Kemijsko čudo od drva – drveni “metal” koji se oblikuje u kalupima

Šezdesetih godina prošloga stoljeća polimerni materijali bili su čudo novoga doba. Sjećam se izložbe u Američkom paviljonu na Zagrebačkom velesajmu na kojoj smo svi mi, i stari i mladi, bečili oči: što se sve ne može napraviti od crne nafte i još crnjeg ugljena! U 21. stoljeću – vrijeme koje smo tada percipirali kao daleku budućnost – uopće neće biti drva, tog slabog, primitivnog, da ne kažemo nazadnog materijala, materijala o kojem ćemo tada, „u budućnosti“, govoriti kao o kamenom klinu ili kamenoj sjekiri. Što će nam drvo kad imamo tisuće vrsta umjetnih polimera, koji niti trule niti hrđaju. I došlo je doba polimera, došlo je mnogo prije 21. stoljeća, pa opet nismo s njima sasvim zadovoljni. Njihova „nepropadljivost“ postala je mana, isto kao što se iz vrline u manu pretvorilo njihovo dobivanje iz nafte i ugljena.

„S jedne strane vuglen i kamenje, a s druge kruh i klobase“, govorio nam je u sedmom razredu profesor kemije (kojeg smo zbog tog „vuglena“ zvali Vuglen). To je nesumnjivo težnja, da ne kažemo ideal kemije (kemijske tehnologije), no je li taj ideal ograničen samo na „vuglen i kamenje“? Zar i drvo nije materijal, dakle tvar koja se kao i sve druge tvari može kemijski modificirati, pretvoriti u nešto drugo? To se pitanje sve više postavlja u doba globalnog zatopljenja, kada bismo željeli posve odbaciti fosilna goriva i fosilne sirovine te se okrenuti obnovljivim izvorima, kako energije tako i materijala.

Među tim, obnovljivim materijalima drvo prednjači. Jeftino je, lako se uzgaja, obrađuje i prerađuje, a osim izravne koristi u materijalu, šume čuvaju i obogaćuju tlo, ublažavaju klimu i, možda najvažnije, povećavaju biološku raznolikost pružajući zaklon biljkama i životinjama. „U budućnosti“, mislimo danas, cijeli ćemo planet prekriti šumama (kao što je nekoć bio prekriven), a od šume ćemo dobivati sve što nam treba: „S jedne strane drvo, a s druge kruh i klobase“.

Jedna od tih novih tehnologija prerade drva osvanula je nedavno na stranicama časopisa Science. Pod naslovom „Lightweight, strong, moldable wood via cell wall engineering as a sustainable structural material“ krije se tehnologija za pretvaranje drva u materijal po mehaničkim svojstvima ravan aluminiju.

Novi način prerade drva posve je jednostavan. Drvo se najprije ispili na milimetar debele daščice iz kojih se potom odstranjuje lignin kuhanjem u otopini kalcijeva hidrogensulfita i sumporova dioksida, ili na neki drugi standardni način. Tim se postupkom drvo ne samo obogaćuje celulozom, jer gubi 55 % lignina i 67 % hemicelulozole, nego i vodom jer se dobiva drvo sa 75 % vode. Nakon toga slijedi sušenje, pri čemu sadržaj vode opada na 12 %. Tek kada se takvom, osušenom drvu doda voda, pri čemu udio vode raste na 50 %, dobiva se materijal koji se, za razliku od prirodnog drva, može po volji oblikovati (moldable wood). Nakon oblikovanja, materijal se opet suši, ovaj put u kalupu, da bi zadržao novi oblik – i nova svojstva.

Kad kažem „nova svojstva“ mislim prije svega na ona mehanička. Novi materijal ima vlačnu čvrstoću 300 MPa te tlačnu čvrstoću 30 MPa, što znači da podnosi šest puta jače vlačne i dva puta jače tlačne sile od izvornog materijala, tj. prirodnog drva. Time se po mehaničkim svojstvima približava aluminiju – i u mnogo čemu ga nadmašuje. Nadmašuje ga prije svega po težini, jer gustoća novog materijala iznosi samo 0,75 kg/dm3, što znači da je skoro četiri puta lakši od aluminija (2,7 kg/dm3). Usto mnogo lakše podnosi savijanje, jer može podnijeti i stotinu savijanja dok aluminij puca već nakon trećeg.

Koja kemija leži iza toga? Leži igranje s vodikovim vezama. U novom se materijalu vodikove veze ne uspostavljaju samo između celuloznih vlakana unutar stanične stijenke (u kojoj se vlakna nalaze) nego i između celuloznih vlakana staničnih stijenki susjednih stanica (cell wall engineering). Čvrstoća materijala ovisi prije svega o vrsti (čvrstoći) i broju međumolekulskih veza (interakcija), kaže kemija. To dakako vrijedi i u ovom slučaju.

O primjeni novog materijala ne treba trošiti riječi: od ambalaže i građevinskih materijala do automobilskih karoserija. Neće na kraju biti „s jedne strane drvo, a s druge kruh i klobase“, ali će se na drugoj strani naći mnoge stvari za koje ne bismo mogli ni pomisliti da su drvene.

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.