Poměrně běžný minerál scapolit se vlivem UV záření mění z bílého na modrý. Změna, která je po odstranění UV zdroje reverzibilní, trvá jen několik sekund, protože se atomy ve struktuře pohybují na krátké vzdálenosti. (Vzorek je z Afghánistánu) Foto: Sami Vuori, University of Turku.

V podstatě ale všechno, co nám Země poskytuje, je pro nás pokladem, často životně nepostradatelným. Přesto již naši dávnější předkové na vysoké příčky hodnot umístili z přírodnin i to, co bylo jen vzácné a krásné, pro jejich život zbytné, co však prezentovalo vyšší společenský status a zhmotňovalo bohatství – zlato, drahokamy i polodrahokamy. Nakonec dnes tomu není výrazně jinak. Zajímavé minerály nás tedy fascinují od nepaměti. Navíc, když některé mají i zvláštní vlastnosti. Například mezi sběrateli vysoce ceněný minerál hackmanit [sumárný vzorec Na₈Al₆Si₆O₂₄(Cl,S)₂], vzácně se vyskytující odrůda hlinitokřemičitanu sodalitu (naleziště Afghánistán, Myanmar, Kanada, poloostrov Kola). Spolu s dalším členem skupiny sodalitu, tugtupitem [Na₈Be₂Al₂Si₈O₂₄(Cl,S)₂] a skapolitem, o nichž ještě také bude řeč, patří mezi několik málo minerálů, které mění barvu, když absorbují energii záření s vhodnou vlnovou délkou. Jev se obecně nazývá fotochromismus, v případě minerálů se ale spíše setkáte s pojmem „tenebrescence“. Jev přitažlivý nejen pro sběratele, ale i pro vědce. Například pro tým z Katedry chemie druhé největší finské Univerzity v Turku, který se věnuje výzkumu inteligentních materiálů.

Léta výzkumu hackmanitu

Finští vědci již před léty svůj zájem zaměřili právě na hackmanit, který vlivem UV záření mění barvu z bílé či jemně růžové na fialovou různých odstínů. Samozřejmě nejvyhledávanější jsou vzorky, jež výrazně ztmavnou. Vlastnost je reverzibilní. Když přestanou působit excitační paprsky, minerál postupně opět zbledne. Tuto zpětnou proměnu lze urychlit pomocí intenzivního bílého světla nebo tepla (infračerveného záření).

Profesor Mika Lastusaari z Katedry chemie Univerzity v Turku šéfuje skupině, jež se zabývá chemii inteligentních materiálů Kredit: University of Turku.

Přírodní minerál, zejména složitý křemičitan, však není chemicky úplně přesně definovatelná látka. Při krystalizaci dochází ve vnitřní struktuře k různým substitucím mezi blízkými prvky, případně i k jiným poruchám vnitřní stavby. Samozřejmě to ovlivňuje fyzikální vlastnosti, proto se konkrétní projevy tenebrescence mohou vzorek od vzorku lišit a zanícení sběratelé vědí, nejen v kterém státě a na kterém nalezišti, ale i přesněji v které jeho části lze najít ty nejhezčí kousky. Kromě fotochromismu má hackmanit ještě jednu zajímavou optickou schopnost – luminiscenci. Ale jen některé vzorky ve tmě svítí. Bílým nebo jemně oranžovým odstínem po předcházejícím ozářením intenzivním bílým (denním) viditelným světlem. Po absorpci energie UV paprsků se s jejich zkracující se vlnovou délkou luminiscenční barva posouvá od hnědo-oranžové po zelenomodrou až modrou. Přítomnost a intenzita působivé luminiscence závisí od složení minerálu. Při umělé syntéze hackmanitu, která prý není složitá ani nákladná, lze chemizmus cíleně ovlivňovat, a tím i fyzikální vlastnosti. Fotochromie a luminiscence jsou zajímavé nejen pro výrobce šperků. Chemikové z Univerzity v Turku tomuto minerálu věnují pozornost již celé desetiletí kvůli možnostem jeho praktičtějšího využití. Před dvěma lety zveřejnili studii, v níž díky „mezinárodní spolupráce mezi vědci z různých oborů – chemiků, mineralogů, geologů, fyziků, statistiků a odborníků na počítačové modelování vlastností materiálů“ rozluštili, jako atomy síry, draslíku, titanu, železa a jejich poměry ve vnitřní struktuře přírodního hackmanitu přispívají k jeho schopnosti luminiscence. Rozluštění této tajenky umožňuje cíleně ovlivnit intenzitu a délku vyzařování umělého minerálu natolik, že vědci zkoumají možnost ho používat například jako náhradu za LED diody, nebo v různých, v noci autonomně svítících bezpečnostních značek, jakými jsou například v budovách směrovky nouzových východů. K podobným účelům se zatím nejperspektivnějším jeví syntetický hackmanit, v jehož struktuře je část sodíku nahrazena lithiem a takzvané sodalitové klece (vzájemně propojené komolé oktaedry – viz obrázek) jsou dopovány atomy titanu [(Li,Na)₈Al₆Si₆O₂₄(Cl,S)₂ :Ti³⁺]

Vzácná odrůda sodalitu, hackmanit, se během několika minut přebarví z bílé na fialovou, když je ozářen ultrafialovými paprsky. Běžné bílé světlo ho opět odbarví. (Vzorek je z Grónska) Foto: Mika Lastusaari, University of Turku.

Hackmanit jako detektor radiace?

Téměř všechny informační zdroje zmiňují působení UV záření, jako podmínku nutnou k vyvolaní barevné změny. Snad proto, že kdokoli si může zdroj UV světla zakoupit a opakovaně obdivovat zajímavou chromatickou proměnu. Nicméně lze ji vyvolat i rentgenovými paprsky a finští vědci již loni psali o možnosti využití hackmanitu v oblasti tohoto, pro člověka nebezpečného ionizujícího záření. Protože závislost mezi dávkou rentgenového osvitu a intenzitou barvy minerálu se ukázala být lineární, vědci se pustili do vývoje jednoduchých a levných vizuálních dozimetrů pro lidi pracující v rizikovém prostředí, a také pasivních detektorů pro měření radiačních dávek, jimiž jsou vystaveny materiály během kosmických letů. První prototypy jsou již připraveny k testům na Mezinárodní vesmírné stanici. Protože u těchto přístrojů je působení UV složky světelného spektra rušivé, minerální povrch musí být potažen vrstvou, která ho pohlcuje.

Strukturu oligomerních hlinitokřemičitanových minerálů tvoří stavební bloky. Ve struktuře zeolitů a sodalitů jsou navzájem propojeny tzv. sodalitové klece ve tvaru komolých oktaedrů. V takové krystalové mřížce mohou být uvězněny atomy některých prvků, v případě zeolitů i celé molekuly. Kredit: Osel, vlastní dílo (upraveno podle J.D.F.Ramsay, S.Kallus, Membrane Science and Technology, 2000).

K zajímavému výsledku vedl experiment, který naznačil možnost využití minerálu při rentgenovém zobrazení. Vědci našli mrtvého mravence, kterého umístili na destičku s povrchem z upraveného hackmanitu. Když hmyzí tělo prosvítili rentgenem, tkáň část záření pohltila, takže na fotochromickém podkladu se vytvořil barevný obraz nejen exoskeletálních obrysů, ale také detailů uvnitř mravenčího těla téměř jako u standardního rentgenového snímku. Pozitivní stránkou je, že tenebrescenční snímek stačí již jen ofotit a hackmenitovou podložní desku před dalším použitím odbarvit bílým světlem nebo teplem. Rubem mince je přece jen menší kontrast, k jeho zlepšení je nutná vyšší radiační dávka, přesahující hodnoty u běžného rentgenového vyšetření. Nicméně i v tomto směru vědci bádají dále.

Hackmanit jako detektor UV indexu slunečního záření?

Vzácný minerál tugtupit patří do skupiny sodalitu. Vystaven UV záření se barví do růžova. Návrat zpět k bílé barvě trvá několik hodin, protože se atomy ve struktuře přesouvají na delší vzdálenosti. (Vzorek je z Grónska) Foto: Sami Vuori, University of Turku.

Když již zmiňujeme detektory, asi reálnější perspektivu využití má hackmanit v ultrafialovém spektrálním rozsahu. I zde intenzita jeho fotochromického přebarvení závisí na míře osvitu a vhodně uzpůsobený syntetický minerál lze využít při měření UV indexu slunečního záření. Laboratoře finského týmu prý již opustil malý osobní detektor, který lze připojit k mobilnímu telefonu.

Na stopě tajemství barevných změn

Přes všechny tyto zajímavé a léta probíhající výzkumy studie odhalující fyzikální podstatu tenebrescence nejen hackmanitu, ale dvou dalších minerálů s podobnými vlastnostmi, tugtupitu a scapolitu, spatřila světlo světa jen nedávno, 2. července, v americkém odborném časopisu Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Vědci přišli na kloub překvapivé stabilitě minerální struktury, kterou ani mnohokrát opakované chromatické změny nenaruší, na rozdíl od organických materiálů s touto vlastností, která se časem degraduje. Článek žel není volně přístupný, ale z dostupných informací lze vyčíst, že na rozdíl od látek na bázi uhlovodíků, v křemičitanových minerálech dochází ke zcela reverzibilním změnám, jež nenarušují stabilitu strukturní mřížky. Fotochromické tajemství minerálů se ukrývá v neobvyklém pohybu atomů sodíku, které spolu s atomy chlóru sídlí uvnitř „zeolitických klecí“ (komolých oktaedrů), z nichž se vnitřní struktura skládá. Působením energetického UV nebo rentgenového záření sodík mění polohu, a tím i chromatické vlastnosti minerálu. Od vzdálenosti, o níž se atom posouvá, pak závisí i rychlost těchto barevných reverzibilních změn. Atom sodíku se u hackmanitu a tugtupitu přesouvá na delší vzdálenost než u scapolitu, který v důsledku toho mění barvu nejrychleji.

Profesor Mika Lastusaari z Katedry chemie Univerzity v Turku, ve snaze výsledek práce srozumitelněji vysvětlit, uvedl: "V tomto výzkumu jsme poprvé zjistili, že v procesu změny barvy probíhá ve skutečnosti také strukturální změna. Atomy sodíku se uvnitř krystalové mřížky posunou relativně daleko od svých obvyklých míst a pak se vracejí zpět. To lze nazvat strukturním „dýcháním“, které vnitřní uspořádání nezničí, i když se opakuje mnohokrát“.

Video: Tenebrescentní hackmanit Kredit: Electrical History Museum

Literatura: Proceedings of the National Academy of Sciences; Chem. Mater.; Advanced Optical Materials; University of Turku