steruje przepływem materii i energii.
Atom węgla znajdujący się dziś w atmosferze jako część CO₂ może po pewnym czasie znaleźć się w cząsteczce cukru w truskawce.
A później w człowieku, który tę truskawkę zje.
To znacznie lepszy sposób „przestawiania atomów” niż układanie ich pęsetą.
I właśnie dlatego pomysł z plastikiem przestaje być wyłącznie filozoficzną zabawą.
Jedzenie z plastiku naprawdę ktoś próbował zrobić
Badania nie polegają oczywiście na przepuszczaniu reklamówki przez urządzenie, z którego po chwili wyskakuje tost.
Pomysł jest bardziej okrężny.
Najpierw tworzywo można rozłożyć na prostsze związki chemiczne. Następnie mikroorganizmy mogą wykorzystać część tych substancji jako źródło węgla i przebudować je w swoją własną biomasę.
W przypadku PET badacze analizowali możliwość połączenia chemicznego rozkładu plastiku z mikroorganizmami produkującymi jadalną biomasę bogatą w białko. Nie oznacza to, że technologia nadaje się dziś do masowej produkcji żywności. Sam rozkład tworzywa, oczyszczanie produktów i bezpieczeństwo całego procesu pozostają poważnymi problemami.
Jeszcze dalej poszła amerykańska DARPA w programie ReSource.
Celem było opracowanie systemów, które mogłyby wykorzystywać odpady, w tym tworzywa sztuczne, jako surowiec do produkcji użytecznych substancji: olejów, smarów, materiałów i jadalnych makroskładników.
Program nie skończył się wyłącznie na pomyśle. Według prowadzącego go Leonarda Tendera udało się pokazać, że biologia może skutecznie przekształcać związki pochodzące z plastikowych odpadów w inne produkty. DARPA określała program jako udany, a opracowane demonstratory obejmowały między innymi produkcję mikrobiologicznej biomasy białkowej.
Nadal daleko stąd do kuchennego urządzenia, do którego wkładamy butelkę, wybieramy „kanapka z serem” i naciskamy Start.
Ale podstawowa idea okazała się fizycznie sensowna.
Atomy węgla uwięzione w plastiku można odzyskać i wprowadzić do zupełnie innego obiegu chemicznego.
A gdybyśmy mieli wszystkie potrzebne atomy?
Załóżmy już czysto teoretycznie, że mamy dowolną ilość węgla, wodoru, tlenu, azotu, fosforu, siarki, wapnia, sodu i wszystkich pozostałych potrzebnych pierwiastków.
Potrafimy również dowolnie tworzyć i rozrywać wiązania chemiczne.
Czy można z tego zrobić kanapkę?
Tak.
Trzeba byłoby zbudować odpowiednie cukry, białka, tłuszcze, witaminy, związki smakowe i zapachowe, sole oraz ogromną ilość wody.
Ale nawet to jeszcze nie wystarcza.
Kanapka nie jest workiem zawierającym właściwe cząsteczki w odpowiednich proporcjach.
Chleb ma strukturę miękiszu, pęcherzyki gazu, odpowiednio rozmieszczoną wodę, białka i skrobię. Ser ma swoją strukturę tłuszczów i białek. Pomidor składa się z komórek posiadających błony i ściany komórkowe.
Gdyby wszystkie cząsteczki prawdziwej kanapki dokładnie zmielić i wymieszać na poziomie mikroskopowym, skład chemiczny nadal mógłby się zgadzać.
Tylko lunch zrobiłby się wyraźnie mniej atrakcyjny.
Na kolejnych poziomach cały czas wraca więc ta sama zasada.
Rodzaj atomów ma znaczenie.
Sposób ich połączenia również.
A potem znaczenie ma jeszcze sposób ułożenia powstałych cząsteczek w większe struktury.
Z tych samych klocków
Początkowe pytanie można więc trochę odwrócić.
Dziwne nie jest to, że plastik i kanapka mają ze sobą coś wspólnego.
Dziwniejsze wydaje się raczej to, jak ogromną różnorodność świata można uzyskać z tak ograniczonego zestawu podstawowych składników.
Tablica okresowa mieści się na jednej kartce.
Znaczną część codziennego świata buduje tylko fragment znajdujących się na niej pierwiastków.
A z nich powstają powietrze, skały, oceany, drzewa, bakterie, plastikowe butelki, cukier, komputery i ludzie.
Atom węgla nie jest przeznaczony do bycia częścią człowieka, drzewa, diamentu ani reklamówki.
Może znaleźć się w każdym z nich.
Dlatego z kawałka plastiku nie zrobimy kanapki po prostu przesuwając kilka atomów z lewej na prawą. Potrzeba dodatkowych pierwiastków, ogromnej liczby reakcji i niezwykle skomplikowanej organizacji materii.
Ale sam pomysł, żeby potraktować plastik jako zestaw klocków i zbudować z części z nich coś zupełnie innego?
Chemia robi podobne rzeczy bez przerwy.
Źródła i dalsza lektura
- International Union of Pure and Applied Chemistry, Periodic Table of Elements – aktualna tablica okresowa IUPAC
- NOAA, The Atmosphere – skład ziemskiej atmosfery
- NCBI Bookshelf, The Chemical Components of a Cell – pierwiastki dominujące w organizmach żywych
- IBM, Nanotechnology – historia manipulowania pojedynczymi atomami
- Trends in Biotechnology, Chemical and biological upcycling of polyethylene terephthalate plastics into food – PET jako potencjalny surowiec do produkcji mikrobiologicznego białka
- DARPA, rozmowa o programie ReSource – podsumowanie badań nad przetwarzaniem odpadów w użyteczne produkty
