De auteur beschrijft een experiment om Liesegang-ringen te creëren, chemische patronen die zich in een gel vormen volgens een meetkundige reeks. De fascinatie voor dit fenomeen komt voort uit een interesse in patroonvorming in de embryologie en non-equilibrium statistische mechanica.
Omdat veel standaardmethoden gebruikmaken van carcinogene of riskante stoffen, zocht de auteur naar een veiliger alternatief. Er werd gekozen voor een methode op basis van agar-agar, magnesiumchloride en natriumhydroxide.
Het proces bestond uit:
- Het bereiden van een gladde agar-gel via verhitting in de magnetron.
- Het verzadigen van de gel met magnesiumchloride.
- Het triggeren van de reactie door het toevoegen van een NaOH-oplossing.
Hoewel er een witte neerslag ontstond, bleven de gehoopte bandstructuren uit. De auteur concludeert dat het experiment is mislukt, maar benadrukt dat het delen van mislukkingen essentieel is voor transparantie binnen onafhankelijk wetenschappelijk onderzoek.
Liesegang-ringen: Pogingen (en mislukkingen) om patronen te creëren met chemische netwerken
Eerder heb ik Rayleigh-Bénard-convectiecellen gedemonstreerd met mica-poeder en olie, waarbij ik celachtige verdelingen in de vloeistof zag toen ik een temperatuurgradiënt aanbracht. Dit was een voorbeeld van non-equilibrium, zelforganiserende fenomenen als gevolg van een temperatuurgradiënt. Ik heb ook geprobeerd, maar gefaald, om andere zaken te realiseren zoals de Briggs-Rauscher-reactie, wat een (veiligere) vorm is van een oscillerende chemische reactie.
Wat betreft complexe fenomenen probeer ik via zowel wiskunde als fysieke experimenten uit te zoeken welke variabelen daadwerkelijk van belang zijn, wat een uitdagende taak is. In het geval van convectiecellen hebben we variabelen zoals de dikte van de vloeistoflaag, de temperatuurgradiënt en de grootte van de container, enzovoort. Dit zijn concepten die ik in dit laboratorium zelf wil gaan begrijpen.
Wat zijn Liesegang-ringen?
Een ander stuk complex fenomeen dat mijn aandacht trok, zijn Liesegang-ringen. Dit zijn ringen die zich vormen in een gel volgens een tussenruimte die $(1 + p)^n$ volgt, wat een meetkundige reeks is. Je kunt ze op verschillende manieren verkrijgen. In experimenten met magnesiumhydroxide is de geometrische spreiding van de ringen duidelijk zichtbaar.
Waarom vind ik dit interessant? Bij het lezen van boeken over embryologie, zoals The Triumph of the Embryo, raakte ik geïnteresseerd in hoe chemische reacties leiden tot patroonvorming bij sommige dieren. Ook vind ik de theorie van patroonvorming in chemische reacties wiskundig rijk, iets wat ik meer probeer te begrijpen door de lens van non-equilibrium statistische mechanica. De esthetiek van deze fenomenen is simpelweg betoverend. Hoewel Liesegang-ringen niet het mechanisme achter dierlijke patroonvorming zijn, kun je niet anders dan verwonderd zijn over wat er achter de schermen gebeurt.
Naar mijn weten zijn de mechanismen achter Liesegang-ringen nog niet volledig opgehelderd. Dit maakt het een ideaal onderwerp om thuis te proberen te repliceren.
De zoektocht naar een veilige methode
Ik overwoog aanvankelijk om Liesegang-ringen te repliceren met kaliumdichromaat en zilvernitraat, wat schijnbaar de helderste ringen oplevert. Toen ik echter kaliumdichromaat zocht bij Sigma Aldrich, realiseerde ik me dat het carcinogeen is en risico's bij inademing met zich meebrengt. Dat is niet echt geschikt voor experimenten in een thuislaboratorium.
Een ander voorbeeld op de Liesegang-website maakte gebruik van een gel-verzadiging van magnesiumhydrochloride met ammoniak, maar ook de ammoniak vond ik riskant omdat de concentraties hoog leken.
Daarna heb ik met GPT-Sol gezocht naar veiligere versies met reagentia die makkelijker verkrijgbaar zijn. Zo kwam ik uit bij een paper van Chopard uit 1999, waarin Liesegang-ringen werden gecreëerd uit agar-agar (veilig), magnesiumchloride (badzout) en natriumhydroxide. Natriumhydroxide, ook wel caustic soda genoemd, is verkrijgbaar in winkels. Het is corrosief, maar stoot geen dampen uit; ik heb het eerder gebruikt bij een poging om thuis quantum dots te maken.
Het experiment
Ik heb het volgende recept gebruikt om de ringen met NaOH te maken:
Benodigdheden en kosten
De reagentia waren vrij goedkoop. De meeste van deze stoffen zijn gemakkelijk verkrijgbaar. Mijn doel is om onderzoek naar chemische netwerken toegankelijker te maken voor experimenten thuis.
Procedure
Ik heb de concentraties en de procedure uit de paper gevolgd:
- Voorbereiding van de agar-gel:
Het lastigste deel was om de agar-gel mooi glad te krijgen, zodat de gel niet troebel zou zijn en de banden zichtbaar zouden blijven.
- Ik probeerde eerst 1,5 g agar-poeder te mengen met 90 ml water in mijn magnetische roerder en verwarmer, maar ik bereikte slechts een temperatuur van 60 °C. Dit is onvoldoende om het agar-poeder volledig op te lossen; daarvoor moet het bijna koken.
- Het bleek veel sneller en gemakkelijker om de agar op 90 °C te brengen door het 40 seconden in de magnetron te zetten op 900 W. Ik gebruikte een eenvoudige kookthermometer om te controleren of de juiste temperatuur was bereikt (deze was 94 °C).
- Daarna hield ik de agar warm op mijn magnetische roerder bij 60 °C.
- Toevoegen van magnesiumchloride:
- Ik bereidde 2 g magnesiumchloride-hexahydraat in 98 ml water en voegde dit toe aan de agar-gel.
- Ik roerde het mengsel om om luchtbellen te verwijderen.
- Vervolgens verdeelde ik het mengsel over reageerbuizen (met porties van 20 g per stuk) en liet ik ze afkoelen.
- De met $\text{MgCl}_2$ verzadigde buizen rustten 90 minuten tot ze volledig waren gestold tot een gel.
- De reactie triggeren:
- Ik maakte een oplossing van 1 g NaOH in 50 ml water. (Let op: dit is corrosief).
- De NaOH-oplossing werd vervolgens op de gel gegoten.
- Ik voerde dit uit bij drie reageerbuizen en liet één buis als controle onbehandeld.
Resultaten
Ik heb de buizen 10 uur laten staan. Het resultaat is als volgt: er is een witte neerslag-interface zichtbaar, wat veelbelovend is. Echter, ik zie niet de bandstructuren waar ik zo hopen op.
Dit experiment is dus mislukt; ik kon de banden om redenen die ik niet direct kan thuisbrengen niet goed laten scheiden. Maar ik vind het net zo belangrijk om mislukkingen te delen als successen, in de geest van een transparante onafhankelijke wetenschapper.
***
Referenties
- B. Chopard, M. Droz, J. Magnin, Z. Rácz, and M. Zrinyi, "Liesegang Patterns: Effect of Dissociation of the Invading Electrolyte," J. Phys. Chem. A 103 (10), 1432–1436 (1999). ACS · preprint arXiv:cond-mat/9809385.
- Liesegang ring experiments and models, insilico.hu.
- L. Wolpert, The Triumph of the Embryo (Oxford University Press, 1991).
- Lim Kim Seng, Lim Kim Chuah, and Yong Ding Li (illus. Dana Gardner), A Field Guide to the Birds of Malaysia, including Sabah and Sarawak (John Beaufoy Publishing). NHBS.
Liesegang-ringen: Pogingen (en mislukkingen) om patronen te creëren met chemische netwerken
Eerder heb ik Rayleigh-Bénard-convectiecellen gedemonstreerd met mica-poeder en olie, waarbij ik celachtige verdelingen in de vloeistof zag toen ik een temperatuurgradiënt aanbracht. Dit was een voorbeeld van non-equilibrium, zelforganiserende fenomenen als gevolg van een temperatuurgradiënt. Ik heb ook geprobeerd, maar gefaald, om andere zaken te realiseren zoals de Briggs-Rauscher-reactie, wat een (veiligere) vorm is van een oscillerende chemische reactie.
Wat betreft complexe fenomenen probeer ik via zowel wiskunde als fysieke experimenten uit te zoeken welke variabelen daadwerkelijk van belang zijn, wat een uitdagende taak is. In het geval van convectiecellen hebben we variabelen zoals de dikte van de vloeistoflaag, de temperatuurgradiënt en de grootte van de container, enzovoort. Dit zijn concepten die ik in dit laboratorium zelf wil gaan begrijpen.
Wat zijn Liesegang-ringen?
Een ander stuk complex fenomeen dat mijn aandacht trok, zijn Liesegang-ringen. Dit zijn ringen die zich vormen in een gel volgens een tussenruimte die $(1 + p)^n$ volgt, wat een meetkundige reeks is. Je kunt ze op verschillende manieren verkrijgen. In experimenten met magnesiumhydroxide is de geometrische spreiding van de ringen duidelijk zichtbaar.
Waarom vind ik dit interessant? Bij het lezen van boeken over embryologie, zoals The Triumph of the Embryo, raakte ik geïnteresseerd in hoe chemische reacties leiden tot patroonvorming bij sommige dieren. Ook vind ik de theorie van patroonvorming in chemische reacties wiskundig rijk, iets wat ik meer probeer te begrijpen door de lens van non-equilibrium statistische mechanica. De esthetiek van deze fenomenen is simpelweg betoverend. Hoewel Liesegang-ringen niet het mechanisme achter dierlijke patroonvorming zijn, kun je niet anders dan verwonderd zijn over wat er achter de schermen gebeurt.
Naar mijn weten zijn de mechanismen achter Liesegang-ringen nog niet volledig opgehelderd. Dit maakt het een ideaal onderwerp om thuis te proberen te repliceren.
De zoektocht naar een veilige methode
Ik overwoog aanvankelijk om Liesegang-ringen te repliceren met kaliumdichromaat en zilvernitraat, wat schijnbaar de helderste ringen oplevert. Toen ik echter kaliumdichromaat zocht bij Sigma Aldrich, realiseerde ik me dat het carcinogeen is en risico's bij inademing met zich meebrengt. Dat is niet echt geschikt voor experimenten in een thuislaboratorium.
Een ander voorbeeld op de Liesegang-website maakte gebruik van een gel-verzadiging van magnesiumhydrochloride met ammoniak, maar ook de ammoniak vond ik riskant omdat de concentraties hoog leken.
Daarna heb ik met GPT-Sol gezocht naar veiligere versies met reagentia die makkelijker verkrijgbaar zijn. Zo kwam ik uit bij een paper van Chopard uit 1999, waarin Liesegang-ringen werden gecreëerd uit agar-agar (veilig), magnesiumchloride (badzout) en natriumhydroxide. Natriumhydroxide, ook wel caustic soda genoemd, is verkrijgbaar in winkels. Het is corrosief, maar stoot geen dampen uit; ik heb het eerder gebruikt bij een poging om thuis quantum dots te maken.
Het experiment
Ik heb het volgende recept gebruikt om de ringen met NaOH te maken:
Benodigdheden en kosten
De reagentia waren vrij goedkoop. De meeste van deze stoffen zijn gemakkelijk verkrijgbaar. Mijn doel is om onderzoek naar chemische netwerken toegankelijker te maken voor experimenten thuis.
Procedure
Ik heb de concentraties en de procedure uit de paper gevolgd:
- Voorbereiding van de agar-gel:
Het lastigste deel was om de agar-gel mooi glad te krijgen, zodat de gel niet troebel zou zijn en de banden zichtbaar zouden blijven.
- Ik probeerde eerst 1,5 g agar-poeder te mengen met 90 ml water in mijn magnetische roerder en verwarmer, maar ik bereikte slechts een temperatuur van 60 °C. Dit is onvoldoende om het agar-poeder volledig op te lossen; daarvoor moet het bijna koken.
- Het bleek veel sneller en gemakkelijker om de agar op 90 °C te brengen door het 40 seconden in de magnetron te zetten op 900 W. Ik gebruikte een eenvoudige kookthermometer om te controleren of de juiste temperatuur was bereikt (deze was 94 °C).
- Daarna hield ik de agar warm op mijn magnetische roerder bij 60 °C.
- Toevoegen van magnesiumchloride:
- Ik bereidde 2 g magnesiumchloride-hexahydraat in 98 ml water en voegde dit toe aan de agar-gel.
- Ik roerde het mengsel om om luchtbellen te verwijderen.
- Vervolgens verdeelde ik het mengsel over reageerbuizen (met porties van 20 g per stuk) en liet ik ze afkoelen.
- De met $\text{MgCl}_2$ verzadigde buizen rustten 90 minuten tot ze volledig waren gestold tot een gel.
- De reactie triggeren:
- Ik maakte een oplossing van 1 g NaOH in 50 ml water. (Let op: dit is corrosief).
- De NaOH-oplossing werd vervolgens op de gel gegoten.
- Ik voerde dit uit bij drie reageerbuizen en liet één buis als controle onbehandeld.
Resultaten
Ik heb de buizen 10 uur laten staan. Het resultaat is als volgt: er is een witte neerslag-interface zichtbaar, wat veelbelovend is. Echter, ik zie niet de bandstructuren waar ik zo hopen op.
Dit experiment is dus mislukt; ik kon de banden om redenen die ik niet direct kan thuisbrengen niet goed laten scheiden. Maar ik vind het net zo belangrijk om mislukkingen te delen als successen, in de geest van een transparante onafhankelijke wetenschapper.
***
Referenties
- B. Chopard, M. Droz, J. Magnin, Z. Rácz, and M. Zrinyi, "Liesegang Patterns: Effect of Dissociation of the Invading Electrolyte," J. Phys. Chem. A 103 (10), 1432–1436 (1999). ACS · preprint arXiv:cond-mat/9809385.
- Liesegang ring experiments and models, insilico.hu.
- L. Wolpert, The Triumph of the Embryo (Oxford University Press, 1991).
- Lim Kim Seng, Lim Kim Chuah, and Yong Ding Li (illus. Dana Gardner), A Field Guide to the Birds of Malaysia, including Sabah and Sarawak (John Beaufoy Publishing). NHBS.
Groetjes,