Połączenie metastabilności i ciśnienia może zmienić nasz świat, także ten najbliższy dla każdego z nas. Badania tego fenomenu mogą doprowadzić do przełomu poznawczego oraz niezwykłych aplikacji rewolucjonizujących współczesną inżynierię materiałową. Spodziewamy się, że ilość nowych materiałów, często o własnościach nieprzewidywanych nawet przez twórców literatury science fiction, może wzrosnąć nawet 5-krotnie. To także nowe metody konserwacji żywności, obejmujące praktycznie wszystkie produkty na rynku i umożliwiające długotrwałe zachowanie własności zdrowotnych i smakowych.

Materia może istnieć w różnych stanach zależnych tylko od temperatury i ciśnienia, na przykład woda ochłodzona poniżej temperatury topnienia/krzepnięcia zamienia się w ciało stałe (lód), a podgrzana powyżej temperatury wrzenia staje się gazem (pod ciśnieniem atmosferycznym). Jednak może ona zachować stan ciekły również poza tymi temperaturami – przegrzana para wodna o temperaturze 120 oC - 130 oC jest od dziesięcioleci niezwykle ważnym technologicznie materiałem. Dwie ostatnie dekady pokazały z kolei możliwość zachowania stanu ciekłego wody przy temperaturze do (minus!) –36 oC, co automatycznie odsłoniło jej szereg nowych i niezwykłych własności. Zjawisko metastabilności, czyli utrzymania stabilnego stanu fizycznego i chemicznego danej substancji poza obszarem równowagi termodynamicznej wyznaczonej temperaturą lub ciśnieniem, pozwala tworzyć coraz bardziej wyrafinowane technologie materiałowe. Nic zatem dziwnego, że stało się ono wyzwaniem dla nauki XXI wieku.

Warto jednak wiedzieć, że to co dziś jest przedmiotem dociekań naukowców, kiedyś było wykorzystywane w sposób intuicyjny. Podziw i zachwyt wzbudzają szklane naczynia z czasów Imperium Rzymskiego cesarza Augusta, tak zaawansowane technologicznie, że do dzisiaj nie potrafimy ich odtworzyć! Rzymianie jako pierwsi używali też doskonale izolujących „kompaktowych” szyb okiennych w chłodnych regionach Imperium Romanum. Na prawie 2000 lat zapomniano o tych niezwykłych technologiach by ponownie odkryć, że używane tam szkło to „zamrożona” metastabilna ciecz krzemionkowa z domieszkami. Równie duże wrażenie robią na nas miecze Samurajów o niezwykłej giętkości, połączonej z legendarną ostrością i twardością. Dziś wiemy, że ich własności powstały na skutek utrwalenia w stanie metastabilnym „metalowej cieczy”.

Zaawansowana inżynieria materiałowa, to jedno z najważniejszych kół napędowych cywilizacji. Pozwala ona na tworzenie materiałów o niebywałych wręcz własnościach i aplikacjach nieprzewidzianych nawet w powieściach science fiction. Jednak dzisiaj rozwój aplikacji wymaga gruntownego wstępnego poznania własności podstawowych.

Uczestnicy ARW NATO Metastable Systems under Pressure, (Odessa, październik 2008)

Szacuje się, że metastabilność indukowana ciśnieniami aż do granic ekstremalnych może nawet pięciokrotnie zwiększyć liczbę znanych nam oraz technologicznie i badawczo istotnych materiałów. Podczas odbywającej się niedawno konferencji w Lawrence Livermore Natl. Lab. (USA) stwierdzono, że w związku z tym nadchodzi jeden z wielkich momentów w historii nauki…

Co to są ekstremalne ciśnienia? Są to ciśnienia przekraczające 1 GPa ( = 10 000 atm) i sięgające wartości ujemnych (!) z drugiej strony. Warto tu zaznaczyć, że ciecz czy ciało stałe może być „rozciągnięte” do obszaru ujemnych ciśnień, bez jakiegokolwiek efektu przy mijaniu ciśnienia P = 0. Ten fakt należy szczególnie podkreślić, bo panuje błędne przekonanie że P = 0 (~ próżnia) stanowi jakąś absolutną granicę. To nieprawda! A raczej prawda - ale tylko dla gazu.

By sprostać wielkiemu wyzwaniu nowych technologii związanych z metastabilnością i ekstremalnym ciśnieniem, w Europie, USA i Japonii powstała ostatnio grupa nowych i niezwykle silnych naukowo oraz finansowo centrów badawczych. W Polsce takiego centrum nie ma. Szkoda, gdyż stosunkowo niewielkie nakłady mogą tu dać ogromne korzyści poznawcze i aplikacyjne. Pomimo to, w Instytucie Fizyki naszego Uniwersytetu powstał ośrodek, który własnym sumptem oraz nakładami pochodzącymi z oszczędności i aranżacji skromnych lokalnych środków doszedł do poziomu porównywalnego z wiodącymi zespołami na świecie. Jest to efekt wieloletniego, mądrego i inspirującego działania prof. zw. dr. hab. Jerzego Zioło, kierownika Zakładu Biofizyki i Fizyki Molekularnej i pracy wdzięcznych mu uczniów – prof. dr. hab. Sylwestra J. Rzoski, dr Aleksandry Drozd-Rzoski, dr. hab. Mariana Palucha.

Od 4 do 8 października ubiegłego roku autor tego artykułu, we współpracy z prof. Victorem Mazurem (OSAR, Odessa, Ukraina) zorganizowali Advanced Research Workshop (ARW) NATO Metastable Systems under Pressure: Platform for Novel Technological and Environmental Applications. Wydarzenie to miało miejsce we wspaniale odrestaurowanych, w stylu imperialnym, wnętrzach hotelu „Londonskaya” w Odessie. ARW NATO, to unikalna konferencja, spotkanie typu „burzy mózgów” dla najlepszych specjalistów na świecie. Uczestnictwo w niej jest dla naukowca oznaką jego szczególnej pozycji w świecie nauki. Koszty konferencji pokrywa grant NATO, a możliwość jej organizacji stanowi wielki honor. Tym bardziej cieszy fakt, że zostałem już po raz trzeci dyrektorem-organizatorem ARW NATO, co zdarzyło się po raz pierwszy w historii tego programu naukowego.

Jest to ważne wydarzenie dla naszej Uczelni z dwóch powodów: uznania jej pozycji międzynarodowej przez Panel Programu Naukowego NATO oraz z uwagi na jakże istotną dla Polski współpracę z Ukrainą. W sierpniu bieżącego roku ukazała się także po-konferencyjna monografia Metastable Systems under Pressure, eds. S. J. Rzoska, A. Drozd-Rzoska, V. Mazur (Springer Verlag, Berlin, 2009, ISBN: 978-90-481-3406-9), którą polecam wszystkim zainteresowanym.

Książka ta zawiera najnowsze wyniki dotyczące: niezwykłych własności metastabilnej wody (G. Franzese, USA), cieczy przechłodzonych przechodzących w stan szkła (C.M. Roland, K.L. Ngai, USA; S. J. Rzoska, M. Paluch, Polska), niesamowitych własności protein (białek) pod ciśnieniem (M.C. Bellisent-Funel, Francja), materiałów ciekłokrystralicznych pod ciśnieniem, z nanocząstkami i w warunkach ograniczonej nano-geometrii (A. Drozd-Rzoska, Polska; S. Kralj, Słowenia). Poświęcona jest też nowym odkryciom wpływu ekstremalnych ciśnień na „głębokie” struktury Ziemi – aż do jej jądra (V. Brazkhin, K. Shmulovich, Rosja), ujemnym ciśnieniom oraz niebezpieczeństwom „hydraulicznego młota” w systemach chłodzenia reaktorów jądrowych (A. R. Imre, Węgry), zjawiskom w pobliżu niedawno odkrytego punktu krytycznego ciecz-ciecz (V. Mazur, Ukraina), plastycznym kryształom przechodzącym w stan szkła, jakże ważnym w farmacji (J. Ll. Tamarit, Hiszpania) oraz niezwykłym fenomenom w naturalnych laboratoriach ciśnieniowych w głębokich szczelinach Morza Czerwonego (C. Ramboz, L. Mercury, France).

Przykładem związku pomiędzy badaniami fundamentalnymi i ważną dla każdego z nas aplikacją jest wpływ ciśnienia na proteiny. Wszyscy korzystamy z „dobrodziejstwa” mleka w kartonach dopuszczonego do spożycia czasem nawet przez rok. Jest to możliwe dzięki procesowi pasteryzacji, czyli podgrzaniu go na krótki czas do ok. 80 oC. Proces ten tak silnie działa na białka, że mikroorganizmy go nie przeżywają. Niestety, temperatura ma wpływ również na białko w mleku. Następuje tzw. koagulacja, w efekcie której nie tylko smak mleka w kartonach nie ma wiele wspólnego z tym „prosto od krowy”, ale jest jeszcze gorzej – mleko w kartonach po stosunkowo krótkim okresie przechowywania może mieć tylko 10 % korzystnych dla zdrowia własności mleka świeżego. Oznacza to, że w przypadku mleka z kartonu, hasła „Mleko to Zdrowie”, „Pij mleko będziesz Wielki” należałoby zmienić na „Pij mleko – ugasisz pragnienie”, bo zdrowia czy „wielkości” z tego raczej nie będzie.

Na szczęście pokazała się nowa, już stosowana, technologia „pasteryzacji” mleka o temp. ok. 20 oC za pomocą działania ciśnienia o wartości ok. 5 000 atm. Wszystkie mikroorganizmy wtedy giną, a potrzebne nam białka w mleku nie ulegają degeneracji! Tak „ciśnieniowo zakonserwowane” mleko zachowuje 90% swoich zdrowotnych własności nawet przez rok! Po ARW NATO wiemy, że jeszcze lepsze efekty daje ujemne ciśnienie (- 50 atm). Najwspanialsze w tej technologii jest to, że pozwala ona zakonserwować np. kawałki świeżego mięsa bez jakiejkolwiek utraty walorów smakowych i zdrowotnych, co do tej pory było absolutnie niemożliwe. To wręcz przełom w konserwacji tego typu produktów. Mogę tylko dodać z własnego doświadczenia, że ciśnieniowo konserwowane dżemy i marmolady nabierają nowych niebiańskich walorów smakowych. Obecnie trwają przygotowania do eksperymentów z serami… ich wyniki mogą być bardzo smakowite. Tylko te przykłady pokazują, że badania łączące metastabilność i ciśnienie mogą zmienić nasz świat, także ten nam najbliższy.

W interdyscyplinarnej dyskusji ARW NATO w Odessie brało udział 37 badaczy z 11 krajów. Zgodnie z tradycją tego typu konferencji przez pięć dni uczestnicy mieli szansę dzielić się wiedzą w komfortowym i inspirującym otoczeniu, z pięknym widokiem na Morze Czarne, tuż obok sławnych schodów znanych z filmu „Pancernik Potiomkin” Sergiusza Eisensteina. Konferencja była zorganizowana w ramach grantu ARW NATO dla autora tego artykułu i przy pomocy Uniwersytetu Śląskiego, który pokrył koszt materiałów biurowych. Warunkiem sukcesu projektu było włożenie mnóstwa wysiłku umysłowego, emocjonalnego, fizycznego a także finansowego w istotnej części pochodzącego ze środków prywatnych. Jedyną pomocą, nie do przecenienia, była i pozostanie współpraca przy organizacji i edycji książki z moimi przyjaciółmi: dr Aleksandrą Drozd-Rzoska i Victorem Mazurem (Ukraina) .

Zanim zaproszę do lektury książki Metastable Systems under Pressure (Springer Verlag, Berlin, 2009), chciałbym także podziękować p. Iwonie Jarockiej (Sekcja Finansowo-Księgowa Funduszy Strukturalnych i Międzynarodowych) oraz p. Bożenie Kwietniewskiej (Dział Projektów Międzynarodowych i Współpracy z Zagranicą) za życzliwą i kompetentną pomoc w obsłudze administracyjnej projektu.

Metastable Systems under Pressure to interdyscyplinarna pozycja naukową, którą polecam wraz z koedytorami, fizykom fazy skondensowanej, chemikom zainteresowanym ekstremalnymi ciśnieniami – szczególnie z zakresu chemii fizycznej i polimerów, geofizykom i specjalistom fizyki biologicznej. Polecamy ją także doktorantom, bo wskazuje istotne trendy we współczesnej inżynierii materiałowej.