Model molekuly izoprenu, důležité složky přírodních terpenů. Polymerizací vzniká kaučuk, nebo gutaperča. Kredit: Jynto a Ben Mills, Wikimedia.

Víte, že součástí vašeho dechu je i uhlovodík, který je základní stavební složkou kaučuku, ať již přírodního nebo syntetického? Je to za běžných podmínek bezbarvá těkavá kapalina známá pod označením izopren (systematický název 2-methyl-1,3-butadien). Produkují ho mnohé živé organismy – rostliny (kaučukovníky, eukalypty, duby, topoly,… pampelišky, luštěniny, …řasy, …) a živočichové, i když ti jen v stopových množstvích. Vegetace každoročně do atmosféry uvolní kolem 600 milionů tun izoprenu, což je asi třetina všech uhlovodíkových emisí, včetně metanu. Kolem listnatých lesů tento podíl místy dosahuje až 80 %. Tyto izoprenové emise přispívají k modré barvě oparu, do kterého se halí některá pohoří při pohledu z dálky. Jev, který dal jméno například pohoří Blue Ridge Mountains na východě USA. Přes tuto přirozenou produkci se izopren pro potřeby chemického průmyslu získává jako vedlejší produkt krakování ropy.

Po rozstřižení a opětovné samovolné regeneraci dokáže malá destička z kaučuku bez roztržení unést 5 kg zátěž (video ke stažení zde).  Kredit: Haobing Wang et al., Angewandte Chemie, 2022

Z izoprenu pak kaučuk vzniká polymerizací, přičemž výsledné vlastnosti závisí od prostorové struktury vzájemné vazby monomerů. Nejběžnějším druhem je vysoce elastický cis-1,4-polyizopren, zatímco pevnější gutaperča, jejíž přírodní forma se získává z mízy Perčovníka pravého, je trans-1,4-polyizopren (vysvětlení cis-trans izomerie zde).

Jenže dnešní chemikové dokážou i takovým běžným a dávno známým materiálům, jakými jsou izoprenové kaučuky, dodat nové vlastnosti, které jsou v rozporu s našimi každodenními zkušenostmi. A pak předvádět kouzla.

Hlavní autor studie, prof. Zhaomin Hou, vedoucí Výzkumné skupiny pro pokročilou katalýzu v Centru pro vědy o udržitelných zdrojích RIKEN Kredit: Advanced Catalysis Research Group, RIKEN

Představte si malou destičku o rozměrech 3,5 x 2,5 x 0,6 centimetrů z čirého, vysoce elastického materiálu. Přes dva otvory u jednoho konce vede pevný provázek. Výzkumník bere do ruky nůžky a průhlednou destičku přibližně ve středu rozstřihne. Pak obě části čerstvými řezy k sobě přiloží a na několik sekund přitlačí.

Proužek samoregeneračního polyizoprenu (dole) rozřezán na dva kusy (uprostřed), poté jsou na 15 sekund řezné plochy stlačeny k sobě. Zregenerovaný proužek po minutě odolá natažení na více než dvojnásobek původní délky, aniž by se přetrhl (nahoře). Kredit: Haobing Wang et al., Angewandte Chemie, 2022 a RIKEN news

Bez jakékoli chemikálie, bez změny běžných vnějších fyzikálních podmínek se rozstřižená destička sama zacelí natolik, že po asi minutě unese závaží o hmotnosti 2,5 kg a po hodině dvojnásobek, tedy 5 kg.

V dalším eskamotérském kousku moderní alchymista rozřeže asi 4 centimetry dlouhý proužek, obě části oddělí, aby se diváci přesvědčili, že nejde o podvod. Pak je k sobě na chvilku přiloží a abrakadabra - proužek je opět neporušený. Dokonce natolik, že bez protržení snese natažení na asi trojnásobnou délku. Poté je stejný pokus úspěšně předveden ve skleněné nádobě s vodou.

Jenže v tomto případě o žádná kouzla nejde. Nic, čím by šikovný iluzionista mystifikoval diváky. Chemici renomovaného japonského národního výzkumného ústavu RIKEN v časopisu Angewandte Chemie International Edition (Aplikovaná chemie) publikovali článek, v němž popisují postupy, kterými zmíněný samoregenerační (self-healable) materiál vytvořili a jaké má vlastnosti.

Logo RIKEN Kredit: 理化学研究所 RIKEN

Z dostupných informací lze vyčíst, že část tajemství úspěchu představuje speciální polosendvičový katalyzátor na bázi skandia. Právě japonští chemici v RIKENU již několik let vynalézají a ve výzkumu nových materiálů využívají různé typy polosendvičových katalyzátorů s prvky vzácných zemin. Ten se skandiem jim umožnil kontrolovanou syntézu kopolymeru, který je směsí dvou mikrostruktur – tvrdší 3,4-polyizoprenové a měkčí segmentované cis-1,4 polyizoprenové, jež tvoří matrici. Ukázalo se, že při jejich poměru přibližně 7:3 je samoregenerace materiálu nejlepší.

"Konečným cílem je použití snadno dostupných monomerů k výrobě houževnatých samo se regenerujících polymerů, které jsou v případě mechanického poškození schopné se opravit v reálném prostředí bez jakéhokoli vnějšího zásahu," říká šéf publikované studie Zhaomin Hou, vedoucí Výzkumné skupiny pro pokročilou katalýzu v Centru pro vědy o udržitelných zdrojích RIKEN. "Jsme přesvědčeni, že naše práce nabízí poznatky, které pomohou tohoto cíle dosáhnout."

Bezpochyby zajímavý výzkum. Žel nejsou dostupné všechny informace. Možná i vás při čtení napadla otázka, jaká povrchová úprava výsledných produktů, například destiček, zabrání jejich vzájemnému nechtěnému slepení, když je někdo nedopatřením naskládá na sebe.

Nicméně je to zatím jenom akademická otázka. Od vývoje k výrobě často vede dlouhá cesta, která ne vždy končí v cíli. Již léta se objevují podobné nadějné zprávy o různých materiálech se samoregeneračními schopnostmi. Jak by se to u stále dražších plastových výrobků, které se tak těžko lepí, hodilo!

Odkazy na zajímavá videa ke stažení z volně dostupných doplňkových informací:

Video 2 – Po rozstřižení samozregenerovaný kaučukový plátek vystavený zátěžové zkoušce.

Video 3 - Nový materiál si samoregenerační schopnost zachová i pod vodou.

Video: Seznamte se s RIKEN

Literatura: Angewandte Chemie International Edition, RIKEN news