Χείρα βοηθείας από την επιστήμη των υλικών: η τσίχλα που αφαιρείται εύκολα

Μετάφραση: Αντώνης Γίτσας (Antonis Gitsas), Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Τμήμα Φυσικής

Χορηγία εικόνας από iStockphoto

Η Halina Stanley εξετάζει την ιστορία της τσίχλας, πώς η χημεία της τσίχλας επηρεάζει τις ιδιότητές της, και πώς οι επιστήμονες χρησιμοποιούν αυτήν τη γνώση για να κάνουν την τσίχλα να λερώνει λιγότερο.

Είτε σας αρέσει είτε όχι, η τσίχλα είναι μια ευρέως διαδεδομένη χαλαρωτική συνήθεια. Χαλαρωτική, μέχρις ότου κάποιος ανόητος αποφασίσει να βάλει λίγη στα μαλλιά σας. Δεν θα ήταν ωραία αν η τσίχλα δεν κολλούσε σε χαλιά, παπούτσια, και κάτω από τα σχολικά θρανία; Ο Terry Cosgrove, Καθηγητής Χημείας στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ, στο Ηνωμένο Βασίλειο, αποφάσισε να αναλάβει δράση: η τσίχλα του που αφαιρείται εύκολα ίσως μειώσει κατά πολύ τα έξοδα καθαριστηρίου^w1.

Θέλουμε η τσίχλα να μην κολλάει πάρα πολύ^w2, αλλά ταυτόχρονα να μασιέται εύκολα. Οι παραγωγοί τσίχλας – και οι νοικοκυρές – λένε ότι το μάσημα τσίχλας βοηθάει στη αύξηση της αυτοσυγκέντρωσης και της φρεσκάδας, ελαττώνει το άγχος, και μειώνει το σωματικό βάρος. Επίσης, καταπολεμά το κάπνισμα και τη ναυτία. Ισχυρίζονται επίσης ότι το μάσημα τσίχλας αντιμετωπίζει αποτελεσματικά την τερηδόνα και την κακή αναπνοή. Παρόλα αυτά, μια “επιστημονική” εξέταση δύο μαθητών λυκείου από τον συγγραφέα έδειξε ότι στην πραγματικότητα τα παιδιά μασούν τσίχλες απλώς αντί να μασούν το στυλό ή το μολύβι τους. Φαίνεται ότι το μάσημα είναι πανανθρώπινη ανάγκη!

Τι είναι λοιπόν η τσίχλα; Αρχικά, ήταν απλώς ρετσίνι των δέντρων. Για παράδειγμα, στη χερσόνησο του Γιουκατάν στην Κεντρική Αμερική (Μεξικό), οι ιθαγενείς Αμερικανοί (Ινδιάνοι) έπαιρναν ρητίνη από ένα τροπικό αειθαλές δέντρο που ονομάζεται Manilkara chicle. Περισσότερο από χίλια χρόνια πριν, έσχιζαν τον κορμό του, συνέλεγαν τις σταγόνες ρητίνης και τις θέρμαιναν έως ότου γίνουν μια μάζα αρκετά συμπαγής για να μασηθεί. Η λέξη “chicle” σημαίνει “πηχτό υλικό” στη γλώσσα Ναχουάτλ των αρχαίων Αζτέκων.

Όμως το μάσημα τσίχλας δεν ξεκίνησε μόνο από τους αρχαίους κατοίκους της Αμερικής: και οι Ευρωπαίοι της Λίθινης Εποχής συνήθιζαν να μασούν τσίχλα. Το 2007 η Sarah Pickin, από το Πανεπιστήμιο του Ντέρμπι, στο Ηνωμένο Βασίλειο, βρήκε ένα κομμάτι τσίχλας ηλικίας 5000 ετών, μαζί με απολιθωμένες δαγκωματιές, σε μια ανασκαφή στη Φινλανδίαw3. Οι άνθρωποι της Λίθινης Εποχής έπαιρναν αυτή την τσίχλα από σημύδες και τη θέρμαιναν για να φτιάξουν ένα είδος ρητινούχας πίσσας, η οποία σκλήραινε όταν ήταν κρύα και μαλάκωνε όταν θερμαινόταν. Φαίνεται ότι χρησιμοποιούνταν κυρίως ως κόλλα για την επισκευή οικιακών σκευών ή για να συνδέσουν τις αιχμές στα βέλη, αλλά επίσης σίγουρα και για μάσημα. Ο Καθηγητής Trevor Brown, επιβλέπων της Sarah στο Πανεπιστήμιο του Ντέρμπι, λέει ότι αυτή η τσίχλα περιέχει φυσικά αντισηπτικά συστατικά, και έτσι οι άνθρωποι της Νεολιθικής Εποχής είχαν τη δικιά τους οδοντική τσίχλα για να θεραπεύουν τις στοματικές λοιμώξεις.

Δέντρο Manilkara chicle με τομές για τη συλλογή του εκχυλίσματος Η εικόνα παραχωρήθηκε από τον Luis Fernández García· πηγή: Wikimedia Commons

Η “chicle” και άλλα εκχυλίσματα δέντρων – συμπεριλαμβανομένου του λάτεξ, από το οποίο παράγεται το καουτσούκ – είναι φυσικά πολυμερή. Αυτά τα πολυμερή (πολυτερπένια) αποτελούνται από χιλιάδες μονομερή ισοπρενίου C₅H₈^w4. Ανάλογα με το είδος του δέντρου ή του φυτού, τα φυσικά πολυμερή μπορεί να έχουν διαφορετικό πλήθος κλάδων, μέγεθος (μοριακό βάρος), και να είναι αναμεμιγμένα με πτητικά αιθέρια έλαια, καταλήγοντας να έχουν διαφορετική πλαστικότητα και ελαστικότητα. (Η επίδραση της χημικής δομής στις φυσικές ιδιότητες των πολυμερών μπορεί εύκολα να μελετηθεί στην τάξη^w5.) Αυτά τα παχύρρευστα υγρά μπορούν να στερεοποιηθούν με την εισαγωγή σταυροδεσμών στα πολυμερή. Η διαδικασία μπορεί να μελετηθεί με την προσθήκη ένυδρου τετραβορικού νατρίου (βόρακα) σε ξυλόκολλα που περιέχει πολυβινυλική αλκοόλη. Φύλλα εργασίας για αυτό το κλασικό πείραμα μπορούν να βρεθούν σε πολλές ιστοσελίδες^w6ενώ έχει ενδιαφέρον η παρατήρηση της επίδρασης σταυροδεσμών διαφορετικής πυκνότητας (αλλάζοντας την αναλογία βόρακα και κόλλας).

Δέντρο Manilkara chicle Εικόνα δημόσιας κυριότητας· πηγή Wikimedia Commons

Αν και το πρώτο εργοστάσιο παραγωγής τσίχλας, το οποίο άνοιξε στις ΗΠΑ το 1870, χρησιμοποιούσε εκχυλίσματα του Manilkara chicle ως βάση της τσίχλας, οι σύγχρονες τσίχλες στηρίζονται σε συνθετικά πολυμερή. Με την κατανάλωση να σκαρφαλώνει στα 50 δισεκατομμύρια τεμάχια το χρόνο μόνο στις ΗΠΑ (περίπου 170 τεμάχια κατά κεφαλή ετησίως), δεν αποτελεί βιώσιμη επιλογή η προμήθεια πρώτης ύλης αποκλειστικά από τροπικά δάση. Ορισμένα είδη τσίχλας ίσως περιέχουν ακόμα κάποια φυσικά συστατικά, αλλά είναι δύσκολο να βρεθούν αναλυτικά δεδομένα, καθώς πρόκειται για επτασφράγιστα εμπορικά μυστικά. Απεναντίας, οι βάσεις τσίχλας από συνθετικά πολυμερή μιμούνται και βελτιστοποιούν τις ιδιότητες των φυσικών πολυμερών: είναι αδρανείς, αδιάλυτες, και χωρίς καμμία θρεπτική αξία. Αυτά τα πολυμερή συντίθενται από παράγωγα πετρελαίου, στα οποία προστίθεται ζάχαρη (ή γλυκαντικά όπως η ασπαρτάμη) και αρωματικές ουσίες. Πέρα από αυτά προστίθεται και το χρώμα (το παραδοσιακά έντονο ροζ στις τσιχλόφουσκες), εκτός αν η τσίχλα πρόκειται να χρησιμοποιηθεί για θεραπευτικό σκοπό, όπως οι τσίχλες κατά του καπνίσματος, καθώς εκείνες προφανώς περιέχουν ένα ναρκωτικό (π.χ. νικοτίνη) σε υδατοδιαλυτή μορφή.

Η παρασκευή της βάσης μιας τσίχλας έτσι ώστε να δίνει τη σωστή ελαστικότητα και απελευθέρωση γεύσης είναι περίπλοκη, και ποικίλλει ανάλογα με τις επιθυμητές ελαστικές ιδιότητες (για παράδειγμα, η τσιχλόφουσκα είναι πιο ελαστική από τις συνηθισμένες τσίχλες). Περιέχει διάφορα ελαστομερή (που παρέχουν ελαστικότητα), ρητίνες (που λειτουργούν ως συνδετικό μέσο), πληρωτικά υλικά (που συνεισφέρουν στη συνολική δομή και βοηθούν στην παρασκευή τσιχλών με χαμηλές θερμίδες, αυξάνοντας τον όγκο χωρίς να προσθέτουν θρεπτικά στοιχεία), και πλαστικοποιητές (που μαλακώνουν το μίγμα)^w7.

Το κύριο συστατικό είναι συνήθως ένα μίγμα συνθετικών ελαστομερών, όπως πολυισοβουτυλενίου, πολυ(οξικού βινυλεστέρα), και συμπολυμερών ισοβουτυλενίου-ισοπρενίου (βουτυλικό καουτσούκ) και στυρενίου-βουταδιενίου (ίσως έχετε ακούσει κάποια απ’ αυτά να αναφέρονται σε ελαστικά αυτοκινήτων). Όλα τα παραπάνω πολυμερή είναι αδιάλυτα στο νερό, υδρόφοβα, και μη βιοαποικοδομήσιμα. Αυτό εξηγεί γιατί δεν πετυχαίνετε και πολλά με το να τρίψετε με νερό την τσίχλα που κόλλησε στο χαλί σας ή να τη μουσκέψετε. Και αν είναι κολλημένη σε τσιμεντένιο τοίχο ή πλακόστρωτο, ούτε η βροχή δεν την ξεβγάζει.

Όταν μασιέται ένα κομμάτι τσίχλας, το υδατοδιαλυτό μέρος (ζάχαρη και αρωματικές ουσίες) απελευθερώνεται σταδιακά, ενώ η πολυμερική βάση (το πλαστικό) παραμένει. Μετά από λίγο η τσίχλα δεν έχει γεύση, γιατί όλες οι αρωματικές ουσίες έχουν απελευθερωθεί. Αντίθετα, η βάση της τσίχλας δεν διαλύεται ποτέ. Η θερμότητα του στόματος μαλακώνει τη βάση και την κάνει πιο εύπλαστη, αλλά επί της ουσίας δεν έχει αλλάξει και ξαναγίνεται σκληρή με ψύξη (αν και μπορεί να γίνει κάπως σκληρότερη αν έχουν απομακρυνθεί πλαστικοποιητές). Για να κάνετε τις καλύτερες φούσκες, μασήστε έως ότου απελεθερωθεί όλη η ζάχαρη και μείνει μόνο η εύκαμπτη πολυμερική βάση. Η ζάχαρη δεν είναι πολυμερές, δεν εκτείνεται, και μπορεί να κάνει τις φούσκες να σκάσουν νωρίτερα.

Για να επιστρέψουμε στο αρχικό ερώτημα, γιατί η τσίχλα κολλάει τόσο πολύ στις περισσότερες επιφάνειες; Η επιστήμη της συνάφειας είναι περίπλοκη (βλέπε πλαίσιο) και στην περίπτωση της τσίχλας πιθανότατα έχει να κάνει τόσο με μηχανικά φαινόμενα όσο και με χημικούς δεσμούς. Οποιοσδήποτε κι αν είναι ο μηχανισμός προσκόλλησης, οι δύο επιφάνειες πρέπει να εφάπτονται καλά, για να διαβρέχει η μία την άλλη (η διαβροχή περιγράφει την επαφή μεταξύ μιας υγρής και μιας στερεής επιφάνειας εξαιτίας διαμοριακών αλληλεπιδράσεων) προτού προσκολληθούν. Η περίπτωση της μαλακής τσίχλας ταιριάζει γάντι. Αφού κολλήσει, η ενέργεια που δίνετε τραβώντας την δεν καταναλώνεται στο σπάσιμο των δεσμών που κρατούν την τσίχλα στην επιφάνεια, όπως θα θέλατε, αλλά απλώς εκτείνετε τα μόρια των πολυμερών μέσα στην τσίχλα. Αυτή είναι μια γενική ιδιότητα των πολυμερών: τα μακριά, πεπλεγμένα μόρια, τείνουν να έχουν πολλούς βρόχους που μπορούν να τεντωθούν λιγάκι τραβώντας τα, πάνω από μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. (Μπορείτε να δείξετε την έκταση των πολυμερών στην αίθουσα χρησιμοποιώντας σακούλες πολυαιθυλενίου^w8). Πώς λοιπόν αυτή η γνώση μας βοηθάει να κάνουμε τις τσίχλες να κολλάνε λιγότερο;

Η ελάττωση του βαθμού έκτασης της τσίχλας δεν είναι μια λογική στρατηγική: ποιος θα ήθελε να μασήσει μια τσίχλα που χοροπηδά; Αντί γι’ αυτό, ο Καθηγητής Cosgrove εισήγαγε ένα υδρόφιλο πολυμερές στη βάση της τσίχλας. Όταν η τσίχλα μασιέται, το υδρόφιλο πολυμερές απορροφάει σάλιο και μαλακώνει την τσίχλα. Ταυτόχρονα μετακινείται προς την επιφάνεια, πράγμα που σημαίνει πως υπάρχει πάντα ένα λεπτό υμένιο νερού στην επιφάνεια της τσίχλας μετά το μάσημα. Αυτό το υμένιο νερού παραμένει πάντα ανάμεσα στην τσίχλα και σε κάθε επιφάνεια, αποτρέποντας τη στενή επαφή και το κόλλημα της τσίχλας. Ακούγεται απλό; Στην πραγματικότητα δεν είναι. Αν απλά προσετίθετο ένα υδρόφιλο πολυμερές, δεν θα αναμιγνύονταν με τη βάση της τσίχλας, όπως δεν αναμιγνύεται το νερό με το λάδι. Αντίθετα, πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένα συμπολυμερές (πολυμερή αποτελούμενα από δύο ή περισσότερες διαφορετικές δομικές μονάδες ή μονομερή) που να έχει τόσο υδρόφιλο όσο και υδρόφοβο μέρος. Ακόμα και αυτό πρέπει να προστεθεί προσεκτικά για να μη διαχωριστούν οι φάσεις^w9. Οι παραγωγοί χρωμάτων χρησιμοποιούν ένα παρόμοιο κόλπο: ανακατεύουν νερό με ελαστομερή πολυμερή, τα οποία όταν στεγνώσουν γίνονται μια αδιάβροχη επίστρωση^w10.

Η προσθήκη του υδρόφιλου πολυμερούς έχει ακόμα ένα πλεονέκτημα. Οι συνηθισμένες τσίχλες είναι πολύ ανθεκτικές στο περιβάλλον: δεν διαλύονται με τη βροχή και η έκθεση στην επίδραση των καιρικών συνθηκών τείνει να τις σκληραίνει, κάνοντάς τες πολύ ανθεκτικά σκουπίδια (σκεφτείτε τα παγκάκια που είναι γεμάτα από δαύτες!). Απεναντίας, οι τσίχλες που περιέχουν ένα υδρόφιλο πολυμερές, δηλαδή οι τσίχλες που δεν κολλάνε, αποσυντίθενται αργά παρουσία νερού.

Η εικόνα παραχωρήθηκε από το iStockphoto

Αν και το συμπολυμερές που χρησιμοποιείται σε τσίχλες που δεν κολλάνε έχει πατενταριστεί^w11, η ομάδα του Μπρίστολ εξακολουθεί να τελειοποιεί τη σύσταση της βάσης της τσίχλας. Μέχρι στιγμής έχουν δοκιμάσει πάνω από 200 διαφορετικές συστάσεις – μάλλον η Violet Beauregarde ήταν από τους πρώτους εργαζόμενους εκεί (διαβάστε το βιβλίο “Ο Τσάρλι και το Εργοστάσιο Σοκολάτας” του Roald Dahl). Εκτός από τις συνήθεις παραμέτρους του μοριακού βάρους, του βαθμού διακλάδωσης, και της πυκνότητας σταυροδεσμών, η ομάδα πρέπει να βελτιστοποιήσει το αμφίφιλο συμπολυμερές με τη διχασμένη προσωπικότητα. Με υπερβολικά πολύ υδρόφιλο πολυμερές η κόλλα γίνεται πολύ μαλακή. Η λανθασμένη σύσταση μπορεί να κάνει την τσίχλα να διαλυθεί στο στόμα ή να συνεχίσει να κολλάει στις επιφάνειες. Η ομάδα είναι πεπεισμένη ότι σύντομα θα έχει ένα προϊόν έτοιμο για την αγορά. Εύχομαι να αποδειχτεί και δημοφιλές, αλλιώς θα πρέπει να βάλουμε αντικολλητική επένδυση κάτω απ’ όλα τα θρανία!

Ευχαριστίες

Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Καθηγητή Cosgrove για τις χρήσιμες συζητήσεις και για την κριτική ανάγνωση αυτού του κειμένου.

Αναφορές

Autumn K et al (2000) Adhesive force of a single gecko foot-hair. Nature 405: 681-685. doi: 10.1038/35015073. Κατεβάστε το άρθρο δωρεάν εδώ ή εγγραφείτε στο Nature: www.nature.com/subscribe

Στο αγαπημένο παιδικό βιβλίο του Roald Dahl “Ο Τσάρλι και το Εργοστάσιο Σοκολάτας”, η Violet Beauregarde είναι ένα αντιπαθητικό παιδί εθισμένο στις τσίχλες:

Dahl, R (2007 and earlier) Charlie and the Chocolate Factory. Puffin Books, London, UK. ISBN 978-0141322711

Αναφορές στο Διαδίκτυο

w1 – Περισσότερες πληροφορίες σχετικά με την έρευνα του Καθηγητή Cosgrove είναι διαθέσιμες στην ιστοσελίδα του Πανεπιστημίου του Μπρίστολ: www.chm.bris.ac.uk/pt/polymer/introduction.shtml

w2 – Ένα διασκεδαστικό βίντεο με τον Καθηγητή Cosgrove να προσπαθεί να βγάλει τσίχλα από παπούτσια βρίσκεται στο www.revolymer.com (‘Shoe testing’).

w3 – Μπορείτε να διαβάσετε την ιστορία της ανακάλυψης της Sarah εδώ: www.derby.ac.uk/press-office/news-archive/heres-a-story-to-get-your-teeth-into

w4 – Για να μάθετε για τα φυτά που παράγουν καουτσούκ και chicle, δείτε:

http://waynesword.palomar.edu/ecoph13.htm

http://en.wikipedia.org/wiki/Chicle

http://en.wikipedia.org/wiki/Terpene

w5 – Μπορείτε να κατεβάσετε μια πολύ ωραία διδακτική δραστηριότητα σχετικά με τις ιδιότητες των πολυμερών και των πλαστικών (δραστηριότητα αριθμός 3.1.5) από την ιστοσελίδα της Βασιλικής Εταιρείας Χημείας της Βρετανίας: www.chemsoc.org/networks/learnnet/inspirational

w6 – Κατατοπιστικές ιστοσελίδες για το πείραμα με πολυβινυλική αλκοόλη και τετραβορικό νάτριο (βόρακα) είναι οι εξής:

www.chemsoc.org/networks/learnnet/inspirational (ειδικά το πείραμα 3.1.8, ‘Investigating cross-linking, making slime’)

www.iop.org/activity/education/Events/
Events%20for%20Teachers/Schools%20Physics%20Group/file_5747.doc

http://pslc.ws/macrog/activity/ball/lev3/level3p.htm

w7 – Μάθετε περισσότερα για τη βάση της τσίχλας στην ιστοσελίδα Gumbase: www.gumbase.com

w8 – Μια ενδιαφέρουσα διδακτική δραστηριότητα για την κατανόηση της έκτασης των πολυμερών (πείραμα 3.1.6, “Polythene bags”) βρίσκεται στην ιστοσελίδα της Βασιλικής Εταιρείας Χημείας: www.chemsoc.org/networks/learnnet/inspirational

w9 – Ένα βίντεο σχετικά με την παρασκευή των βάσεων τσίχλας (“Making clean gum”) βρίσκεται εδώ: www.revolymer.com

w10 – Τα συμπολυμερή οξικού πολυβινυλίου (ένα πολυμερές αδιάλυτο στο νερό) με πολυβινυλική αλκοόλη (ένα υδρόφιλο πολυμερές) που χρησιμοποιούνται σε μπογιές περιγράφονται πολύ καλά εδώ: http://pslc.ws/macrog/pva.htm

w11 – Η πατέντα WO/2006/016179 (“Πολυμερικά υλικά με μειωμένη ικανότητα προσκόλλησης, μέθοδοι για την παρασκευή τους και για την παρασκευή τσίχλας που περιέχει τέτοια υλικά”) βρίσκεται στην ιστοσελίδα του Παγκοσμίου Οργανισμού Πνευματικής Ιδιοκτησίας: www.wipo.int/pctdb/en/
wo.jsp?wo=2006016179&IA=WO2006016179&DISPLAY=STATUS

Πηγές

Για μια σχολική δραστηριότητα για τη μέτρηση της κρίσιμης συγκέντρωσης κιτρικού οξέως στις τσίχλες, βλέπε:

Gadd K, Szalay L (2008). Μασώντας γεύσεις. Science in School 8: 34-37. www.scienceinschool.org/2008/issue8/chewinggum/greek

Αν θέλετε να ακολουθήσετε την πρόταση του κριτή του άρθρου για μια δραστηριότητα ελέγχου τσίχλας, γιατί δεν ρίχνετε μια ματιά στη δραστηριότητα γευσιγνωσίας σοκολάτας από το Science in School;

Schollar J (2006). The chocolate challenge. Science in School 2: 29-33. www.scienceinschool.org/2006/issue2/chocchallenge

Για ορισμένα ενδιαφέροντα περαιτέρω στοιχεία σχετικά με τη βιομηχανία της τσίχλας, δείτε:

Redclift M (2004) Chewing Gum: The Fortunes of Taste. New York, NY, USA: Routledge. ISBN: 9780415944182.

και το ‘All About Chewing Gum’: www.wrigley.com/wrigley/kids/kids_report.asp

Η Halina Stanley είναι φυσικός η οποία έχει εργαστεί στην Exxon, στο Νιου Τζέρσεϊ των ΗΠΑ, και στην ICI στο Ηνωμένο Βασίλειο. Όταν εργαζόταν στην ICI αφιέρωσε πολύ χρόνο παρατηρώντας μπογιά να στεγνώνει (εκεί φτιάχνεται η σειρά Dulux®) και βοηθώντας στην ανάπτυξη μιγμάτων πολυμερών για την ελεγχόμενη απελευθέρωση φαρμάκων. Αυτό το τμήμα της εταιρείας αποτελεί τώρα την AstraZeneca, ενώ η ICI είναι τώρα μέρος της AkzoNobel. Η Halina ήταν αντιπρόσωπος της ICI στο Εργαστήριο Ράδερφορντ-Άπλετον, στο Oxfordshire του Ηνωμένου Βασιλείου, όπου συμμετείχε σε μελέτη υλικών με σκέδαση νετρονίων, συμπεριλαμβανομένου ενός πειράματος σε συνεργασία με τον Καθηγητή Cosgrove.

Η Halina έχει διδάξει Φυσική, Χημεία, και Μαθηματικά σε μαθητές γυμνασίου στην Αμερικανική Σχολή της Γκρενόμπλ, στη Γαλλία, τα τελευταία εφτά χρόνια.