Kemičari napravili kristal koji sam zacjeljuje

Svaki put kad prođem pokraj jedne zagrebačke ljekarne u kojoj se prodaju biljni preparati i drugi „ljekovi iz prirode“, pomislim kako se poslovice polovično citiraju i krivo prevode, pa onda dobivaju sasvim drugo, posve pogrešno značenje. Riječ je naime od geslu „priroda liječi“ koje bi trebalo biti prijevod starog medicinskog načela, iz krila Hipokratove škole, „Medicius curat, natura sanat“ – što bi vjerno prevedeno s latinskog značilo: „Liječnik liječi, priroda ozdravlja“. Drugim riječima, liječnik bi terapijom trebao samo pomoći prirodi da obavi svoj posao ozdravljanja, ili – preciznije – medicina treba pomagati organizmu da se bori s bolešću, bilo da je izazvana bakterijom, virusom ili povredom. Cjepivo ne ubija viruse, ono samo osnažuje organizam u borbi protiv virusa.

I bez pozivanja na tu drevnu mudrost, svakome je jasno da će slomljena kost zarasti, a slomljena stolica, tanjur ili šalica neće. Ta je razlika toliko očita da je možemo smatrati nečime po čemu se živo razlikuje od neživog. No ne mora biti tako, ili – bolje rečeno – ne mora više biti tako. To kažem zato što je nedavno u časopisu Science izišao znanstveni rad međunarodne ekipe znanstvenika iz Indije, Sjedinjenih Država i Ujedinjenog Kraljevstva. Naslov mu je kratak – i intrigantan: „Autonomous self-repair in piezoelectric molecular crystals (Autonomno samopopravljanje u piezoelektričnim molekulskim kristalima)“. O čemu se radi?

Najjednostavnije rečeno, znanstvenici su priredili jedan do dva milimetra duge kristale, koji su kada su ih razlomili okomito na jednu od triju kristalnih osi, srasli i to bez ikakvog vanjskog utjecaja (autonomous). Srasli su sami od sebe – i to u tisućinki sekunde.

To su kristali bipirazola supstituiranog s četiri metilne skupine, organskog spoja sustavnog imena 3,3′,5,5′-tetrametil-4,4′-bipirazol. Kristali pripadaju tetragonskom sustavu, što znači da se sve tri kristalne osi (a, b, c) sijeku pod pravim kutem, te da su dvije osi (a i b) jednake dužine, dok je treća os (c) duža od druge dvije. U kristalu se usto nalaze molekule vode.

Riječ je očito o kristalizacijskoj vodi. Ništa neobično, jer se kristalizacijska voda nalazi u mnogim kristalima – primjerice u kristalima modre galice ili gipsa – no u kristalu ovog bipirazola molekule vode su smještene u kanalićima između organskih molekula. One su  povezane vodikovim vezama, kako među sobom tako i s molekulama bipirazola, koje su opet međusobno povezane vodikovim vezama tipa N-H⸳⸳⸳N. Kada se kristal prelomi okomito na kristalnu os c (po plohi 001), pucaju vodikove veze među molekulama. No ono što je ovdje najvažnije je da se pri pucanju vodikovih veza razdvajaju pozitivni i negativni naboji: na jednoj plohi loma ostaju pozitivni, a na drugoj plohi negativni naboji. Najveći napon što su ga znanstvenici izmjerili između ploha loma bio je 4,4 V.

Zbog razdvajanja naboja plohe 001 slomljenog kristala se privlače nastojeći se spojiti u jedno tijelo, u kristal, čak i ako su razmaknute 0,05 mm. Privlačna sila među plohama je tolika da pukotina u kristalu nestaje u roku od jedne do dvije milisekunde.

Iza svake rane ostaje ožiljak, a iza svake ozljede manji ili veći stupanj invalidnosti. Ta pouka iz medicine (traumatologije) vrijedi i za kristal jer se teško može očekivati da će se kristalne plohe sasvim točno spojiti na mjestu loma. Stoga je zaraštanje kristala povezano s većim ili manjim defektom. Posljedica toga je da se na mjestu sraštanja kristala može pojaviti „ožiljak“ koji utječe na mehanička svojstva kristala.

Još treba reći da kristali bipirazola imaju dobra mehanička svojstva. Tvrdoća im je  0,5 – 0,6 GPa, a modul elastičnosti 15 GPa u smjeru osi c. No to nije toliko važno, najvažnije je što ovo istraživanje otvara prostor pronalasku stotina drugih samozacjeljivih materijala. Nužan uvjet? Kristal mora biti piezolektričan, a usto ne smije imati centar simetrije. 

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. Sada piše za Čovjek i svemir te, naravno, BUG online. 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.