Nepobjedivi molekulski kupus – (super)materijal iz kemijskog laboratorija

Molekule treba poslagati kao listove u glavi kupusa, a zatim ih povezati elastičnim sponama (također molekulama) – i dobiti materijal elastičan poput gume, a vatrootporan poput kovine

Nenad Raos subota, 28. prosinca 2024. u 06:00
📷 Freestocks.org
Freestocks.org

Nedavno sam se našao na kavi s nekim fizičarem. „Prošlo stoljeće bilo je stoljeće fizike, ovo stoljeće je stoljeće molekulske biologije“, kaže. Ne bih se s njime sasvim složio. Na prijelazu iz 19. u 20. stoljeće dogodilo se mnogo važnoga u fizici, od otkrića radioaktivnosti i rendgenskih zraka do ustanovljenja nove fizičke paradigme (kvantna teorija i teorija relativnosti), a od tada se ništa posebno, mislim ništa revolucionarno novo nije dogodilo. Sličnu situaciju imamo danas, no u području molekulske biologije, koja nas svakog dana obasipa novim otkrićima iz kojih proizlaze novi lijekovi protiv dotad neizlječivih bolesti. S time bih se složio, ali – kao što rekoh u trećoj rečenici – „ne sasvim“.

Riječ je naime o tome da sva čuda molekulske biologije proizlaze iz čuda kemije, a čuda kemije iz čuda fizike. Zahvaljujući naime prodoru fizike u svijet atoma, kemija je preobrazila svoje lice, pa se više ne bavi svojstvima velikog broja molekula („svojstvima tvari“) nego svojstvima pojedinih molekula iz kojih potom izvodi svojstva tvari. Ili: dok se nekoć kemičar vodio više intuicijom nego znanjem (metoda pokušaja i pogreške), danas kemičar projektira molekule i iz njih izgrađene tvari kao što arhitekt projektira kuće. Posljedica toga je da se može do kraja razumjeti mehanizam djelovanja molekula u živim bićima (molekulska biologija), ali i – što je tema ovog članka – dolaziti do novih materijala, predvidljivih no dotad neviđenih svojstava. 

I evo jednog takvog, opisanog u časopisu Matter. Njegova je struktura, ali i svojstva sažeta u naslovu znanstvenog rada: „Cabbage-like flexible fluororubber/carbon aerogel hybrids with negative Poisson's ratios and excellent microwave absorption“. Sve lijepo piše, no to je kostur. A što je meso? 

„Meso“ se sastoji od triju vrsta ugljikovih molekula („hybrids“), naime grafen-oksida (GO), ugljikovih nanocjevčica za koje su vezane amino skupine (a-CNT) i fluoriranog elastomera („fluororubber“), FKM. Te se molekule slažu u strukturu nalik na glavu kupusa („cabbage-like“). A evo kako.

Prvo se prve dvije komponente, GO i a-CNT, pomiješaju s vodom (u kojoj su dakako netopljive), a potom im se doda etan-1,2-diamin (EDA). Time dolazi do nastajanja gela uslijed povezivanja molekula. Nastali gel je dakako hidrogel, što znači da sadržava vodu. No kako odstraniti vodu, a da se ne uništi struktura? Za to postoji oprobana metoda (freeze-drying) kojom se, između ostalog, proizvodi i instant-kava. Gel se naime smrzne, a potom voda ispari kada ga se stavi u komoru s niskim tlakom. Tako se iz hidrogela dobiva aerogel, točnije CGA (a-CNT/GO aerogel). 

No sada dolazi treća komponenta, elastomer FKM, otopljen u organskom otapalu (butanonu). Dobiveni aerogel (CGA) se umoči u otopinu elastomera, a potom osuši. Uslijed toga dolazi do povezivanja slojeva elastičnim molekulama, pa od krtog CGA nastaje elastični FCGA („fluororubber/carbon aerogel hybrid“). To, elastičnost, je sasvim novo svojstvo za ugljične aerogelove. Novi materijal se može sabiti na 30 % početnog volumena, a ni nakon tisuću ciklusa kompresije i dekompresije ne gubi mehanička svojstva. 

No to je tek početak priče. „Aerogelna guma“ je lakša od pluta, gustoća joj iznosi samo 92 mg/cm3. Usto je izvrstan toplinski izolator: po toplinskoj vodljivosti (40 mW m-1 K-1) može se mjeriti s poliuretanskom pjenom, a četiri je puta bolji izolator topline od vate ili vune (oko 150 mW m-1 K-1). Visoki udio ugljika (GO i a-CNT) čini je gotovo karboniziranim materijalom, a FKM, kao i drugi fluorirani ugljikovi spojevi (teflon!), također je otporan na temperaturu. Sve to čini da novom materijalu plamen previše ne smeta. To najbolje pokazuje ovdje prikazan demonstracijski pokus: komadić maslaca na čeličnom limu se rastali i zapali nakon osam sekundi grijanja plinskim plamenikom (1300 oC). No ako se maslac stavi na pola centimetra debelu pločicu od novog materijala, neće mu se ništa dogoditi ni nakon pola minute. I što još?

Opet se trebamo vratiti na naslov, točnije na posljednje dvije riječi u njemu, „microwave absorption“ (apsorpcija mikrovalnog zračenja). Novi materijal apsorbira to zračenje u vrlo širokom rasponu valnih duljina što između ostalog znači da će ga se moći koristiti i za zaštitu od zračenja. Sve u svemu, dobiven je materijal koji ujedinjuje svojstva mnogih (gume, poliuretanske pjene, čelika). Može izdržati i udar i požar. Stoga mi jedna primjena odmah pada na pamet: zaštita osjetljive opreme u zrakoplovima, raketama i svemirskim brodovima.  

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 15 znanstveno-popularnih knjiga, posljednje dvije su „Kemija – muza arhitekture“ (u koautorstvu sa Zvonkom Pađanom) i „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“.