Što je najčvršće na svijetu? Ako se ne izgubimo u pjesničkim metaforama (roditeljska ljubav, bratska sloga i sl.) nego se zadržimo na čvrstom tlu egzaktne znanosti, nema sumnje da je najtvrđa stvar (ako se može nazvati stvarju) kemijska kovalentna veza. Da bi se raskinula veza koja drži dva vodikova atoma u molekuli vodika (H-H) trebalo bi upotrijebiti silu od 10^-9 N, što je jako, jako malo, no i atomi su jako, jako mali. Kada tu vrijednost podijelimo s površinom atoma (s detaljima ne bih zamarao čitatelja) dolazimo do prekidne čvrstoće od oko 100 GPa – vlakno površine kvadratnog milimetra moglo bi držati teret od desetak tona. Takvu čvrstoću nema nijedno vlakno – iako se sva vlakna sastoje od molekula, pa stoga i od kovalentih veza.

Razlog je u tome da se vlakna, bilo prirodna bilo umjetna, sastoje od dugih molekula (polimera) no ono što s vlaknom puca nisu molekule, nisu kovalentne veze među atomima, nego veze među molekulama. Riječ je o desetak puta slabijim vodikovim vezama i još slabijim van der Waalsovim interakcijama. One služe kao neka vrsta ljepila koje povezuje najsitnije niti svakog vlakna i prediva – molekule polimera.

Tako jest ili bi tako trebalo biti i s vlaknom od ugljikovih najnocjevčica, CNTF (carbon nanutube fiber). Cjevaste molekule CNT, strukture slične strukturi grafita, ne daju mira znanstvenicima otkako ih je 1991. prvi put u epruveti dobio japanski kemičar Sumio Ijima. S njima se otvorio čitav novi svijet jer je postalo moguće od ugljika napraviti tijelo, molekulu, bilo kojih dimenzija i bilo kakvog oblika: od CNT su kemičari napravili zupčanik – za neki nikad sastavljeni stroj.

No najažnije je napraviti vlakno, od molekula ispresti niti. I evo najnovijeg, vrlo uspjelog pokušaja. U prosinačkom broju časopisa Science Advances izašao je znanstveni rad podugog naslova, „Simultaneously enchanced tenacity, rapture work, and thermal conductivity of carbon nanotube fibers by raising effective tube portion (Istobobno povećanje žilavosti, čvrstoće i toplinske vodljivosti vlakna od ugljikovih nanocjevčica povećanjem efektivnog udjela cijevi)“. Kako je to postignuto?

Da bi vlakno bilo čvrsto, ili – bolje rečeno – da bi se vlakno moglo napraviti od bilo kojeg materijala, molekule treba razvući u jednom smjeru i postići da se među njima uspostave čvrste veze. Tako je bilo i s ovim vlaknom od ugljika. Nanocjevčice dobivene sintezom nalikuju na paučinu, tvoreći aerogel. Molekule su raspoređene kaotično, a na mjestu dodira drže se slabim, van der Waalsovim silama. I baš kao što se papir, u kojima se nalaze na isti način raspoređena celulozna vlakna, pretvara u kašu dodavanjem vode, tako se i aegel ugljikovih nanocjevčica pretvara u otopinu dodavanajem klorsulfonske kiseline (CSA), kemijskog spoja formule  HSO₃Cl. Zašto baš te kiseline?

Zato što je to tako jaka kiselina da u njoj i kemijski inertna ugljikova nanocjevčica postaje bazom – akceptorom protona, tj. vodikovih iona, H⁺. Primanjem vodikovih iona molekule CNT postaju pozitivno nabijene pa se razmiču jedna od druge. Postepenim razrijeđivanjem kiseline dodavanjem kloroforma (CHCl₃) odbojne sile među molekulama slabe, a privlačne (van der Waalsove) sile jačaju, pa se one mogu sljubiti i razvuči u niti. Na kraju se nit ispere acetonom, osuši na zraku – i to je to. Umjesto acetona može se upotrijebiti voda, no tu treba biti oprezan jer CSA reagira s vodom dajući smjesu sumporne i klorovodične kiseline.

Mjerenja mehaničkih svojstava niti su pokazala da ima vlačnu čvrstoću od 4,6 GPa, 60 puta veću od čvrstoće najlona (0,078 GPa), no ipak mnogo manju od teorijske granice za ugljikovu nanocjevčicu (300 GPa). Ima toplinsku vodljivost od 0,258 W m² K^-1 kg^-1, pet puta veću od vodljivosti bakra (0,044  W m² K^-1 kg^-1) i srebra (0,041 W m² K^-1 kg^-1). Još važnije, novo ugljično vlakno dobro vodi električnu struju (10,7 kS cm^-1), poput žive ili čelika, a i brzo se proizvodi: na sat ga se može izvući jedan do dva kilometra.

Primjena? Čarape ispletene od takvog vlakna mogle bi se nositi čitav život, a posebice bi bile dobre ljeti jer se u njima ne bi znojile noge. No pustimo šalu na stranu. Na kabelu od CNTF mogle bi se vući podmorske sonde, a kabel bi usto, zbog dobre električne vodljivosti, mogao poslužiti i za prijenos električnih signala između površine i dubine. Dobro bi došlo u zrakoplostvu i astronautici, svugdje gdje treba imati čvrsto i kemijski otporno uže. 

Nenad Raos je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, koji je radio do umirovljenja 2016. godine u zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada (IMI). Autor je i koautor oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske (računalne) kemije, kemije kompleksnih spojeva, bioanorganske kemije i povijesti znanosti. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik Prirode te urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Autor je 3000 znanstveno-popularnih članaka te 14 znanstveno-popularnih knjiga. Upravo mu je izašla još jedna, „Kemija – muza arhitekture“, koju je napisao u koautorstvu s arhitektom Zvonkom Pađanom.