Ima jedna stara istina, a bez spoznaje te istine nema izgleda da ćete ikada naučiti kemiju ma koliko formula nabubali: sva svojstva čistih tvari (elemenata i spojeva) proizlaze iz svojstava čestica od kojih se one sastoje, atoma i molekula. Ničega u vodi nema osim molekula H₂O, pa bi dovođenje svojstava vode u vezu s nečim drugim osim s njezinim molekulama smrdilo na magiju – bijelu, crnu, svejedno – ili na magiju naših dana koja se zove pseudoznanost. Još je bliže zdravoj pameti da sva svojstva smjese proizlaze iz njezinog sastava: nećemo se opiti ako u piću nema alkohola.

Sve što sam rekao je očito, jasno i logično. No kada tu „teoriju“ treba pretočiti u praksu, onda stvari prestaju biti očite, a često znaju biti i vrlo nejasne. Što se pak logike tiče, tu već treba imati dosta pameti da bi se do nje doprijelo. Već se više od pola stoljeća za potrebe razvoja lijekova, no i za drugo, koriste metode poznate pod kraticom QSAR (quantitative structure-activity relationship) čija je namjena iz deskriptora koji opisuju molekulu (relativna molekulska masa, parametri hidrofilnosti ili hidrofobnosti, molekulski volumen, topološki indeksi... ) predvidjeti biološku aktivnost još nesintetiziranog organskog spoja – no i mnoga druga njegova svojstva. Molekulskih deskriptora (ono što slijedi iza ... u zagradi) ima na stotine, ako ne i na tisuće. Mnogo zvanih, malo izabranih: treba znati i moći odabrati deskriptor koji će se moći dovesti u vezu (korelirati) s izmjerenim biološkim, kemijskim ili fizičkim svojstvom. A ako ga nema? E, onda ga treba izmisliti.

Upravo su to napravili autori znanstvenog rada „Disordered enthalpy-entropy descriptor for high-entropy ceramics discovery“, objavljenom ove godine u časopisu Nature. Iza teških stručnih riječi iz naslova, u kojima se i stručnjak teško snalazi, leži jednostavna istina, a to je da keramički materijali ne smiju sadržavati kristale. Zbog toga oni imaju visoku entropiju (high-entropy ceramics), jer je njihova struktura kaotična, neuređena. Drugim riječima, takvi se materijali sastoje od jedne faze, oni su zapravo krute homogene smjese (otopine). No kako dobiti takve materijale?

U tome pomaže upravo novi deskriptor, čije se ime već nazire u naslovu: DEED (disordered entalpy – entropy descriptor). Termodinamika nas uči da se svaki proces može opisati razmjenom topline (tj. entalpije, ako se odvija pri stalnom tlaku) i porastom entropije. Deskriptor DEED se definira kao omjer između porasta entropije i gubitka entalpije pri nastanku keramike. Njegov je proračun izuzetno kompliciran, no jasno je da DEED mora biti što veći da bi entropija „visokoentropijske keramike“ bila što veća, da bi joj struktura bila što neuređenija (entropija je mjera nereda). Ili, bolje rečeno, visokoentropijske keramike mogu nastati samo u procesima u kojima DEED prelazi minimalan iznos. Koliki iznos?

Iznos kritične vrijednosti deskriptora DEED ovisi o vrsti keramike. Keramika nije više, kao što je nekoć bila, samo ono što se peče od gline s možebitnim dodacima glinice (aluminijeva oksida) i sličnih mineralnih tvari. Visokoentropijske keramike složene su smjese prijelaznih metala (kroma, molibdena, vanadija, titanija, cirkonija, volframa, niobija, hafnija, tantala) i nemetala, prije svega ugljika, dušika i bora. Upravo se po nemetalima keramike dijele na karbidne, karbonitridne i boridne. (Što je logično: jer da nema nemetala, govorili bismo o slitinama, a ne o keramikama.)

Autori spomenutog rada potanko su istražili 64 niskoentropijska keramička materijala i otkrili, ukratko, da za karbidne keramike deskriptor DEED mora biti veći od 20, za karbonitride veći od 10, a za boridne veći od 34. Sve što ima veći DEED od navedenih vrijednosti, pojavljuje se kao jednofazni sustav, a sve što ima manje, kao višefazni – u keramici se mogu vidjeti kristali. Nekoliko iznimaka mogu se, međutim, pripisati drugim faktorima, prije svega deskriptoru označenom kao VEC, valence electron concentration. No i ovo što sam rekao već je dovoljno komplicirano za prosječnog čitatelja.

Ono što međutim nije komplicirano je odgovor na pitanje zašto se toliko truda i znanja ulaže u nove keramičke materijale. Oni se odlikuju izuzetnim mehaničkim svojstvima, otporni su na temperaturu i kemikalije, pa stoga nalaze primjenu u svih područjima tehnike i tehnologije, od zaštitnih slojeva protiv korozije do katalizatora i materijala za izradu električnih baterija.

Zahvaljujući deskriptoru DEED znanstvenici će već unaprijed moći znati od koje će se smjese metala, ugljika, dušika i bora moći napraviti nova visokoentropijska keramika, a od kojih neće.

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, povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik Prirode te urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji; član je društva ProGeo-Hrvatska i Odjela za prirodoslovlje i matematiku Matice hrvatske. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Autor je 15 znanstveno-popularnih knjiga, posljednje dvije su „Kemija – muza arhitekture“ (u koautorstvu sa Zvonkom Pađanom) i „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“.