U školi se uči da postoje samo dva tekuća kemijska elementa, naravno na sobnoj temperaturi: prvi je metal (živa), a drugi nemetal, halogeni element brom. No o svemu se dade diskutirati, pa i o tako „očitim“ činjenicama, naime da su brom i živa tekućine, a svi drugi elementi nisu. Da su ta dva elementa tekućine svatko se može uvjeriti svojim očima kad ih vidi u bočici. No postoji još jedan element koji je tekuć ili – bolje rečeno – nitko ne zna pravo reći je li tekuć ili nije. Kako to?

Riječ je o galiju, prvom kemijskom elementu čije je otkriće predviđeno. Galij je naime Mendeljevljev ekaaluminij, a taj njegov „ekaaluminij“ trebao bi imati „vrlo nisko talište“. Tako je i bilo: talište ekaaluminija (galija) iznosi samo 30 ^oC. Na ovim našim tropskim vrućinama on je tekućina, a tek u tropima!

Još niže talište ima njegova eutektička smjesa s indijem, EGaIn. Ona sadrži 75,5 posto galija i 24,5 indija. Talište joj je 15,7 ^oC. I evo ideje: upotrijebiti tu smjesu, tu leguru kao materijal za 3D ispis.

No nije sve tako jednostavno, ne može se izraditi predmet naprosto tako da se legura EGaIn ulije u pisač, što potvrđuje već naslov znanstvenog rada u kojem je ta ideja realizirana: „Metallic gels for conductive 3D and 4D printing“ (rad je objavljen u časopisu Matter). Rečena legura je naime vrlo viskozna, suviše viskozna da bi mogla proći kroz cjevčicu pisača. Stoga joj se treba dodati vodu, a uz vodu čestice bakra da bi nastao gel. No to nije sve jer voda sadrži i metilcelulozu radi stabilizacije gela. Usto treba vodu dodatkom solne kiseline zakiseliti na pH=1 da bi se uklonili slojevi oksida na česticama bakra i galijeve legure koji sprječavaju vođenje struje.

Priprema novog filamenta sasvim je jednostavna. U zakiseljenu vodu se dodaju čestice bakra promjera između 10 i 25 μm, zatim tekući metal (EGaIn) te se na kraju sve dobro izmiješa mikserom. No koliko god priprema bila jednostavna, trebalo je uložiti mnogo truda se se napravi smjesa željenih svojstava. Smjesa može naime ispasti u obliku suspenzije (grudica) smjese bakrenog praha i tekućeg metala (LN), tj. tekućeg EGaIN, raspršene u vodi ili se pak čestice bakra mogu istaložiti na dnu posude. Uspostavilo se da eutektičke legure ne smije biti 1,09 puta više, a vode 1,022 puta manje od bakra, da bi nastali mostovi između čestica bakra i kapljica EGaIn, koji omogućuju ne samo kompaktnost materijala nego i njegovu električnu vodljivost. No tu priči nije kraj jer smjesa za ispis mora imati i dobra reološka svojstva, tj. mora lako teći kroz sapnicu pisača, pa se najboljom pokazala smjesa galijeve legure i bakra u masenom omjeru 48:100. A koliko je vode najbolje dodati? Ovisi o tome što hoćemo dobiti.

Odgovor na posljednje pitanje vodi na posljednju riječ u naslovu spomenutog znanstvenog rada: „4D printing“. Doda li se malo vode, tako da je bude 1,5 puta više od bakra, dobiva se smjesa za 3D ispis. Doda li se pak dvostruko više vode, tako da omjer vode i bakra bude 3:1, nastat će smjesa za 4D ispis.

Riječ je o tome da u prvom slučaju kada se filament osuši (ispari voda i HCl), nastaje izotropna, a u drugom anizotropna smjesa. U pravom slučaju su svojstva materijala neovisna o smjeru, a u drugome nisu. U slučaju kada u smjesi ima više vode, svojstva se materijala u smjeru istjecanja filamenta razlikuju od svojstava u smjeru okomitog na njega. Naneseni sloj je dakle anizotropan, pa se grijanjem ili hlađenjem različito širi u dva okomita smjera. Rezultat? Zagrijavanjem predmeta on mijenja oblik: trima prostornim koordinatama (3D) dodana je još jedna, vremenska (3D + D = 4D).

Zahvaljujući neobičnom svojstvu novog materijala znanstvenici su uspjeli napraviti predmete koji promjenom temperature mijenjaju oblik, umjetne zvjezdače i pauke. No to nije za igru: nova će tehnologija naći primjenu u tehnici, prije svega u proizvodnji svjetlećih dioda (LED). I ono najvažnije: kolika je električna vodljivost novog materijala?

Ona je izmjerena na 1,05 × 10⁵ S/m, što je deset puta manje od vodljivosti žive (1,044 × 10⁶ S/m) i oko šesto puta manje od vodljivosti bakra (6,30 ×10⁷ S/m).  Nadajmo se ćemo usko moći njome printati – jer put od otkrića do primjene sve je kraći.

Nenad Raos je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Autor je i koautor stotinjak 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. Koautor je dva sveučilišna udžbenika i autor 15 znanstveno-popularnih knjiga - posljednja je "Kemičar u kući - kemija svakodnevnog živoga". Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.