Najmodernije hlađenje – isparavanjem

Alkemičari nisu imali termometar, ali su unatoč tome znali mjeriti temperaturu. Kako? Imali su četiri, kako bismo danas rekli, referentne točke. Prva je točka bila talište olova (327 ^oC), druga talište kositra (232 ^oC), nakon čega je slijedilo svima nam poznato vrelište vode (100 ^oC), a na kraju ove neobične ljestvice bila je „temperatura srpanjske vrućine u Egiptu“. Ta posljednja temperatura, „temperatura srpanjske vrućine u Egiptu“, iznosila je oko 60 ^oC, a prepoznat ćemo je i onda ako nikad u Egiptu nismo bili. To je temperatura pri kojoj se voda počinje pušiti, kad vidimo da iz nje počinje izlaziti para, ali još ne vrije. To je temperatura vruće juhe i vrućeg čaja, tako vrućih da se ne mogu piti bez opasnosti za jezik, usnice i ždrijelo (da ne ulazim dalje u anatomiju probavnog sustava).

Iz toga proizlazi logičan zaključak: beduini i drugi putnici kroz pustinju piju upravo takvu, vrelu vodu. Ali, ne! Putnici koji su prolaze kroz pustinju su pili i još piju vodu hladniju od one koju točimo iz slavine. Kako?

Nije riječ o frižideru, dakako. Pa opet, na neki je način riječ upravo o tome. Beduini vodu naime spremaju u vreće koje nisu sasvim nepropusne. Voda ih stalno vlaži, a od vode s vanjske strane vreće i pustinjskog pijeska stvara se blato koje se stalno izvana suši, a iznutra moči. Sušenje blata, ispravanje vode, hladi i blato i vreću s vodom koja ispod njega leži – pa tako voda ostaje hladna bez obzira na paklenu vrućinu pustinjskoga dana.

Takav način hlađenja nije ni nov ni poseban; vrlo je star i običan jer ako ništa drugo i naše se tijelo upravo tako hladi, isparavanjem znoja. Ima za to, razumije se, osnova u fizici. Latentna toplina isparavanja vode iznosi 2260 kJ kg^-1, dok joj je toplinski kapacitet 4,18 kJ kg^-1 K^-1. To znači, najjednostavnije rečeno, da kilogram (ili litra) isparene vode može ohladiti 540 kg vode za jedan stupanj Celziusa, ili 14 kg vode za 40 ^oC, da se zadržimo na dva primjera. Stoga nas ne treba čuditi da vodoskoci, pa i šume (jer drveće isparava lišćem) hladi zrak – gram vode može ohladiti kubični metar zraka za 3 ^oC.

I tako smo kroz priču o alkemičarima, beduinima, vodoskocima, šumama i šumarcima, došli i do naše današnje teme. Kineski su znanstvenici u časopisu Matter objavili članak „Sprayable porous hydrogel coating for efficient and sustainable evaporative cooling“. Što su napravili? Neku vrstu mokre krpe, zapravo.

Evo postupka. Pomiješa se, a potom dodatno izmrvi prah polivinil alkohola (PVA) s prahom taninske kiseline (TA), te se zatim dobivena smjesa nanese na podlogu – za koju se drži elektrostatskim silama. Podloga s nanesenim prahom se poprska otopinom glutaraldehida, CHO-(CH₂)₃-CHO (GA), da bi se – gle čuda! – stvorio šupljikavi gel izuzetne čvrstoće i elastičnosti.

Iza „čuda“ stoji međutim samo kemijska reakcija, ili – bolje rečeno – kemijski proces. Polivinil alkohol je dakako polimer, ali linearni polimer. To znači da su monomerne jedinice, u ovom slučaju polivinil alkohola, -CH(OH)-CH₂-, povezane kao karike u lancu. Kako polimer sadrži alkoholne, hidroksilne skupine (-OH). One uspostavljaju vodikove veze s karboksilnim skupinama, -COOH, taninske kiseline. Tako se stvara rahla struktura molekula PVA povezanih molekulama TA.

Do prave povezanosti, povezanosti molekula PVA kovalenim vezama, dolazi tek prilikom njegove reakcije s molekulama glutaraldehida (GA). Tom reakcijom nastaju mostovi koji uzajamno povezuju molekule PVA. Kako u tom novom, umreženom polimeru ima mjesta i za molekule vode, nastaje gel (hidrogel), i to sa svojstvima koja su njegovi tvorci priželjkivali.

Prije svega, šupljikavi gel umreženog polimera lako prianja za svaku podlogu, bila ona drvo, silikonska guma, željezo ili staklo. Gel je usto čvrst i toliko elastičan da može izdržati istezanje do 5,5 svoje izvorne dužine dok ne pukne. Što se pak osnovne svrhe, svrhe hlađenja tiče, najvažnije mu je svojstvo da se može nanositi u tankom sloju (debljine svega 0,8 mm) koji usto upija praktički svu vodu (90 %) koja na njega odozdo padne, a da se ne ocijedi. Za što je dobra ta „mokra krpa“?

Namjera autora rečenog znanstvenog rada bila je napraviti gel za evaporacijsko hlađenje solarnih panela, jer im se hlađenjem umnogome povećava djelotvornost. Tu međutim primjena novog hidrogela ne prestaje. Mogao bi, kažu, poslužiti i za hlađenje kompjutora – jer sve što treba za takvo hlađenje je voda i prskalica.

Nenad Raos, rođen u Zagrebu 1951., je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, od 2017. u mirovini. Autor je oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske i bioanogranske kemije te povijesti i filozofije znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sada piše za Čovjek i svemir te za mrežne stranice Panopticum i, naravno, Bug online. Autor je 16 znanstveno-popularnih knjiga, među kojima je i „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“.