Kristali kao rješenje za slučajne brojeve

Bacimo kocku! Ne, nego iskristalizirajmo modru galicu. Možda će se tako govoriti kada se usavrši novi generator slučajnih brojeva – koji ih čita iz kristala.

Nenad Raos subota, 21. ožujka 2020. u 06:30

„Nijedna pahuljica snijega nije ista“, kaže se. I pravo se kaže. Nema dvije pahuljice koje se ni po čemu ne bi razlikovale. A evo zašto.

Svaki kristal raste iz jezgre kristalizacije – jedinične  ćelije, uređenog i simetričnog rasporeda malog broja čestica (atoma, iona ili molekula). Tako je i s kristalom leda u čijoj se jediničnoj ćeliji nalaze molekule vode, H2O. Uz  taj sićušni, zapravo najmanji kristal vode (leda) – koji  ima oblik  šesterostrane prizme visoke 0,73 nanometara – slažu se drugi, isto tako sićušni kristali pa kristal raste kao što se gradi zid od cigle. I baš kao što se zid od cigle ili bloketa ne gradi u svim smjerovima jednako, tako ne raste ni kristal. Njegov konačni oblik ovisit će o brzini rasta ploha. Ali to nije sve! Kristali se rijetko nalaze – kao u dijamantu – pojedinačno, u obliku monokristala. Najčešće se udružuju u agregate, u skupove međusobno sraslih ili uraslih monokristala. Takav kristalni agregat je i pahuljica snijega. (Monokristali leda mogu se vidjeti samo na ledenjacima. Inače, led je mineral – voda, ona tekuća, to nije.)

Upravo su se tim svojstvom svih kristala, ne samo kristala vode, da poprimaju jedinstvene oblike poslužila petorica znanstvenika iz Glasgowa i Edinburgha  kako bi napravili generator slučajnih brojeva, ali „pravih“ slučajnih brojeva, „true random numbers.“ Rezultate su objavili u ožujskom broju časopisa Matter, pod naslovom „A crystallization robot for generating true random numbers based on stochastic chemical processes (Kristalizacijski robot za generiranje pravih slučajnih brojeva utemeljenih na nasumičnim kemijskim procesima)“. Kao što naslov kaže, a što je najvažnije, postupak dobivanja nasumičnih brojeva potpuno je automatiziran, sve radi „robot za kristalizaciju“. Točnije, robot izvodi kemijski pokus, kristalizaciju (u jedinici za kristalizaciju), digitalna kamera snima dobivene kristale da bi potom snimku predala detektoru za analizu i kodiranje.

 

Evo kako uređaj radi. Nakon što otopina uđe u posudicu za kristalizaciju (volumena 14 ml), digitalna  kamera snima svakih deset minuta. Iz slike s rezolucijom 1280 × 800 piksela detektor određuje veličinu, orijentaciju i boju kristalića. Usto im određuje položaj u posudici, točnije redni broj pri pretraživanju (od lijeva na desno i odozgo prema dolje).  Iz tih podataka detektor pripisuje svakom kristaliću jedinstven peterobajtni kôd.

Britanski su istraživači iskušali tri vrste kristala. Prvi su svima nam poznati kristali modre galice, bakrova(II) sulfata pentahidrata (CuSO4·5H2O). Za njihovo nastajanje ne treba drugo nego toplu zasićenu otopinu modre galice uliti u posudicu. (Taj ste pokus, nadam se, radili u školi; kristali se dobivaju hlađenjem zasićene otopine ili njezinim isparavanjem.) Druge dvije kristalizacije koje su znanstvenici iskušali osnivaju se na kemijskim reakcijama pri miješanju dviju otopina. Tako nastaje polioksometalat volframa i mangana te koordinacijski klaster kobalta. (Kemijske formule i sustavna imena tih spojeva ne bih navodio, nego ću ih samo označiti, kako su to autori učinili,  sa W19  i Co4.)  Tim su postupcima dobili kristale u svim, da ne kažem duginim bojama: kristali modre galice su (dakako) modri, kristali W19  žuti, a oni Co4 ljubičasti.

Tko se god bavio kristalizacijom, pa  i samo modre galice, šećera ili soli, zna da kristali ne rastu brzo (rastu i milijunima godina – u utrobi Zemlje!) Tu prirodnu zakonitost  nije mogao promijeniti ni robot britanskih znanstvenika. Da bi počeli nastajati kristali pogodni za generiranje slučajnih brojeva treba pričekati 40 minuta, a da bi se proces dovršio treba više od dva sata,  čak 140 minuta. Iz toga je jasno da se novi, „kristalni“ generator  slučajnih brojeva ne može mjeriti s generatorima koji su već u upotrebi. Njihova brzina prelazi 25 kB/s. Moglo bi se još mnogo napraviti u bliskoj budućnosti, ali  kristalizacija je proces koji će se teško moći ubrzati.  

No nije sve u brzini. Iz kristala se dobivaju nasumični brojevi koji se ni na koji način ne mogu ponoviti, baš kao što nije moguće da nastanu dvije posve jednake snježne pahuljice. Kako god da se uzme, priroda je u procesu kristalizacije pronašla kocku s kojim se nijedna kockarska kocka ne može mjeriti.

 

Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Autor je i koautor više od stotinu znanstvenih i stručnih radova iz područja bioanorganske i teorijske kemije, molekularnog modeliranja te povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti.  Sada piše za Čovjek i svemir te  mrežne stranice Zg-magazin i, naravno, BUG online. Sedam je godina bio glavni i tehnički urednik časopisa Priroda,  a danas je urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Koautor je dva sveučilišna udžbenika i autor 13 znanstveno-popularnih knjiga. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.