„Chemistry is the basic structure, ergo architecture“, često je spominjana misao arhitekta Richarda Buckminstra Fullera. U biti kemije leži struktura, dakle arhitektura. Kemičari, baš kao i arhitekti, stvaraju nove strukture. Strukture i strukturni elementi u kemiji i arhitekturi se dakako razlikuju, no gledajući načelno, struktura je struktura i svejedno je od kakvih je strukturnih elemenata sačinjena: od atoma i veza među njima ili stupova i betonskih greda. Na kraju svog posla kemičar dobiva nešto vrlo sitno – kristal ili molekulu, a arhitekt nešto vrlo veliko – kuću ili neboder. No ako jedno i drugo svedemo na nacrt, dakle na strukturu, dobivamo začudno slične – a što bih drugo rekao nego strukture. Neki me arhitekt zamolio da mu za znanstveno-popularnu izložbu pomognem napraviti model molekule DNA. Sve mu je postalo jasno kad sam rekao da je molekula DNA dvostruko spiralno stubište (nukleinske baze – stepenice, šećerno-fosfatna okosnica – rukohvat).

No ima mikroskopskih struktura – ovaj put kristalnih, a ne molekulskih – nalik na krovište. One se kriju u članku objavljenom u časopisu Matter početkom ove godine: „A selective reduction approach to construct robust Cu_1.81S truss structures for high-performance sodium storage (Pristup selektivne redukcije za konstrukciju čvrstih rebrastih struktura za visokokvalitetno skladištenje natrija)“. Engleska riječ truss pomno je odabrana jer, kažu autori, „rešetkasta struktura (truss structure) je dobro poznata struktura u arhitekturi jer njezini jedinstveni trokutasti potporni elementi mogu ne samo povećati otpornost protiv strukturne nestabilnosti nego i omogućiti kontinuirani protok elektrona.“ No, o čemu se tu zapravo radi?

S gledišta kemičara radi se o redukciji. Ili, bolje rečeno, o priređivanju bakrova(I) sulfida, Cu₂S, iz bakrova(I) oksida, Cu₂O, reakcijom s natrijevim sulfidom. No ta jednostavna kemijska reakcija u svojoj nanotehnološkoj izvedbi izgleda malo drugačije, bolje rečeno mnogo profinjenije. Riječ je o tome da dobiveni Cu₂O nije talog od svakojakih kristala, nego kristala sasvim određene veličine – kockica sa stranicama od tisućinke milimetra (1 μm). Te se kockice prevode u kockice bakrova sulfida iste veličine, no nove su kockice – zahvaljujući dodatku askorbinske kiseline (vitamina C) – iznutra šuplje. Štoviše formula tvari od kojih su izgrađene nije Cu₂S nego Cu_1.75S (Cu₂₈S₁₆). No sada dolazi ono najvažnije, dolazi ion Fe³⁺ u obliku željezove soli FeCl₃ i još jedan reagens, etilen-glikol (EG), kao reducens.

Ioni trovalentnog željeza vežu se za površinu šuplje kockice Cu_1.75S, a kada se doda EG kao redukcijsko sredstvo, ioni Fe³⁺ se reduciraju u ione Fe²⁺. Ioni željeza ostaju vezani za kockicu i štite njezne bakrove ione od pogubnog djelovanja etilen-glikola. No ne sve. Tamo gdje se nisu vezali ioni željeza, Cu⁺ se reducira u elementarni bakar, Cu^o. Nakon filtriranja i grijanja dobivene su kockice iste veličine, no drugog sastava, Cu_1.81 (Cu₂₉S₁₆), i druge kristalne strukture. No novi kristali, kao i oni stari, imaju rešetkastu (truss) strukturu koja učvršćuje plohe kockice i omogućuje protok elektrona, tj. električne struje. Nova kockica je šuplja a njezine plohe pune rupa. A u tim rupama i u šupljinama među atomima…

Sad dolazimo do tri zadnje riječi iz naslova, „high-performance sodium storage“. Sve je ovo napravljeno imajući u vidu konstrukciju elektrode (anode) za natrij-ionsku bateriju. Nova bi elektroda morala za sebe vezati natrij kada se nabija i otpuštati ga kada se izbija. Pri nabijanju baterije, da skratimo priču, dolazi do reakcije (redukcije) Cu₂S + 2 Na⁺ + 2 e^- → 2 Cu + Na₂S.  Pri njezinom izbijanju dolazi, razumije se, do obratne reakcije, oksidacije: 2 Cu + Na₂S → Cu₂S + 2 Na⁺ + 2 e^-. Što se zapravo događa? Mijenja se samo naboj na bakru, Cu ↔ Cu⁺ + e^-, dok  natrij, u obliku Na⁺, služi tome na neutralizira negativne električne naboje.

Iako su navedene reakcije već otprije poznate, najvažnije je što je bakrov sulfid dobiven u obliku šuplje kocke s izbušenim stranicama. Zbog toga mu se pri vezivanju i otpuštanju natrijevih iona ne mijenja volumen, a to opet znači da se elektroda uslijed upotrebe ne mrvi. Upravo je to bio najveći nedostatak natrij-ionskih baterija koji je priječio da jeftini natrij zamijeni skupi litij (promjer natrijeva iona veći je od promjera iona litija). I evo rezultata. Specifični kapacitet nove elektrode ovisi o gustoći struje. Pri najmanjoj gustoći, 0,1 A g^-1, izmjeren je specifični kapacitet od 481 mAh g^-1 (ili Ah kg^-1). No i pri gustoći struje od 3 A g^-1 specifični kapacitet elektrode još je uvijek bio 353 mAh g^-1. Usto je, što je najvažnije, elekroda očuvala 78  % kapaciteta nakon tisuću ciklusa punjenja i pražnjena. Je li to malo ili mnogo ostavljam čitatelju da sam prosudi, no najvažnije je u čitavoj priči da se pojavila nova vrsta elektrode, a mogli bismo reći i nova vrsta materijala. Za što bi se taj materijal mogao primijeniti (elektrode – ne samo natrijeve i ne samo za baterije, katalizatori, ionski izmjenjivači…) možemo maštati, a na odgovor na pitanje za što će se novi materijal primijeniti morat ćemo pričekati pravorijek budućnosti.

Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Autor je i koautor više od stotinu 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. Sedam je godina bio glavni i tehnički urednik časopisa Priroda,  a danas je urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Koautor je dva sveučilišna udžbenika i autor 13 znanstveno-popularnih knjiga. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.