John Dalton, ο πατέρας της νανοτεχνολογίας
200 χρόνια ατομικής θεωρίας

Από σελίδα του BBC, 17 Οκτωβρίου 2003

Όταν ο John Dalton, στις 21 Οκτωβρίου 1803, ανακοίνωσε την ατομική του θεωρία σε μια συνεδρίαση της Φιλοσοφικής Εταιρείας του Μάντσεστερ, ξεκίνησε μια επανάσταση.

Με αυτήν την ομιλία, η νέα ατομική του θεωρία συνέτριψε τους αλχημιστές και τους μαγικούς τύπους τους για το χρυσό.

Είχε βάλει τη χημεία στο μονοπάτι ώστε να γίνει μια σύγχρονη επιστήμη.

"Το κρίσιμο βήμα ήταν να συζητούμε για τα άτομα μέσα στις ενώσεις, κι όχι να μιλάμε για το νερό. Έτσι, ασχολούμαστε για τα ιδρυτικά στοιχεία του νερού, το υδρογόνα και το οξυγόνο του", λέει ο νομπελίστας καθηγητής Harry Kroto.

"Δεν ξέρω πώς μπορούσαν να κάνουν χημεία πριν από αυτήν την ανακάλυψη."

Ο καθηγητής Kroto, είναι φημισμένος για την ανακάλυψη των ενώσεων buckyballs από άνθρακα, θα κάνει μια διάλεξη προς τιμή του Dalton αυτή η εβδομάδα, για τα 200 χρόνια της ατομικής θεωρίας.

Η ατομική θεωρία του Dalton

• Η ύλη φτιάχνεται από άτομα

• Τα άτομα είναι όμοια σε κάθε στοιχείο

• Έχουν ξεχωριστές μάζες και ιδιότητες

• Αδιαίρετα και ακατάλυτα

• Συνδυάζονται σε ακέραιους αριθμούς

Τεράστια σημαντική ανακάλυψη

Η ιδέα ότι όλη η ύλη φτιάχνεται τελικά από πολύ μικρά και αδιαίρετα άτομα, είχε ξεκινήσει από την αρχαία ελληνική εποχή και από φιλοσόφους όπως οι Δημόκριτος (440 π.Χ.) και Λεύκιππος.

Αλλά ο Dalton ήταν αυτός που έδειξε ότι τα άτομα πρέπει να υπάρχουν. Ουσιαστικά επέστρεψε όχι μόνο στην θεωρία του Δημόκριτου αλλά τους έδωσε και το ίδιο όνομα με αυτόν. Μόνο που η θεωρία του Δημόκριτου βασιζόταν σε υποθέσεις, ενώ ο Dalton βασίστηκε σε 150 χρόνια παρατηρήσεων.

Οι Έλληνες, σαν γεωμέτρες, πίστευαν ότι τα άτομα διαφέρουν μεταξύ τους ως προς το σχήμα, ενώ ο Dalton ως προς το βάρος και γι' αυτό εισήγαγε πρώτος την έννοια ατομικό βάρος.

Ακόμη και σήμερα, ο ορισμός που διδάσκεται στα σχολεία της μέσης εκπαίδευσης, είναι εκείνος που αναφέρεται από τον Dalton το 1808.

"Διάλεξα τη λέξη άτομο για να αποδώσω τα ελάχιστα σωματίδια, αντί για τις αντίστοιχες λέξεις σωματίδιο, μόριο ή οτιδήποτε άλλο, επειδή πιστεύω πως αυτή είναι πιο εκφραστική, αφού εμπεριέχει την έννοια της αδιαιρετότητας την οποία οι άλλες δεν εμπεριέχουν. Μπορεί να φανεί ότι επεκτείνω αρκετά τον ορισμό όταν μιλάω για σύνθετα άτομα. Ονομάζω το στοιχειώδες σωματίδιο του ανθρακικού οξέος ως σύνθετο άτομο. Αυτό το άτομο, μπορεί φυσικά να διαιρεθεί, αλλά τότε παύει να είναι πλέον άτομο ανθρακικού οξέος, αφού έχει αναλυθεί σε άνθρακα και οξυγόνο. Με την έννοια αυτή θεωρώ ότι δεν υπάρχει ανακολουθία όταν αναφέρομαι σε σύνθετα άτομα και αυτό που εννοώ γίνεται σαφές."

Από το 1799 υπήρχαν αρκετά στοιχεία έτσι ώστε για επαληθεύσει ο Proust το νόμο των Καθορισμένων Αναλογιών.

Το 1803 ο Dalton βρήκε ότι το οξυγόνο και ο άνθρακας συνδυάζονται για να κάνουν δύο ενώσεις. Φυσικά, κάθε μία τους είχε διαφορετική αναλογία βάρους του οξυγόνου τους με τον άνθρακα (1.33:1 και 2.66:1 αντίστοιχα), αλλά και, για το ίδιο ποσό άνθρακα, η μία ένωση είχε ακριβώς διπλάσιο οξυγόνο απ' ό,τι η άλλη. Αυτό τον οδήγησε να προτείνει το νόμο των απλών πολλαπλασίων, ο οποίος ελέγχθηκε αργότερα από το χημικό Berzelius.

Σε μία προσπάθεια να εξηγηθούν το πώς και το γιατί τα στοιχεία συνδυάζονται μεταξύ τους σε σταθερές αναλογίες και μερικές φορές επίσης σε πολλαπλάσια εκείνων των αναλογιών, ο Dalton διατύπωσε την περίφημη ατομική θεωρία του.

Η σημαντική ανακάλυψη έγινε όταν ο Dalton ερεύνησε, μαζί με ένα φίλο του χημικό, με ποιο τρόπο τα αέρια θα μπορούσαν να απορροφηθούν από τα υγρά προκειμένου να παραχθεί ένα φαρμακευτικό διάλυμα σόδας.

Η υπόθεση που έκανε ήταν ότι τα αέρια δεν διαλύονται στο νερό σε ίδιες ποσότητες αλλά διαφορετικές.

Ο Dalton πρότεινε ότι αυτό οφείλεται στη φύση των σωματιδίων - τα άτομα - από τα οποία φτιάχνονται τα αέρια.

Κι αυτό του έδωσε την ιδέα να φτιάξει τον πρώτο πίνακα των ατομικών βαρών.

Είναι γνωστό, ότι πολλοί επιστήμονες της εποχής αρνούνταν να αποδεχθούν τη χημική θεωρία του Dalton ακόμα και 100 χρόνια μετά τη διατύπωσή της.

Η θεωρία του ατόμου

Η ύπαρξη του ατόμου αποδείχθηκε μόλις το 1908 από τον Γάλλο φυσικό Jean Perrin.

Μέχρι τότε, τα άτομα του Dalton θεωρήθηκαν κατά ένα μεγάλο μέρος ως κατάλληλο επεξηγηματικό εργαλείο για τους χημικούς, κι όχι μια πραγματικότητα.

Ο Dalton δεν έζησε στην φάση της μεγάλης ανάπτυξης της Χημείας κατά τον δέκατο αιώνα. Ήταν ένα άτομο με πολλά ενδιαφέροντα, αλλά χωρίς να ασχολείται με κανένα σοβαρά. Δίδαξε χημεία αλλά δεν είχε καμία εμπειρία της χημικής έρευνας.

Ίσως αυτό του έδωσε την αυτοπεποίθηση να κάνει ένα βήμα έντονο και απλό: Ανέσυρε τα άτομα από την αφάνεια. Πρότεινε ότι τα χημικά στοιχεία θα μπορούσαν να απεικονιστούν ως κυκλικά σύμβολα όπου στο εσωτερικό τους θα δηλώνοντας τα άτομα-συνιστώσες τους, έτσι ώστε οι ενώσεις να μπορούν να εμφανίζονται σαν μικροί τομείς αυτών των συμβόλων.

Αυτή η απεικόνιση ήταν μια κατάλληλη συντομογραφία για τους χημικούς από τη μια, και μια εξήγηση από την άλλη για τον τρόπο που φαίνονται τα στοιχεία να συνδυάζουν σε σταθερές αναλογίες.

Ακόμη, διατύπωσε και μία θεωρία, σύμφωνα με την οποία δύο διαφορετικά χημικά στοιχεία ενώνονται με απλές αριθμητικές κατά βάρος σχέσεις μεταξύ τους, προκειμένου να σχηματίσουν χημικές ενώσεις. Η θεωρία αυτή οδήγησε τελικά στον νόμο των απλών πολλαπλασίων ή των πολλαπλών αναλογιών, που είναι γνωστός και ως νόμος του Dalton.

Οι χημικοί εκείνη την εποχή μπορούσαν να μετρήσουν τις αναλογίες των βαρών που έχουν τα στοιχεία σε μια ένωση. Για να μετατρέπουν τέτοιες μετρήσεις σε αναλογίες των ατόμων, χρειάζονταν να ξέρουν το βάρος του κάθε ατόμου. Το υδρογόνο έχει τα ελαφρύτερα άτομα, έτσι ο Dalton χρησιμοποίησε τις μετρήσεις των συναδέλφων του χημικών για να εξαγάγει τα βάρη των άλλων ατόμων σε σχέση με το άτομο του υδρογόνου.

Ο Dalton στον Πίνακα Ατομικών Βαρών, το βάρος κάθε στοιχείου αναγραφόταν ως πολλαπλάσιο του βάρους του υδρογόνου, του ελαφρύτερου στοιχείου.

"Βρήκε βασικά έναν τρόπο να ζυγίσει τα άτομα," λέει ο David  Garner, καθηγητής της Χημείας στο Πανεπιστήμιο του Νόττιγχαμ.

Πολλοί από τους αριθμούς του ήταν λάθος: παραδείγματος χάριν, νόμιζε ότι τα άτομα του οξυγόνου ήταν οκτώ φορές βαρύτερα από τα άτομα του υδρογόνου, στην πραγματικότητα, είναι 16 φορές. Αργότερα, ορισμένοι προσεκτικότεροι χημικοί - και ιδιαιτέρως, ο Σουηδός Jöns Jacob Berzelius (1770-1848)- διόρθωσαν αυτά τα λάθη.

Επίσης στον Berzelius οφείλεται, σε μεγάλο βαθμό, ο καθορισμός των συμβόλων των ατόμων με τη μορφή που είναι γνωστά σήμερα, ιδιαίτερα η πρόταση για χρήση και δεύτερου γράμματος, εφόσον ορισμένα στοιχεία είχαν το αυτό αρχικό. (π.χ. C= Carbon, Cl= Chlorine, Cs= Caesium, Cr= chromium κλπ.

Στην εποχή του ο Dalton δεν γνώριζε ότι τα μόρια των στοιχείων μπορούν να αποτελούνται από δύο άτομα, όπως του υδρογόνου κλπ, αλλά θεωρούσε ότι τα μόρια τους έχουν ένα άτομο. Όπως επίσης πίστευε ότι το μόριο του νερού αποτελείται από ένα άτομο υδρογόνου και ένα άτομο οξυγόνου.

Γι' αυτό και οι τιμές που έδωσε για τα ατομικά βάρη περιέχουν ανακρίβειες. Αυτό το λάθος διορθώθηκε μόλις έγινε γνωστή η μοριακή συγκρότηση των διαφόρων ενώσεων, με την περίφημη υπόθεση του Avogadro (1811) αλλά και με άλλα πειράματα και υποθέσεις.

Ο Dalton λοιπόν, απεικόνισε τα άτομα ως κυκλικά σχήματα που μπορούσαν να ενώνονται μεταξύ τους και να σχηματίζουν μεγαλύτερα μόρια.

Οι παραστάσεις αυτές εξηγούσαν με ποιο τρόπο τα συγκεκριμένα στοιχεία αντιδρούσαν μεταξύ τους σε σταθερές πάντα αναλογίες -για παράδειγμα, δύο άτομα υδρογόνου ενώνονται με ένα οξυγόνου για να σχηματιστεί ένα μόριο νερού.

Οι σύγχρονοι του Dalton μπορούσαν να μετρήσουν την αναλογία βάρους για τα διάφορα στοιχεία που αποτελούσαν μια ουσία. Η αναλογία αυτή θα μπορούσε εύκολα να μετατραπεί σε αναλογία ατόμων, αρκεί να ήταν γνωστό το βάρος του ατόμου για κάθε στοιχείο.

Τα άτομα μπορούν να έχουν διαχωριστεί κατά τον τελευταίο αιώνα, αλλά το πώς συνδυάζονται για να σχηματίσουν μια απλή ουσία όπως το νερό ή μια πιο σύνθετη, όπως το μόριο του DNA, τη κοινή βάση της ζωής, έχει περιγραφεί από το Dalton 200 χρόνια πριν.

Ο Dalton έκανε λοιπόν τα άτομα χρήσιμα από επιστημονική άποψη ενώ έβαλε στη σειρά τα χημικά στοιχεία, που ήταν διαθέσιμα εκείνη την εποχή, με βάση τη μάζα τους.

Όμως στην εποχή του υπήρχε σύγχυση στην επιστημονική κοινότητα όσον αφορά τη διάκριση μεταξύ ατόμων και μορίων. Η σαφής διάκριση μεταξύ των δύο εννοιών δόθηκε από τον μαθητή του Avogadro, στα μέσα του 19ου αιώνα, τον Ιταλό Cannizaro. Επίσης καθορίστηκε τότε και η σύσταση του νερού σαν H₂O κι όχι σαν HO όπως θεωρούνταν μέχρι τότε.

Είχε προηγηθεί η Μοριακή Θεωρία του Avogadro το 1811, σύμφωνα με την οποία "Ίσοι όγκοι αερίων στις ίδιες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης, περιέχουν τον ίδιο αριθμό μορίων". Αλλά η αναγνώριση του νόμου αυτού έγινε μετά το θάνατο (το 1856) του Avogadro, σε ένα συνέδριο Χημείας το 1860 στην πόλη Karlsruhe της Γερμανίας.

Γνώση της Φύσης

Εφηύρε έναν νέο τρόπο για να δηλώσει τα χημικά στοιχεία και τις ενώσεις τους με τον οποίο επέτρεψε στην επιστήμη να κατανοήσει τις ιδιότητες και τις αλληλεπιδράσεις των διαφορετικών ουσιών.

Ήταν μια επανάσταση για την εποχή του. Οι ανακαλύψεις του Dalton είχαν επίσης και πρακτικές επιπτώσεις.

Αν και οι μετρήσεις του ατομικού βάρους, που έκανε ο Dalton, δεν θα μπορούσαν να είναι πολύ ακριβείς - και μάλιστα βρήκε και το χημικό τύπο του νερού λάθος - οι ιδέες και η προσέγγισή του αποδείχτηκαν σωστές και ακόμα και σήμερα αποτελούν ερέθισμα για έρευνα.

Τώρα, όμως με τη νανοτεχνολογία, τα άτομα είναι στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος. Οι επιστήμονες χειρίζονται άμεσα τα άτομα για να κάνουν νέα φάρμακα, ημιαγωγούς και πλαστικά.

"Ο Dalton ήταν ο πρώτος νανοτεχνολόγος. Μας προσέφερε πρώτος τον τρόπο για να κατανοήσουμε τη φύση των υλικών. Τώρα μπορούμε να σχεδιάσουμε νέα μόρια με όποια επιθυμητή ιδιότητα θέλουμε", λέει ο καθηγητής Garner.

Η θεωρία του έφερε την επανάσταση στην κατασκευή των χημικών ενώσεων. Οι παρασκευαστές ξέρουν, για παράδειγμα, πόσο θείο ακριβώς πρέπει να προσθέσουν για να φτιάξουν θειικό οξύ.

Οι σημερινοί νανοτεχνολόγοι στοχεύουν να συναρμολογήσουν νέα υλικά άτομο-άτομο, μόριο-μόριο.

Με τον μεγάλης ακρίβειας τρόπο με τον οποίο φτιάνουν τις νέες ενώσεις γίνεται πιθανό να δώσουν σε αυτά τα υλικά ασυνήθιστες ηλεκτρικές, οπτικές, και άλλες ιδιότητες.

Η ζωή του

Ο Dalton ήταν πολύ καλός δάσκαλος. Από νεαρός μαθητής ακόμη, 12 χρονών, δίδασκε στους μικρούς μαθητές του χωριού του στο Cumberland.

Εκτός από την εργασία του πάνω στην ατομική θεωρία, εργάστηκε πάνω στην ατμόσφαιρα και τον καιρό. Η πρώτη σημαντική επιστημονική μελέτη του, που άρχισε το 1787 και διήρκεσε μέχρι το τέλος τη ζωής του, ήταν η τήρηση ενός ημερολογίου μετεωρολογικών παρατηρήσεων σχετικά με τις κλιματικές μεταβολές της περιοχής, όπου ζούσε. Το ημερολόγιο αυτό περιέλαβε τελικώς περί τις 200.000 καταχωρίσεις. Το 1793 ο Dalton δημοσίευσε το έργο του με τίτλο Μετεωρολογικές παρατηρήσεις και δοκίμια.

Τότε άρχισε να ενδιαφέρεται και για την συλλογή φυτικών ειδών και εντόμων. Ήδη από το 1787, εντυπωσιασμένος από μία θεαματική εμφάνιση σέλαος στον ουρανό, αποφάσισε να ασχοληθεί και με την μελέτη αυτών των φαινομένων.

Οι εργασίες του όσον αφορά στο βόρειο σέλας φανερώνουν μία ανεξάρτητη επιστημονική σκέψη, ανεπηρέαστη δηλαδή από τις απόψεις άλλων συγγραφέων. Στην εργασία του σχετικά με το σέλας κατέληξε στο συμπέρασμα ότι υφίσταται ορισμένη σχέση ανάμεσα σε αυτό και στον γήινο μαγνητισμό: "Τώρα, με βάση τα συμπεράσματα που έχουν προκύψει από τους άλλους τομείς μελέτης, είμαστε υποχρεωμένοι να αποδώσουμε στις φωτεινές δέσμες του βορείου σέλαος την φύση του σιδήρου, αφού δεν είναι γνωστό κανένα άλλο υλικό με μαγνητικό χαρακτήρα. Κατά συνέπεια, στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας θα πρέπει να επικρατεί κάποιο ελαστικό ρευστό με τα χαρακτηριστικά του σιδήρου ή μάλλον του μαγνητικού χάλυβα, το οποίο, λόγω της μαγνητικής συμπεριφοράς του, θα πρέπει αναμφίβολα να επιβάλλει τον σχηματισμό φωτεινών δεσμών κυλινδρικού σχήματος".

Το 1793 γίνεται Δάσκαλος Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών στο Manchester.

Ορισμένες από τις μελέτες του στον τομέα της μετεωρολογίας οδήγησαν τον Dalton στο συμπέρασμα ότι η προέλευση των αληγών ανέμων συνδέεται με την περιστροφική κίνηση της Γης και τις μεταβολές της θερμοκρασίας. Δεν γνώριζε ίσως ότι η ίδια αυτή θεωρία είχε διατυπωθεί ήδη από το 1735 και από τον Χάντλεϋ. Άλλες μελέτες του ήταν σχετικές με το βαρόμετρο, το θερμόμετρο, το υγρόμετρο, τις βροχοπτώσεις, τον σχηματισμό των νεφών, την εξάτμιση, την κατανομή και τον χαρακτήρα της ατμοσφαιρικής υγρασίας, συμπεριλαμβανομένης και της έννοιας του σημείου δρόσου. Υπήρξε ο πρώτος, που επιβεβαίωσε την θεωρία, σύμφωνα με την οποία η βροχή δεν προκαλείται ως αποτέλεσμα της μεταβολής της ατμοσφαιρικής πίεσης αλλά λόγω της πτώσης της θερμοκρασίας

Τέλος, υπήρξε κι ένας επιδέξιος κατασκευαστής οργάνων και ήταν ο πρώτος που πρότεινε ότι η αχρωματοψία - υπέφερε και ο ίδιος - πρέπει να είναι κληρονομική. Γι' αυτό και αναφέρεται σαν "δαλτονισμός".

Τα αποτελέσματα της έρευνας για την αχρωματοψία δημοσιεύθηκαν με την μορφή δοκιμίου με τίτλο Ασυνήθη γεγονότα σχετικά με την αίσθηση των χρωμάτων, (1794), όπου υποστήριζε ότι η ανεπάρκεια στην αντίληψη των χρωμάτων οφείλεται στον αποχρωματισμό του υγρού μέσου του βολβού του ματιού.

Ο μεγάλος επιστήμονας παρουσίασε τη ατομική χημική θεωρία με το έργο του A New System of Chemical Philosophy (Ένα Νέο Σύστημα Χημικής Φιλοσοφίας) το 1808 και σύντομα κέρδισε το σεβασμό των συναδέλφων του και του κοινού.

Παρ' όλο που δίδαξε χημεία για έξι χρόνια στο Νέο Κολέγιο, ο Dalton δεν είχε εμπειρία στη χημική έρευνα. Επιδόθηκε, όμως, με τον ίδιο ζήλο, διορατικότητα, ανεξαρτησία σκέψης και αφοσίωση στη δημιουργική σύνθεση μιας θεωρίας και πάλι με βάση τα διαθέσιμα στοιχεία. Οι πρώτες μελέτες του σχετικά με τα αέρια, τον οδήγησαν στη διατύπωση του νόμου των μερικών πιέσεων.

Τα πειραματικά δεδομένα τον οδήγησαν, εξάλλου, και στη διατύπωση μιας θεωρίας, σύμφωνα με την οποία, όταν αυξάνεται η θερμοκρασία ενός αερίου, ενώ η πίεση του παραμένει σταθερή, ο όγκος του αυξάνεται ανάλογα με την αύξηση της θερμοκρασίας. Η πρόταση αυτή δεν είναι άλλη από τον νόμο των ιδανικών αερίων του Charles, ο οποίος θα έπρεπε κανονικά να είχε αποδοθεί στον Dalton.

Ικανοποιημένος από τα δεδομένα που συγκέντρωσε από τις παραπάνω μελέτες του, ο Dalton σκέφθηκε να εκτελέσει και νέα πειράματα προκειμένου να προσδιορίσει την διαλυτότητα των αερίων στο νερό και τον ρυθμό της διάχυσης των αερίων. Η ανάλυση που πραγματοποίησε σχετικά με την σύσταση της ατμόσφαιρας απέδειξε ότι αυτή πρέπει να είναι σταθερή μέχρι το ύψος των 4.500 περίπου μέτρων.

Ο Dalton ανακάλυψε το βουτένιο και προσδιόρισε την σύσταση του αιθέρα, καθορίζοντας και τον ακριβή χημικό τύπο του. Τελικά ανέπτυξε την αριστουργηματική για τα δεδομένα της εποχής εκείνης ατομική θεωρία του, σύμφωνα με την οποία καθένα από τα χημικά στοιχεία αποτελείται από μικροσκοπικά, αδιαίρετα και άφθαρτα, όμοια μεταξύ τους και ίσου βάρους σωματίδια, τα άτομα.

Ενώ βρισκόταν ακόμα σε ζωή, η πόλη του Μάντσεστερ ανέγειρε άγαλμα προς τιμή του το 1838. Και όταν ο Dalton πέθανε, στο Μάντσεστερ, λέγεται ότι ήρθαν στην κηδεία του 40.000 άνθρωποι.

Τα buckyballs του Kroton

Αυτές οι πολυατομικές ενώσεις, που είναι συνδυασμός του διαμαντιού και του γραφίτη, είναι η τρίτη γνωστή μορφή του καθαρού άνθρακα.

Η ανακάλυψή του, το 1985, δημιούργησε τεράστιο ενδιαφέρον και έχει δημιουργήσει χιλιάδες ερευνητικές εργασίες.

Ακριβώς το τι ακριβώς θα μας προσφέρουν οι ενώσεις αυτές δεν είναι ακόμα καθαρό, αλλά υπόσχονται γρηγορότερα ηλεκτρονικά, ισχυρότερες μπαταρίες, αποτελεσματικότερη αντιμετώπιση σε ασθένειες όπως ο ιός HIV, λεπτά σύρματα, πιο πράσινα συστήματα καυσίμων, και εξαιρετικά ισχυρά αλλά υπερβολικά ελαφριά οικοδομικά υλικά.