Fejerverkų spalvos gimsta laboratorijose: kodėl mėlyna vis dar išlieka sunkiausiu iššūkiu?

Kai kitą kartą stebėsite fejerverkų šou ir danguje išvysite ryškiai mėlyną sprogimą, žinokite, jog matote tai, kas pirotechnikos pasaulyje laikoma šventuoju graliu. Šio konkretaus mėlyno atspalvio sukūrimas pareikalavo daugiau chemijos žinių, bandymų, klaidų ir dėl jų kilusio nusivylimo nei bet kuri kita fejerverkų spalva. Buvęs Amerikos pirotechnikos asociacijos techninis direktorius ir Vašingtono koledžo (Merilando valstija) chemijos profesorius Johnas Conklingas yra sakęs, kad išgauti mėlyną spalvą, lyginant su raudona, oranžine, balta ar geltona, yra be galo sunku. Pasak jo, pagrindinis kaltininkas – specifinė chemija, kuri atsiskleidžia tik aukštesnėse temperatūrose. Tai anaiptol nėra nauja problema. Šis iššūkis tęsiasi jau šimtmečius – nuo pat tų laikų, kai XIX amžiaus italų chemikai pirmą kartą ėmė eksperimentuoti su metalų druskomis, siekdami sukurti spalvotus sprogimus. Visiškai patenkinamo sprendimo nerandama iki šiol.

Norint suprasti, kodėl sukurti mėlyną spalvą taip sudėtinga, pirmiausia reikia žinoti, kaip fejerverkuose apskritai atsiranda spalvos. Tai – grynai cheminis procesas, neturintis nieko bendro su įprastais dažais ar pigmentais. Fejerverko viduje iki itin aukštos temperatūros įkaitintų metalų junginių atomų elektronai „peršoka“ į aukštesnius energijos lygmenis. Grįždami atgal į pradinę būseną, jie išspinduliuoja energiją šviesos pavidalu. Šios šviesos bangos ilgis priklauso nuo naudojamo metalo, o tai ir nulemia danguje matomą spalvą. Stroncio junginiai nusidažo raudonai, bario – žaliai, natrio – geltonai, magnio ir aliuminio – baltai. O vario junginiai turėtų šviesti mėlynai. Teoriškai tai skamba puikiai, tačiau praktikoje kyla nemenkas iššūkis.

Pagrindinė mėlynos spalvos fejerverkų medžiaga yra vario(I) chloridas, spinduliuojantis šviesą maždaug 420–460 nanometrų bangos ilgio diapazone. Būtent tai ir yra ta nuostabi mėlyna spalva, kurią taip norime išvysti danguje. Tačiau vario(I) chloridas yra itin jautrus temperatūrai, todėl jo „veikimo langas“, kuriame susidaro norimas atspalvis, yra labai siauras. Jei temperatūra per žema, junginys neišspinduliuoja pakankamai energijos, ir spalva tampa silpna bei blanki. Kita vertus, jei temperatūra viršija maždaug 1200 laipsnių Celsijaus, junginys pradeda irti. Vietoje mėlynos spalvos susidaro vario(II) oksidas, spinduliuojantis raudonai, arba vario(I) hidroksidas, šviečiantis žaliai. Galiausiai danguje pasirodo neryškus, išplautas atspalvis. Tai reiškia, kad norint sukurti ryškiai mėlyną fejerverką, būtina itin tiksliai kontroliuoti temperatūrą toje siauroje zonoje, kur vario junginys yra pakankamai karštas spinduliuoti, bet ne per karštas, kad suirtų. Pasiekti šią pusiausvyrą yra kur kas sunkiau, nei gali pasirodyti iš pirmo žvilgsnio.

Yra ir dar viena problema, paverčianti mėlynos spalvos išgavimą dar didesniu iššūkiu – tai pats dangus. Ankstyvą vakarą, kai prasideda dauguma fejerverkų šou, dangus vis dar turi subtilų melsvą atspalvį. Kad mėlynas fejerverkas tokiame fone būtų aiškiai matomas, jis turi itin stipriai kontrastuoti, o tam reikia dar aukštesnės temperatūros, kuri, kaip jau žinome, grasina apskritai sunaikinti šią spalvą. Kitos spalvos – raudona, žalia, auksinė ar balta – tokios problemos neturi ir puikiai išsiskiria bet kokiame fone, dėl to šios spalvos ir yra dažniausiai sutinkamos šeimos, įmonės ar miestelio šventiniuose fejerverkuose.

Ironiška, bet raudona spalva, kadaise laikyta pačia lengviausia, šiandien taip pat tampa vis sudėtingesnė. Mokslininkai intensyviai ieško alternatyvų stronciui – tradiciniam raudonos spalvos šaltiniui, kuris kelia aplinkosaugos problemų. Viena iš alternatyvų, litis, dega kaitrine (kaip iki baltumo įkaitinto metalo) liepsna, todėl spinduliuoja visų dažnių šviesą ir tiesiog „išplauna“ raudoną atspalvį. Kol kas sukurti tikrai gero raudono mišinio be stroncio nepavyko. Be to, net menkiausia natrio priemaiša fejerverko mišinyje užlieja viską ryškiai geltona šviesa, kuri akimirksniu nustelbia subtilią mėlyną. Pirotechnikai privalo dirbti pedantiškai, kad mišiniuose neliktų jokių natrio pėdsakų. Realiomis gamybos sąlygomis tai didžiulis iššūkis, nes natris yra vienas labiausiai paplitusių elementų, randamas beveik visur.

Šiuolaikiniuose fejerverkuose spalvos išgaunančios metalą ir chlorą laikant atskirai iki pat sprogimo akimirkos. Tipišką mišinį sudaro kuras, oksidatorius (aprūpina elementą deguonimi) bei spalvą ir chlorą išskiriantys metalų junginiai. Visa tai sujungiama į vientisą masę, kuri vėliau supjaustoma į mažus gabalėlius, vadinamus žvaigždutėmis – tai tie patys spalvoti šviesos taškeliai, pabyrantys iš fejerverko apvalkalo. Senose pirotechnikos knygose apstu receptūrų, kuriose kaip oksidatorius ir chloro donoras naudojamas kalio chloratas. Tačiau dėl jo polinkio reaguoti su siera, metalų milteliais ar drėgme sudaryti trinčiai itin jautrius junginius, per šimtmečius įvyko ne vienas mirtinas sprogimas. Šiandien daugumoje junginų naudojamas kur kas stabilesnis kalio perchloratas, o metalų spalvoms išgauti pasitelkiami bario nitratas (žaliai), stroncio karbonatas ar nitratas (raudonai), natrio oksalatas (geltonai) ir vario karbonatas (mėlynai).

Miuncheno Liudviko Maksimiliano (Ludwig Maximilian) universiteto mokslininkas Thomas Klapötke su savo komanda bandė kurti mėlynos pirotechnikos junginius be chloro, kaip alternatyvą naudodami vario(I) jodidą bei vario(I) bromidą. Nors kai kurie iš šių junginiai pasiekė optinę kokybę, prilygstančią tradiciniams perchlorato mišiniams, jos taip pat gerokai padidino jautrumą trinčiai ir smūgiams, kas reiškė kur kas didesnę saugumo riziką. Kadaise mėlynai spalvai išgauti buvo naudojamas net arsenas, tačiau dėl toksiškumo jo greitai atsisakyta. Tai puikus pavyzdys, kaip fejerverkų chemijoje nuolat tenka balansuoti tarp estetikos, saugumo ir aplinkosaugos.

Per kelis pastaruosius dešimtmečius fejerverkų spalvos apskritai tapo gerokai ryškesnės ir sodresnės. Daugiausia prie to prisidėjo magnalis – magnio ir aliuminio lydinys, padidinantis liepsnos temperatūrą ir sukuriantis kone fluorescencinį, elektrinį švytėjimą. Visgi, net ir naudojant pažangiausius mišinius, mėlyna išlieka ta spalva, kurios kokybė labiausiai priklauso nuo pirotechniko patirties bei gilių chemijos žinių išmanymo. Būtent todėl gilus, sodrus mėlynas fejerverkas visuotinai laikomas aukščiausio meistriškumo ženklu. Tai viena tų detalių, kurių paprasti žiūrovai dažnai net nepastebi, tačiau profesionalams ji sako labai daug. Aukščiausio lygio konkursuose, tokiuose kaip Hanoverio tarptautinis fejerverkų konkursas ar Japonijos Omagari festivalis, komisijos nariai atidžiai vertina spalvų grynumą ir intensyvumą. Komanda, sugebanti pademonstruoti nepriekaištingai ryškią mėlyną spalvą be jokio žalsvo ar balkšvo atspalvio, iškart įrodo savo aukščiausią techninį lygį.

Matydamas tokią mėlyną spalvą profesionaliame šou, gali būti tikras: ją kūrė žmogus, kuris puikiai suvokia chemijos dėsnius bei medžiagų ribas ir geba meistriškai balansuoti toje spalvos siauroje atsiskleidimo zonoje tarp „per šalta“ ir „per karšta“. Būtent čia ir gimsta atspalvis, dėl kurio pirotechnikai kovoja jau keturis šimtmečius ir vis dar nesutaria, ar jį jau galutinai pažabojo, ar tik dar labiau prie jo priartėjo. Tad kitą kartą, danguje išvydę tą retą, ryškiai mėlyną fejerverką, tiesiog susimąstykite: kiek chemijos žinių, atkaklių bandymų ir šimtmečiais kauptos patirties slepiasi už to vienintelio blyksnio. Blyksnio, kuris danguje gyvuoja vos tris sekundes ir pradingsta, ore palikdamas tik prisiminimą bei subtilų vario chlorido dūmų kvapą.

pixabay.com