Környezetünkben gyakran megfigyelhetők olyan rendszerek, amelyekben makroszkopikus önszerveződés, spontán rendezettség jön létre időben és/vagy térben periodikus struktúrákat eredményezve. Kémiai reakciók és transzportfolyamatok együttes hatása biztosítja a geometriai alakzatokra hasonlító koncentrációeloszlás, azaz a mintázatok megjelenését. Az SZTE Kémiai Tanszékcsoport Nemlineáris Dinamika és Kinetika Kutatócsoportjában foglalkozunk a mintázatképződés elméleti és kísérleti vizsgálatával, a szerkezetek minőségi és mennyiségi jellemzésével.

A Chemical Communications rangos folyóiratban (és annak belső címlapján) megjelent közleményben a kalcium-oxalát áramlás-vezérelt kialakulását tanulmányoztuk. A kalcium-oxalát az élő szervezetekben a vesekövek egyik leggyakoribb alkotója, de egyes növényekben, például a rebarbara és a spenót leveleiben is nagy mennyiségben található. A természetben egy-, két- és három kristályvizet tartalmazó kristályként fordul elő. Termodinamikailag a monohidrát forma stabil, és vizes közegben az instabil dihidrátot csak speciális stabilizáló adalékok segítségével lehet előállítani. 

Munkánkban különböző összetételű nátrium-oxalát-oldatokba alulról, vékony kapillárison keresztül, különböző áramlási sebességgel kalcium-klorid-oldatot áramoltattunk. A csapadékmintázat kialakulását és fejlődését digitális kamerával rögzítettük, a kémiai összetételt különböző módszerekkel határoztuk meg. A szilárd mintázat az edény alján jön létre, és sugárirányban szálszerű képződményeket tartalmaz. Az 1. ábra közepén látható a nagyobb koncentrációjú (és sűrűségű) kalcium-klorid-oldat beáramoltatásának helye, amelytől bizonyos távolságban megfigyelhető a nagyobb mennyiségben levált csapadék. A csapadék nem egyenletes eloszlású, sugárirányban kialakuló szálszerű képződmények sokasága található meg benne.

1. ábra A kalcium-oxalát csapadékmintázat képe.

Megállapítottuk, hogy az áramlási sebesség növelése a termodinamikailag instabil, kalcium-oxalát dihidrát kialakulásának kedvez, ami áramlásmentes körülmények között vizes közegben  nem tapasztalható. A 2. ábrán az áramlásmentes rendszerre jellemző rózsaszerű, kalcium-oxalát monohidrát, illetve a pillangó alakú kalcium-oxalát dihidrát struktúrák láthatók.

2. ábra Pásztázó elektronmikroszkópos felvétel az áramlásos mintából

(fehér vonal: 10 µm).

Bohner Bíborka, Schuszter Gábor, Berkesi Ottó, Horváth Dezső és Tóth Ágota