Davno, davno, davno prije nego što je čovjek sagradio prvu kolibu, a kamoli kuću od kamena povezanog vapom ili cigli sljepljenih asfaltom, priroda je poznavala i jedno i drugo, i gradivo i vezivo. Naše se kosti sastoje od čestica (kristalića) apatita, koje služe kao cigle, i molekula bjelančevine, kolagena, koje ih povezuju poput vapna. No kosti, koje su se pojavile tek sa slatkovodnim ribama, nisu i prvi zidovi u prirodni. Mnogo prije njih školjkaši su gradili školjke od sedefa, a sedef se pak sastoji od kristala aragonita (kristalne modifikacije CaCO₃, druga je kalcit) i amorfnog kalcijeva karbonata s nešto proteina. Kristali aragonita su – jasno je – „cigle“, a ono drugo (amorfna faza) je „malter“. U oba slučaja riječ je, kako se to u stručnom žargonu sažeto kaže, o kristalno-amorfnoj superstrukturi.

Šestorici kineskih znanstvenika koji su u časopisu Matter objavili znanstveni rad „Super-strong graphene oxide-based fibers reinforced by crystalline-amorphous superstructure“ nije bila sramota da već u uvodu (i dakako u sažetku) kažu da su se poveli za školjkom, za njezinim sedefom, jer – zna se – priroda ni na što ne polaže autorska prava, pa se stoga, razumije se, prirodu ne može plagirati. Riječ je dakle o izuzetno čvrstim vlaknima (super-strong fibers) koja se osnivaju na grafen oksidu (graphene oxide-based) i to tako da njegove sastavnice čine superstrukturu od kristalne i amorfne faze (crystalline-amorphous superstructure). Kristalna faza se sastoji od grafen oksida (GO), a amorfna faza od cirkonijeva dioksida (ZrO₂). No tu priči nije kraj jer amorfna faza novog vlakna sadrži i poli(vinil-alkohol), PVA, pa se novi materijal zove GO@amorphous-ZrO₂-polyvinyl alcohol, ili sasvim kratko – GAZP.

Grafen oksid je djelimično oksidiran grafen. Grafen je najčvršća poznata tvar (prekidna čvstoća mu je 150 GPa), no GO je nažalost jako daleko od toga: dodatak malo kisika molekuli grafena uzorkuje da prekidna čvrstoća grafen oksida bude samo 100 MPa, koja se uz sav trud kemičara može popeti na najviše 500 MPa. No tu uskače polimer, PVA, koji povezuje molekule i, još više, amorfni cirkonijev dioksid. Zašto baš cirkonijev dioksid?

Keramike od cirkonijeva dioksida imaju izuzetno veliku čvrstoću, koja postaje još veća ako je ZrO₂ amorfan. I on se, poput PVA, veže za molekule grafena (čineći mostove tipa C-O-Zr) pa tako učvršćuje strukturu. To bi bila kemija. A što je s tehnologijom?

Postupak proizvodnje novog (GAZP) vlakna sasvim je jednostavan. Grafitni prah sa stotinku milimetra (<10 μm) velikim česticama oksidira se u vodenoj otopini u grafen oksid, a zatim se pomiješa sa cirkonijevim oksikloridom (ZrOCl₂⸱8H₂O). Nakon žestokog miješanja i dužeg stajanja, odijeli se talog kojem se potom doda otopina kalcijeva klorida i PVA. Tako se dobiva suspenzija koja se potom, pošto se špricom formira, pretvara u vlakno ničim drugim nego stajanjem. Kalcijevi ioni (Ca²⁺) olakšavaju nitima (GO@A-ZrO₂) da se ispruže, dok ih molekule PVA povezuju. Tako nastaje vlakno izuzetno velike prekidne čvrstoće (935 MPa) i žilavosti (10,6 MJ/m³). Novo je vlakno dakle 13 puta čvršće od najlonskog vlakna (78 MPa), a čvrstoćom mu nije ravna ni čelična žica (oko 500 MPa). No najvažnije mu je svojstvo da je doista vlakno, što znači da se može po volji savijati. Da bi čitatelje u to posve uvjerili, autori rečenog rada svezali su novo vlakno u čvor, a usto ga upleli u pamučno platno.

I prije objavljivanja ovog znanstvenog rada mnogo se radilo na vlaknima od grafen oksida. No ne samo da su ta vlakna bila manje čvrsta od GAZP, nego su iziskivala i složeniji tehnološki postupak uz utrošak više energije. Stoga autori u radu (nikad nije prerano!) reklamiraju GAZP kao „ekonomično i ekološko“ vlakno. Grafen oksid je sigurno i ekonomičan i ekologičan, no to se za cirkonij (vlakno sadrži 33 % ZrO₂) ne bi baš moglo reći. Primjena? U medicini i astronautici, a prije svega u vatrogastvu. Ovo posljednje mi je odmah palo na pamet znajući da su grafit i cirkonijev dioksid vrlo otporni na temperaturu i kemikalije. Od grafita (talište 3500 ^oC) se izrađuju lončići za taljenje, a ZrO₂ ne reagira ni s kiselinama niti s lužinama, a usto se tali tek na 2700 ^oC.

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“.