Super-materijal za ekran mobitela – inspiriran sedefom

Može li se napraviti sedef? Da, i to sedef bolji od sedefa: treba zamijeniti mineralnu komponentu, a umjesto hitina staviti umjetnu smolu, polioctenu kiselinu

Nenad Raos nedjelja, 24. studenog 2019. u 06:00

„Kompozitni materijal“ je, mogli bismo tako reći, pomodna riječ – i to s dobrim razlogom. Za razliku od običnih, homogenih materijala – stakla,  kovine ili umjetnih polimera – kompozitni  materijali su, sa stajališta uobičajene kemijske razdiobe, heterogene smjese. Oni se sastoje od više raznovrsnih tvari koje su pomiješane, ili bolje rečeno stopljene. U tehnologiji su kompozitni materijali novina, no samo ako se govori o onima novima, umjetnima. Ne treba ići dalje od  kosti, koja se sastoji od čestica mineralne tvari (apatita) povezane organskim polimernom, proteinom kolagenom (apatit daje kosti čvrstoću na tlak, a kolagen čvrstoću na tlak). Slično su građeni i čvrsti dijelovi biljaka: drvo je kompozitni materijal u čini sastav ulazi celuloza (polimer glukoze)  i lignin (složeni polimer aromatskih spojeva).  Bez lignina drvo bi bilo meko poput pamuka.

Da bi se napravio kompozitni materijal ne treba ići dalje od prirode, ili – točnije  – treba uzeti prirodu kao uzor. Upravo su to napravila petorica kineskih znanstvenika iz Sveučilišta u Pekingu koji su nedavno u časopisu Matter objavili znanstveni rad poduljeg naslova „Amorphous alumina nanosheets/polyacetic acid artificial nacre (Nanoslojevi amorfnog aluminijeva oksida/umjetni sedef iz polioctene kiseline)“. Iz toga vidimo da im je kao uzor poslužio sedef (nacre), svjetlucava tvar koja raste na unutrašnjoj strani školjaka.

Koliko god da se divili biseru, kemičar u njemu ne vidi nešto što bi se bitno razlikovalo od vapnenca ili krede. Biser je naime po kemijskom je sastavu kalcijev karbonat, svima nam poznati CaCO3. (Kada je Kleopatra otopila biser u jakom octu, a potom ga popila, nije popila ništa drugo nego otopinu kalcijeva acetata.)  Za tvar koja gradi unutrašnjost školjke mogli bismo pak reći da se sastoji od bisera i ljušture – jer sedef je kompozitni materijal u kojem se čestice aragonita (ortorombske modifikacije CaCO3) nalaze između slojeva hitina, polisaharida od kojeg su izgrađene ljušture člankonožaca (rakova, pauka, kukaca i njima sličnih životinja). Što još reći o sedefu? Danas ga poznaju samo sakupljači školjaka, no nekoć se mogao vidjeti na svakoj košulji. Od sedefa su se naime izrađivali gumbi – jer to je čvrst, lagan, a usto i proziran materijal.

Struktura sedefa (lijevo) i AAN (desno)
Struktura sedefa (lijevo) i AAN (desno)

Upravo su takav materijal – čvrst, lagan i proziran – napravili kineski znanstvenici. Čestice aragonita zamijenili su česticama amorfnoga aluminijeva oksida, glinice (amorphous alumina, AA), a hitin jednim drugim polimerom, polioctenom kiselinom (polyacetic acid, PLA). Polimer su otopili u organskom otapalu, dimetilformamidu, a zatim su u otopinu umiješali čestice aluminijeva oksida. Izlijevanjem otopine na staklenu podlogu dobili su lisnatu strukturu s 50 do 60 nanometara debelim slojevima, što je deset puta deblje od slojeva što se vide u sedefu.  Budući da sadržava samo 0,75 % aluminijeva oksida, „amorfni umjetni sedef“ (amorphous artificial nacre, AAN) je proziran.

Što kazati o drugim fizičkim svojstvima novoga kompozitnog materijala? Prije svega vrlo je lagan, ima gustoću od 1,25  do  1,55 g cm-3. Još je važnije što je plastičan: može se rastegnuti čak na pet puta veću dužinu a da ne pukne. Usto je izuzetno žilav (103,5 MJ m-3), pa je po tome četiri puta bolji od ugljičnih vlakana (25 MJ m-3) ili dvaput žilaviji od kevlara (50 MJ m-3). Tko ima mobitel s ekranom od umjetnog sedefa (AAN-ekran) ne treba se bojati za ekran (tijelo mobitela druga je priča) baš i da slon stane na njega.

Jesu li baš takvu primjenu imali na umu kineski znanstvenici ne bih znao reći budući da su Kinezi u zaključku znanstvenoga rada oprezno napisali kako bi AAN i materijali koji će se iz njega razviti mogli poslužiti za pakiranje hrane, no i pronaći primjenu u biotehnološkoj i elektroničkoj industriji.

Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik, sada u mirovini. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti pišući za časopise Prirodu (kojoj je sedam godina bio i glavni urednik), Čovjek i svemir, ABC tehnike, Smib, Modru lastu, a u posljednje vrijeme i za mrežne stranice Zg-magazin te, naravno, BUG online. Autor je više stručnih  i 13 znanstveno-popularnih knjiga, a upravo mu izišla još jedna: „Mala škola pisanja (za znanstvenike i popularizatore)“. Urednik je rubrike „Kemija u nastavi“ u časopisu Kemija u industriji, za koji piše i redovite komentare. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.