Može li hladetina, ili preciznije rečeno želatina, biti čvršća nego što jest? Može: u radu što su ga nedavno objavili američki i kineski znanstvenici u časopisu Nature lijepo piše da su napravili želatinu s više od tisuću puta većom žilavošću – povećala se sa 0,0075 na čak 11,9 MJ/ m³! Nova se želatina usto dala razvlačiti, poput gume, sve dok nije pukla pri tlaku od 4 MPa povećavši pritom dužinu za čak 5,5 puta. Kako su to postigli?

Postupak koji su opisali u članku pod zamršenim naslovom „Strong tough hydrogels via the synergy of freeze-casting and salting out" (Čvrsti i žilavi hidrogeli dobiveni sinergijom zaleđivanja i isoljavanja) sve je prije nego zamršen. Prvo se priredi hidrogel (recimo skuha hladetina). Potom se hidrogel postepeno zamrzne polaganim uranjanjem (milimetar u minuti!) u alkohol ohlađen na -80 ^oC. Nakon toga se smrznuti hidrogel stavi u otopinu natrijeva citrata koncentracije 1,5 mol/L (387 g/L) i u njoj ostavi stajati četiri dana. Jednostavna li pokusa! Možete ga i sami, uz malo dobre volje, napraviti u kuhinji: hladetinu znate skuhati, a otopinu nartrijeva citrata možete prirediti reakcijom sode bikarbone i limunske kiseline (obje „kemikalije“ možete kupiti u svakom samoposluživanju). Još preostaje problem hlađenja alkohola, no najlakše ćete ga i najbrže ohladiti suhim ledom. No iza tog jednostavnog, kuhinjskog pokusa krije se složena kemija.

Hidrogeli su, najjednostavnije rečeno, krute otopine polimera u vodi. Da bi se molekule vode i polimera držale zajedno nešto ih mora povezivati, a to nešto su vodikove veze. One se uspostavljaju između molekula polimera i molekula vode te između molekula polimera. Iz toga proizlazi da od svakog polimera ne može nastati hidrogel, nego samo od hidrofilnog, od onog koji može stvarati vodikove veze. To opet znači da molekula polimera mora imati funkcijske skupine između kojih se mogu uspostavljati vodikove veze. Riječ je obično o hidroksilnim skupinama (-OH), no mogu biti i druge skupine s kisikom (npr. >C=O), a i vodik vezan za dušik (npr. >N-H) može graditi vodikove veze.

Hidrogel je kaotična tvorevina. U njemu se nalaze isprepletene nitaste molekule polimera bez ikakva reda. Među njima se tek tu i tamo uspostavljaju vodikove veze, a upravo o njima ovisi čvrstoća polimera: što su molekule povezanije, hidrogel će biti čvršći. Samo kao postići da se molekule više povežu?

Autori spomenutog rada postigli su to na dva načina, smrzavanjem i isoljavanjem. Kada se uzorak gela smrzava u njemu se stvara led. No pri polakom i postepenom smrzavanju (directional freezing) led se stvara u obliku manje od milimetra širokih iglica oko kojih nastaju cjevčice hidrogela. Drugim riječima, u kompaktnom hidrogelu nastaju kanalići, no pri tome dolazi i do promjene nanometarske strukture gela. Ledene iglice naime pri svom rastu orijentiraju, poput glačala ili valjka, molekule polimera u sve paralelniji položaj jednih prema drugima.

U drugoj fazi postupka, kada se gel drži četiri dana u koncentriranoj otopini natrijeva citrata, otopina te soli prodire kroz ledene kanaliće te dopire do hidrogela. Proteini se talože isoljavanjem ("salting out"), znaju biokemičari, a znaju to i kuhari kad priređuju sir od soje (tofu) tako da u sojino mlijeko dodaju sol, magnezijev klorid. Sličano se događa i u krutim otopinama, hidrogelima, proteina no i drugih hidrofilnih polimera. Oni se ne mogu istaložiti, jer već jesu neka vrsta taloga, ali je proces na molekulskoj razini isti. Naime i pri isoljavanju sojina mlijeka magnezijevim kloridom i pri obradi želatine natrijevim citratom dolazi do približavanja molekula polimera pri čemu se, jasno je, uspostavljaju nove vodikove veze. A gdje ima vodikovih veza ima i čvrstoće.

Želatina („hladetina“) je samo jedan primjer. Autori spomnutog rada napravili su učvršćeni gel i od alginata, no s manjim uspjehom (žilavost 1,1 MJ/m³). To se pak ne bi moglo reći za gel priređen od polivinilalkohola, PVA. Najbolji pripravci dobiveni smrzavanjem i natrijevim citratom obrađenog gela tog umjetnog polimera, HA-PVA, mogli su izdržati tlak od 23,5 MPa (235 bar) uz žilavost od 210 MJ/m³ – a to je veća žilavost od žilavosti kevlara.

Nenad Raos 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. 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.