Pre väčšinu ľudí vajce predstavuje jedlo, najčastejšie praženicu. Vajce je však aj predmetom záujmu vedcov. Mechanochemici sa zaujímajú o tú jeho časť, ktorá pri príprave jedál končí v odpadkovom koši – o škrupinu a membránu pod ňou.
Detailný popis funkcie jednotlivých častí vajca ponecháme na biológov. Mechanochemici študujú najmä dve zložky jeho štruktúry nachádzajúce sa na vonkajšej strane – škrupinu a membránu. Nad nimi sa nachádza ešte najvrchnejšia povrchová vrstva – kutikula, tá sa však už na vajciach predávaných v obchodoch nenachádza. Membrána je biela blana prilepená k škrupine z vnútornej strany vajca. Obe tieto vrstvy, membrána aj škrupina, končili v koši aj u nás doma, až dovtedy, kým som nenastúpil na doktorandské štúdium na Ústav geotechniky SAV v Košiciach, do oddelenia mechanochémie.
Netradičná chémia
Mechanochémia je netradičná oblasť chémie využívajúca mechanickú energiu dodávanú do systému drobením materiálu – drvením alebo mletím. Týmto spôsobom možno materiál mechanicky aktivovať, t. j. nedochádza v ňom k chemickým zmenám, iba k zmene fyzikálnych vlastností, napríklad k nárastu špecifického povrchu a k zmenšeniu častíc. Drvením alebo mletím materiálu však možno vykonať aj chemické reakcie medzi jednotlivými zložkami zmesi vrátane takých, ktoré si za normálnych okolností vyžadujú extrémne podmienky, napríklad vysoká teplota alebo tlak. Mechanochemik namiesto tradičného chemického reaktora (t. j. kadičky alebo banky) využíva mlyn s mlecou komorou a guľami. Ide o sofistikované zariadenia, ktoré sa delia na rôzne typy podľa mlecieho režimu, napríklad planetárny, vibračný alebo trecí. Výhodou mechanochémie je environmentálne hľadisko, keďže sa v nej nevyužívajú toxické rozpúšťadlá a produkuje sa minimálne množstvo odpadu. Mechanochémia vznikla ako metóda na spracovania minerálov, v súčasnosti však už výrazne prenikla do viacerých odvetví. Či už ide o organickú alebo anorganickú chémiu, katalýzu, spracovanie odpadu, polyméry, syntézu liekov a ďalšie odvetvia.
Unikátne materiály
Vaječná škrupina a jej membrána sú unikátne materiály so širokým spektrom aplikácií. Niektoré možnosti využitia sú typické len pre škrupinu, iné iba pre membránu. Škrupinu možno využiť ako zdroj vápnika pre biokeramiku, napríklad ako implantáty na báze hydroxyapatitu (biokeramický materiál, hlavná neorganická zložka kostí a zubov), ako hnojivo či plnivo do rôznych kompozitných materiálov. Membrána sa využíva ako biotemplát (biologický materiál definovanej morfológie slúžiaci ako vzor a podložka zároveň) pre syntézu nanočastíc, ako biosenzor, na hojenie rán či pri špeciálnej aplikácii v zubnom lekárstve. Možno ju kúpiť aj vo forme tabliet ako komerčný liek na choré kĺby. Obe zložky možno využiť aj na čistenie vôd s obsahom toxických iónov ťažkých kovov alebo organických farbív. Ročná produkcia vaječného odpadu vo svete je okolo 50 000 ton a iba zlomok z neho sa efektívne využíva.
Škrupina a membrána
Hlavné zložky vaječnej škrupiny sú anorganické zlúčeniny. Škrupina obsahuje až 94 % CaCO3 vo forme kalcitu a ďalšie anorganické zlúčeniny ako MgCO3 alebo Ca3(PO4)2. Nachádza sa v nej aj malé množstvo organických látok. Ide v podstate o trojvrstvovú štruktúru, s povrchovou, palisádovou a mamilárnou vrstvou, pričom každá má inú stavbu. V škrupine je veľké množstvo rôznych pórov a trhliniek, ktoré zabezpečujú výmenu plynov s okolím. Membránu vaječnej škrupinky tvoria proteíny, ide teda o čisto organickú zložku. Z nich tvoria asi 10 % kolagény rôzneho typu. Okrem toho sú tu prítomné aj rôzne sacharidy. Z morfologického hľadiska ide o vláknitú štruktúru. Hrúbka vláken sa pohybuje v jednotkách mikrometrov, pričom smerom dnu do vajíčka sú vlákna postupne tenšie. Samotné vlákno tvorí obal a jadro, ktoré sa taktiež líšia chemickým zložením. Membrána má vonkajšiu a vnútornú vrstvu. Tieto dve vrstvy najlepšie rozlíšime pri rozbíjaní vajca v oblasti vzduchovej komôrky. Niektoré štúdie hovoria aj o tzv. limitujúcej membráne, ktorá sa nachádza v bezprostrednej blízkosti vaječného bielka – albumínu.
Užitočné mletie
Mletím vaječného odpadu možno aplikačný potenciál tohto materiálu zvýšiť, pričom tento proces pôsobí na jednotlivé zložky rozdielne. Zatiaľ čo v prípade škrupiny vznikajú nanočastice s vyšším špecifickým povrchom (SA), v prípade membrány dochádza k deštrukcii vláknitej štruktúry a k redukcii špecifického povrchu SA. Najpočetnejšia skupina štúdií z oblasti využitia vaječného odpadu sa venuje biokeramike. Škrupina slúži ako zdroj vápnika pre fosforečnanové zlúčeniny ako hydroxyapatit alebo fosforečnan trivápenatý, ktoré možno využiť v implantátoch. Predmetom záujmu je aj overovanie biokompatibility pripravených materiálov, t. j. testovanie, ako na nich porastú modelové bunky. Syntéza väčšinou prebieha tak, že najprv sa škrupina pomelie s prekurzorom fosforečnanovej skupiny, najčastejšie ide o kyselinu fosforečnú, a následne sa zmes vypáli pri vysokej teplote, čím dôjde k tvorbe požadovaného produktu a rastu jeho kryštálov. Okrem fosforečnanov boli podobným štýlom pripravené aj biokeramické materiály na báze škrupiny, kremeňa a oxidu horečnatého, napríklad diopsid alebo akermanit. Škrupinu možno využiť aj ako plnivo do kompozitných materiálov, kde hlavnú zložku tvoria rôzne polyméry. Jej prítomnosť viedla vo väčšine známych prípadov k lepším mechanickým vlastnostiam a väčšej stabilite. Mletie slúži na efektívne zabudovanie škrupiny do polymérnej matrice. Zastúpenie plniva sa pohybuje v rozmedzí 1 – 20 %. Významnú rolu hrá mletie aj pri zvyšovaní sorpčnej aktivity (zachytávanie škodlivých látok z odpadových vôd) oboch zložiek vaječného odpadu. V dôsledku rozdielneho chemického zloženia má škrupina a jej membrána rozdielnu schopnosť reagovať so zachytávanými látkami. Pri škrupine sa mletím dosahuje výrazné zlepšenie aktivity tak pre ióny ťažkých kovov, ako aj pre farbivá, zatiaľ čo pre membránu sa pozoroval pozitívny vplyv mletia iba pri sorpcii farbív. Vďaka mletiu sa podarilo dosiahnuť viac ako 8-násobný nárast sorpčnej schopnosti škrupiny v prípade iónov kadmia. Vaječný odpad možno využiť aj na cielený transport liečiv v tele pacienta, na dehalogenáciu (odstraňovanie halogénových prvkov, t. j. fluór, chlór, bróm, jód) z toxického odpadu, katalýzu organických reakcií, v kombinácii s kremenným pieskom na leštenie povrchov či na prípravu materiálov s antibakteriálnym účinkom. Zomletá vaječná membrána môže slúžiť aj ako zdroj síry (je prítomná v aminokyselinách v membráne) pre chemickú reakciu. Jej mletím s octanom olovnatým vzniká sulfid olovnatý PbS, polovodičový materiál využiteľný v solárnych článkoch.
RNDr. Matej Baláž, PhD.
Oddelenie mechanochémie
Ústav geotechniky SAV v Košiciach
Na Ústave geotechniky SAV v Košiciach sa mechanochémii venujú už 50 rokov. Zameranie je širokospektrálne. Najprv išlo o mechanochemické spracovanie surovín po baníckej činnosti – najmä magnezitu. Neskôr sa výskum orientoval viac na sulfidy s aplikáciou v biomedicíne, solárnych článkoch či termoelektrických materiáloch.
