Jednom je mama došla kući i iz Obija i donijela vrećicu šarenih vodenih kristala u koje stavite cvijeće i ne morate ga tako često zalijevati. Naravno, kad god se tako vrati iz kupovine sa nekom mamiparom, želi da je pokaže baš meni (tako bi i s ovom):
- De mi pogledaj ovo! Šta misliš kako funkcioniše?
- Ovo su ti vodene gelirane kuglice u čijoj su građi trodimenzionalno umreženi makromolekulski lanci koji grade matriks koji zadržava vodu u čijem prisustvu bubre.
- Moraš ti odmah zakomplikovati! Hajde, nebitno...
U biti sam samo htjela da se vratim gledanju neke francuske serije o forenzičarima i kusanju voćnog jogurta. Nije mi se dalo objašnjavati hidrogelove i polimere, ali to ne mijenja činjenicu da oni imaju zaista interesantno i fascinantno dejstvo te široku upotrebu u našoj svakodnevnici (pri tome ne mislim samo na ove šarene kuglice iz Obija).
Dakle, hidrogelovi su...
... polimerne mreže koje se ne mogu rastvarati već u prisustvu rastvarača bubre. Ako je rastvarač voda, onda govorimo o hidrogelovima, a ako je rastvarač neka nepolarna organska tvar, govorimo o liogelovima. Hidrogelovi su osjetljivi na vanjske stimulanse i usljed malih promjena u svojoj okolini značajno mijenjaju volumen. Te promjene se mogu odnositi na: pH vrijednost, jonsku jačinu rastvarača, temperaturu, svjetlost, magnetno i električno polje.
Mrežasta struktura hidrofilnih polimernih lanaca upija vodu i zadržava je unutar pora. Količina vode koju hidrogel može pohraniti mijenja se ovisno o njegovom hemijskom sastavu (od 30% pa čak i preko 99% njegove ukupne mase). Hidrogelovi mogu biti prirodni i sintetički i obje vrste imaju sjajne elastične karakteristike, gotovo identične tkivu živog organizma. Zato što može primiti velike količine vode i zato što je inertan u ljudskom tijelu, hidrogel je kompatibilan sa tkivima ljudskih organa poput kože i očiju, ali i nekih unutrašnjih organa. Možete već pretpostaviti da se upotrebljava u medicini, naprimjer za izradu kontaktnih sočiva, ili za prekrivanje rana na koži, ili kada nedostaje veći dio kože (pomaže zadržati ranu vlažnom i omogućava brže zarastanje). Primjer takvog proizvoda je flaster za žuljeve Compeed, koji upija izlučevine sa mjesta rane, ali i svojom elastičnošću onemogućava daljnje širenje povrede prilikom hoda.
Da, hidrogelovi se upotrebljavaju u medicini, farmaciji, u pročišćavanju, izradi papira, eksploziva, senzora, ambalaže i u poljoprivredi. Njihova primjena je sve popularnija i u plastičnoj hirurgiji, gdje se upotrebljavaju kao implantati za povećavanje grudi, usana, zadnjice itd. Ipak, najpoznatija i najrasprostranjenija upotreba je kod izrade pelena za djecu i starijih osoba i higijenskih uložaka, gdje se najbolje može primijetiti njihovo upijajuće svojstvo i moć zadržavanja tečnosti u mrežastoj strukturi ne dopuštajući joj da iscuri.
Najčešće upotrebljavani hidrogel je natrijev poliakrilat, nastao polimerizacijom akrilne kiseline pomiješane s natrijevim hidroksidom.
A sada, spektakl!
Dejstvo hidrogelova možemo pokazati pomoću dva eksperimenta za koje se možemo lako opskrbiti u prodavnici. Prvi je uvodni eksperiment sa gelom za kosu, a drugi izvodimo sa jednokratnim pelenama za bebe i on je nešto detaljniji.
Za eksperimente su nam potrebni:
- Jedna jednokratna pelena sa dobrom upijajućom moći
- Oko 500 mL destilovane vode
- Gel za kosu (najjeftiniji)
- Natrijev hlorid (kuhinjska so)
- Petrijeva zdjelica
- Kašika ili špatula
- Makaze
- Veća čaša (u koju može stati barem 600 mL tečnosti)
- Stakleni štapić za miješanje
- Papir A4 formata
- Plastična vrećica sa zatvaračem
Kod uvodnog eksperimenta, kašikom ili špatulom izvadimo nešto jeftinog gela za kosu u petrijevu zdjelicu i posolimo ga. Primjećujemo kako se količina gela vrlo brzo smanji nakon što smo mu dodali so. Nekoliko minuta kasnije, sav gel se pretvori u malu količinu tečnosti, koju veoma lako možemo proliti iz petrijeve zdjelice.
Kod drugog eksperimenta ćemo makazama isjeći sredinu pelene (misli se na onaj dio koji je napravljen da upija urin), a ostatak baciti. Iz srednjeg dijela ćemo na papir izvaditi punjenje u kojem se, između ostalog, nalaze i granule koje su nama potrebne. Na papiru ćemo ih oprezno odvojiti od ostatka. Ne treba puhati u papir da se sadržaj pelene ne bi raspršio i paziti da se on ne udahne. Sve ćemo polako prebaciti u plastičnu vrećicu i zatvoriti. U vrećici ćemo jako uspješno mućkanjem i pritiskanjem sasvim odvojiti granule od ostatka punjenja. Naime, granule su dosta teže od ostatka sadržaja pelene i padaju na dno vrećice, najčešće u njene uglove (ili jedan ugao ako se vrećica nagne ukoso).
Sada ćemo otprilike procijeniti volumen granula i prebaciti ih u čašu te im dodati oko 100 mL destilovane vode i promiješati. Vodu ćemo dalje dodavati postepeno, uz miješanje, sve dok granule više ne prestanu upijati tečnost. Zatim ćemo izvršiti procjenu volumena dobivenog hidrogela. Taj volumen bi trebao iznositi oko 10 cm3, ali to zavisi od veličine i marke pelene. Hidrogel veoma brzo nadođe, a može upiti oko 500 mL destilovane vode, sa kojom gradi jako viskoznu masu. Dobivenom hidrogelu možemo opet dodati soli i promiješati staklenim štapićem. Dodavanjem soli viskoznost odmah opada što nam olakšava miješanje. Hidrogel otpušta vodu koja se onda nađe na dnu čaše.
Šta smo naučili?
Osim što nam je nakon ovog eksperimenta jasnije kako funkcionišu pelene, higijenski ulošci i slična sredstva sa kojima se svakodnevno susrećemo, on može biti i dobar uvod u čas na kojem se govori o jonskim i kovalentnim vezama. Hidrogelovi su jako interesantni polimeri i odličan primjer takozvanih pametnih materijala jer mijenjaju oblik u zavisnosti od promjena u svojoj okolini, u ovom slučaju zbog promjene koncentracije jona. Za uspješnu inkorporaciju eksperimenta u nastavu, učenici ipak moraju imati osnove znanja o jonskim i kovalentnim vezama, reverzibilnim reakcijama kao i kiselinama i bazama, kako bi mogli bolje shvatiti šta se tačno dogodilo.
Hidrogelovi su polimeri koji mogu upiti vodu mase nekoliko puta (čak i do 400) veće nego njihove sopstvene. To su najčešće polimeri karboksilnih kiselina koje joniziraju u vodi, što kreira negativne naboje duž polimernog lanca, a to uzrokuje dva efekta. Prvi je taj da se polimerni lanac širi zato što se negativni naboji međusobno odbijaju, a drugi efekat je privlačenje polarnih molekula vode od strane negativno nabijenog polimernog lanca. Ovako raste viskozitet nastale smjese kao i polimerni lanac koji onda zauzima više prostora i opire se dejstvu molekula rastvarača koje ga okružuju.
Polimer sa vodom gradi jedan vid ravnoteže koju možemo poremetiti na razne načine. Ako povećamo jonsku koncentraciju rastvora (naprimjer, dodavanjem soli), katjoni se vežu za negativne krajeve polimera i tako uspješno neutrališu naboj, što uzrokuje raspad strukture polimera. Dodavanjem baza se uklanjaju kiseli joni i ravnoteža reakcije se pomjera udesno, a dodatak kiseline izaziva suprotan efekat.
Na slici tako možemo vidjeti skokovitu promjenu volumena polimernih lanaca hidrogela usljed promjene parametra sredine u kojoj se nalazi. Lijevo je nabubreni, a desno kontrahovani hidrogel.
Osim što upija velike količine vode, hidrogel je i zadržava u svojoj strukturi ne dopuštajući njeno naglo istjecanje, već, ovisno o vrsti hidrogela i njegovoj strukturi, brže ili sporije otpuštanje vode. I kad bi se pokušalo sa pritiskivanjem hidrogela koji je prethodno natopljen vodom, on bi apsorbovao vanjski pritisak deformišući se i ostao suh izvana ne dopuštajući izlazak vode na površinu. Postoje hidrogelovi koji su osjetljivi pri visokoj temperaturi pa im se prilikom vrlo male promjene temperature (za desetak Celzijusovih stepeni) volumen bitno mijenja. Tako će se, ako je hidrogel izložen povišenju temperature, njegov volumen smanjiti i obrnuto, a na taj način će se osloboditi spoj koji je prethodno u njega ugrađen (naprimjer lijek: osigura se pravilna doza lijeka bolesniku). Drugi hidrogelovi su propusni za gasove (npr. kisik) i tako omogućuju dugotrajan dodir sočiva i oka. Cool, zar ne? Nisu nimalo bezveze ti pametni gelovi.
Hidrogelovi se pojavljuju u mnogim područjima savremenog života. No, njihova je primjena tek na početku razvoja i eksploatacije. Razvoj tehnike doveo je hidrogelove od početne ideje o primjeni u poljoprivredi do primjene u medicini. Masovna proizvodnja i daljnji razvoj mogli bi im sniziti cijenu i omogućiti rašireniju primjenu u poljoprivredi, čime bi zamijenili skupu infrastrukturu natapanja na mjestima gdje kiša ne pada dovoljno. Hidrogelovi su vrlo perspektivna grana polimera i imaju sigurnu budućnost.
Činjenica je da postoji sve više i više điđa i hepeka koji su tu da nam olakšaju život, a u dosta slučajeva ih uzimamo zdravo za gotovo. I ne trudimo se shvatiti kako funkcioniraju. Eksperimentalna nastava svakako pomaže razumijevanju osnova hemije, ali i svakodnevnice. Zato sam ugasila televizor i objasnila mami kako funkcionišu čarobne kuglice za cvijeće.
Još eksperimentalne nastave? Čitajte i druge tekstove:
... i mnoge druge.
Ko čita, ne skita!
