Nešto je čudno u kemijskim imenima. Kad kažemo „protein“ mislimo na jedan određeni protein, no kad kažemo „celuloza“ mislimo na sve celuloze, kao da su sve celuloze jednake. A nisu. Celuloza je polimer glukoze, no njezine se molekule mogu uveliko razlikovati po dužini, od molekula s 300 monomernih jedinica što ih nalazimo u papiru do 10.000 monomernih jedinica dugih molekula u pamučnom vlaknu. No to nije sve, jer se celuloza može i kemijski modificirati. Za njezine se hidroksilne skupine (-OH) mogu vezati ostaci dušične kiseline pri čemu nastaje nitroceluloza, osnovni sastojak bezdimnog baruta. Mogu se vezati skupine i drugih organskih i anorganskih kiselina – no pisanje o tome bi nas jako udaljilo od teme.

A tema je, jednostavno, novi celulozni derivat, celulozna folija (slična celofanu) koja mijenja oblik ovisno o tome je li mokra ili suha. No to je tek početak priče o celuloznom derivatu koji se zove TCel-Cu. Njega su pripravili kineski znanstvenici te su mu svojstva opisali u znanstvenom radu „Tuning water-cellulose inetractions via copper-coordination mercerization for hydro-actuated, shape-memory cellulosic hydroplastics“, objavljenom u časopisu Matter. Kako se izrađuje novi materijal?

Vrlo jednostavno. Celuloza se prvo oksidira kemikalijom poznatom pod kraticom TEMPO, a potom se od tog materijala napravi folija, slična celofanu. Taj materijal, pod imenom TCel, ima karboksilne skupine (-COOH), nastale oksidacijom hidroksilnih skupina u pobočnim lancima celuloze (-CH₂-OH → -COOH). Folija se potom obrađuje (mercerizira) umakanjem u lužnatu otopinu bakrova hidroksida, Cu(OH)₂. Za svaki se ion bakra (Cu²⁺) pritom vežu (koordiniraju) četiri hidroksilne skupine dvaju polimernih lanaca i pritom nastaje novi materijal, već spomenuti TCel-Cu.

O trajanju mercerizacije ovisi koliko će se bakra vezati, a budući da ioni bakra čvrsto povezuju lance, o količini vezanog bakra ovise mehanička svojstva novog materijala. Nakon četiri dana držanja u otopini, TCel-Cu postiže optimum: sadrži 11 % bakra uz prekidnu čvrstoću 118 MPa i Youngov modul 5,08 GPa. No to je samo izvanjska posljedica interakcije oksidirane celuloze sa Cu²⁺ i H₂O.

Ono što se na mikroskopskoj razini događa je, kao što rekoh, povezivanje lanaca bakrovim ionima. Te su veze vrlo čvrste, no uz njih postoje i vodikove veze između karboksilnih i hidroksilnih skupina. To ne bi bilo ništa neobično, jer vodikove veze postoje i u prirodnoj celulozi (no samo između hidroksilnih skupina), no ono što TCel-Cu razlikuje od celuloze i drugih celuloznih derivata je da se uvođenjem karboksilnih skupina i bakrovih iona stvara međuprostor u koji lako prodiru molekule vode. Molekule H₂O grade nove vodikove veze, no samo dok je folija mokra.

Drugim riječima, TCel-Cu ima jednu strukturu u mokrom, a drugu u suhom stanju. To nije sve. Lanci se slažu u slojeve, koji sadrže ili ne sadrže bakrove ione. Samo slojevi bez bakrovih iona mogu vezati vodu, pa stoga samo oni mogu „bubriti“ te se pomicati djelovanjem vanjske sile. Za razliku od njih, segmenti bogati bakrovim ionima ostaju čvrsto vezani jedni za druge te sprečavaju odvajanje celuloznih vlakana (net points).  

Ta suptilna igra međumolekulskih sila ima velike posljedice. Folija naime može poprimiti privremeni ili trajni oblik, ovisno o tome savija li se u suhom ili vlažnom stanju. Savijanjem u vlažnom stanju folija naime zadržava oblik i nakon sušenja, no ako se savine u suhom stanju vratit će se u početno stanje nakon vlaženja. Dok prva pojava omogućuje iskorištavanje novog materijala kao plastike (jer se može oblikovati po volji), drugi mehanizam omogućuje njegovu upotrebu kao „memorijske jedinice“.

Ovo posljednje dolazi do punog izražaja kada se upotrijebi još jedno otapalo, naime etanol (EtOH), koji također gradi vodikove veze. I evo pokusa koji izgleda poput čarolije!

Autori spomenutog rada uzeli su tri trake folije, umočili ih u 25%-otopinu etanola u vodi te ih presavili u oblik triju slova, H, N i U. Potom su folije osušili te ih presavili u nove oblike, ovaj put u oblik brojaka 9, 7 i 6. No nakon što su „brojke“ ponovno stavili u alkoholnu otopinu, one su se vratile u stari oblik, u oblik slova H, N i U.

To sad djeluje kao (dječja) igra. I čini se da će još neko vrijeme to biti jer za što bi se novi materijal mogao primijeniti, nisu ni sami autori znali reći. Rekli su samo da TCell-Cu „otvara široke mogućnosti primjene“: za primjenu ovog čuda iz kemijskog laboratorija treba imati i malo mašte.

Nenad Raos je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, koji je radio do umirovljenja 2016. godine u zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada (IMI). Autor je i koautor oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske (računalne) kemije, kemije kompleksnih spojeva, bioanorganske kemije, povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik Prirode te urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji; član je društva ProGeo-Hrvatska i Odjela za prirodoslovlje i matematiku Matice hrvatske. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Autor je 16 znanstveno-popularnih knjiga, posljednje dvije su „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“ i „Antologija hrvatske popularizacije prirodnih znanosti“.