Medžiagų mokslas į pagalbą: lengvai pašalinama kramtomoji guma Understand article

Išvertė Kauno regioninio inovacijų centro užsakymu. Halina Stanley tyrinėja kramtomosios gumos istoriją, kokią įtaką gumos cheminė sudėtis daro jos savybėms, bei kaip mokslininkai naudoja šias žinias tam, kad kramtomoji guma mažiau terštų aplinką.

Paveikslėlio autorinės teisės
priklauso iStockphoto

Galima mėgti ar neapkęsti to, bet gumos kramtymas yra beveik visur vykstanti ir dažniausiai maloni veikla. Maloni tol, kol koks nors padauža nenusprendžia ja „pavaišinti“ tavo plaukų. Argi nebūtų šaunu, jei kramtomoji guma neliptų prie kilimų, batų ir po mokykliniais suolais. Chemijos Profesorius Terry Cosgrove iš Bristolio Universiteto Anglijoje nusprendė imtis ryžtingų veiksmų; jo sukurta lengvai pašalinama kramtomoji guma galėtų sutaupyti daugybę valymo išlaidųw1.

Nors kramtomosios gumos lipnumas gali būti laikomas nepageidaujamu „šalutiniu poveikiu“w2, tačiau jos kramtomumas yra labiausiai vertinama savybė. Kramtomosios gumos gamintojų reklama ir močiučių prietarai tikina, jog kramtomoji guma padeda pagerinti dėmesį, koncentraciją ir atidumą, sumažina stresą, skatina svorio mažėjimą; taip pat galima išgirsti, jog gumos kramtymas padeda mesti rūkyti ir išvengti jūros ligos. Rinkodaros ekspertai tvirtina, kad kramtomoji guma gali žymiai sumažinti dantų gedimą ir blogą burnos kvapą. Tačiau autorė, atlikusi dviejų aukštųjų mokyklų studentų apklausą, gumos kramtymą siūlo vertinti kaip rašiklio ar pieštuko kramtymą pakeičiančią veiklą, nes kramtymą galima priskirti prie vieno iš pagrindinių žmogaus poreikių.

Taigi, kas yra kramtomoji guma? Istoriškai tai yra paprasčiausi medžių išskiriami sakai. Pavyzdžiui, Amerikos indėnai (čiabuviai) Yacutan pusiasalyje išgavo gumą iš tropinio, nuolatos žaliuojančio medžio, vadinamo Manilkara Chicle (valgomasis gumenis). Prieš daugiau nei 1000 metų jie įpjovė kamieną, surinko gumos lašelius ir kaitino juos tol, kol jie virto tinkama kramtymui medžiaga. Senojoje actekų kultūros nautlių kalboje žodis „chicle“ apibūdina prilimpančią medžiagą.

Manilkara chicle medis su
įpjovomis sulai rinkti

Paveikslėlio autorinės teisės priklauso
Luis Fernández García; šaltinis:
Wikimedia Commons

Tačiau gumos kramtymas – kilmės prasme ‑ nėra visiškai amerikietiškas įprotis: akmens amžiuje Europoje žmonės taip pat kramtė gumą. 2007 metais Sarah Pickin iš Anglijos Derby universiteto, atlikdama archeologinius kasinėjimus Suomijojew3, rado 5000 metų senumo gumos gabalėlį su pilnų dantų žymėmis. Akmens amžiaus žmonės šią gumą išgaudavo iš beržų, kaitindami sakus suformuodavo dervą, kuri atšalusi būdavo kieta, o pašildžius suminkštėdavo. Atrodo, kad medžiaga būdavo naudojama kaip klijai puodų taisymui ar strėlių galų priklijavimui, tačiau taip pat buvo ir kramtoma. Derby universiteto profesorius Trevor Brown, Sarah Pickin darbo vadovas, teigia, kad šios gumos sudėtyje yra natūralių antiseptinių medžiagų, todėl neolito epochos žmonės būtų galėję naudoti medicininėmis savybėmis pasižyminčią kramtomąją gumą burnos infekcijų gydymui.

Chicle ir kitų medžių sakai, įskaitant lateksą, iš kurių gali būti gaminama natūrali guma, yra natralūs polimerai. Šie polimerai – politerpenai ‑ yra sudaryti iš tūkstančių C5H8 izoprenų subvienetųw4w4. Priklausomai nuo medžio ar augalo rūšies, šie gamtiniai polimerai gali būti skirtingai išsišakoję, įvairių dydžių (molekulinio svorio) ar susimaišę su garuojančiais esenciniais aliejais, kas ir lemia skirtingą tamprumą bei elastingumą (cheminės struktūros įtaka fizikinėms polimerų savybėms gali būti lengvai tyrinėjama klasėjew5.) Šie lipnūs skysčiai gali būti sukietinami sudarant tinklus polimeruose; o toks procesas gali būti tyrinėjamas natrio tetraborato tirpalą maišant su polivinilo alkoholio („baltais“) klijais. Mokomąją medžiagą šiam klasikiniam eksperimentui galima rasti daugybėje interneto puslapiųw6, o eksperimento metu yra ypač įdomu stebėti kas vyksta kintant polimerinių tinklų santykiniam tankiui (priklausomai nuo natrio tetraborato santykio su klijais).

Nors pirmasis kramtomos gumos fabrikas, kuris buvo atidarytas 1870 m. JAV, gamybai naudojo Manilkara Chicle (valgomojo gumenio) sultis, šiandieninės kramtomosios gumos pagrindas yra sintetiniai polimerai. Vien JAV per metus sunaudoja apie 50 milijardų gumos lazdelių (maždaug 170 lazdelių žmogui per metus), todėl žaliavų aprūpinimą patikėti vien tropiniams miškams nėra perspektyvu. Gali būti, jog kai kurių formulių sudėtyje yra įtraukta natūralių priedų, tačiau tokie duomenys dažniausiai yra ytin saugoma komercinė paslaptis. Įprastinės kramtomosios gumos pagrindui naudojami sintetiniai polimerai atkartoja ir optimizuoja natūralių polimerų savybes: jie yra nepaslankūs, netirpūs ir nemaistingi. Šie polimerai gaminami iš naftos produktų, pridedant cukraus (saldiklių, pvz. aspartamo) ar kitų aromatinių medžiagų. Dažančioji medžiaga (kramtomai gumai tradiciškai šviesiai rožinė) yra vienintelis priedas, nebent guma naudojama medicininiais tikslais, pvz., padėti mesti rūkyti. Tada į gumos sudėtį įeina vandenyje tirpių medikamentų formų (pvz., nikotino).

Manilkara chicle medis
Public domain image; šaltinis:
Wikimedia Com

Kramtomosios gumos pagrindo sudėtis, lemianti lipnumą (elastingumą) ir skonio perdavimą, yra kompleksinė ir priklauso nuo siekiamų elastingumo savybių (pvz., kramtomoji guma, kurią kramtant galima pūsti burbulus, yra elastingesnė už įprastinę kramtomąją gumą). Kramtomąją gumą sudaro įvairūs elastomerai (gerinantys elastingumą), sakai (veikiantys kaip rišamoji medžiaga), užpildai (pagerinantys konsistenciją ir leidžiantys padidinti gumos kiekį nepridedant kaloringų priedų) bei minkštikliai (suminkštinantys tekstūrą)w7.

Pagrindinis kramtomosios gumos komponentas dažniausiai yra sintetinių elastomerų mišinys, tokių kaip poliizobutilenas, izobutileno- izopreno kopolimerai (butilo guma), stirolio butadieno kopolimerai ir polivinilacetatas – turbūt girdėti kalbant apie automobilių padangas. Visi šie polimerai yra netirpūs vandenyje, hidrofobiški (atsparūs vandeniui) ir biologiškai neskylantys. Tai paaiškina, kodėl neįmanoma kramtomosios gumos išvalyti iš kilimo vandeniu ir kodėl prie betoninės sienos ar grindinio priklijuotos gumos nenuplauna lietus.

Kramtant gabalėlį gumos, vandenyje tirpių sudėtinių medžiagų dalis (cukrus ir aromatinės medžiagos) yra pamažu išlaisvinamos, o polimerinis pagrindas (plastikai) lieka. Po tam tikro laiko guma pasidaro beskonė, kadangi visos aromatinės medžiagos būna atiduotos; o gumos pagrindą sudaranti medžiaga niekada neištirpsta. Burnoje esanti šiluma suminkština gumą ir ji tampa lankstesne, tačiau iš tiesų nepasikeičia ir atvėsusi vėl sutvirtėja (nors gali tapti ir šiek tiek kietesnė, jei išlaisvinami kai kurie minkštikliai). Norėdami išpūsti pačius geriausius burbulus, kramtykite tol, kol išsiskirs visas cukrus ir liks tik elastinga polimero medžiaga: cukrus nėra polimeras, todėl jis nėra elastingas, ir burbulai gali subliukšti per anksti.

Grįžtant prie pradinio klausimo: kodėl kramtomoji guma taip gerai limpa prie daugumos paviršių? Sukibimo mokslas yra sudėtingas (žr. lentelę), o kramtomosios gumos atveju greičiausia apima tiek mechanines jėgas, tiek cheminius ryšius. Visgi, kad ir koks yra sukibimo mechanizmas, abu paviršiai turi glaudžiai kontaktuoti ir „sudrėkinti“ vienas kitą prieš jiems sukimbant („drėkinimas“ suprantamas kaip tarpmolekulinės sąveikos rezultatas, pasireiškiantis kontaktu tarp šlapio ir kieto paviršių). Tai ypač tinka minkštai kramtomajai gumai. Kai kramtomoji guma prilimpa, jos atplėšimui skiriama energija nepajėgia nutraukti ryšių, laikančių ją prie paviršiaus (kaip to norėtumėte); vietoj to, guma tiesiog išsitempia paslinkdama polimero molekules. Ši savybė yra bendra visiems polimerams (virš tam tikros temperatūros): ilgos supainiotos molekulės turi daugybę vingių, kurie traukiant gali šiek tiek išsitiesinti. (Polimerų tamprumą galite pademonstruoti klasėje naudodami polietileninį maišelįw8). Taigi, kaip šios žinios gali padėti sumažinti gumos lipnumą?

Sukibimas

Daiktų sulipimą gali sąlygoti daugybė veiksnių, pavyzdžiui:

  • Mechaninis sukibimas, atsirandantis naudojant lipduką ar klijus, kurie subėga į pagrindo plyšius ir/ar įtrūkimus bei kietėdami fiziškai sujungia dvi puses.

 

  • Tarpmolekulinė trauka (pvz. vandenilio jungtys ar Van der Waals jėgos). Driežas gekonas yra pagarsėjęs savo gebėjimu vaikščioti vertikaliais paviršiais (netgi stiklu). Kiekviena driežo pėda yra apaugusi beveik 500 000 plaukelių, kurie prikimba prie paviršiaus silpnomis Van der Waals jėgomis (Autumn ir kt., 2000). Gekono pėdos sukibimas su paviršiumi turi būti abipusis (įsivaizduokite vargšą driežą, jei to nebūtų), taigi taip gaunama puiki strategija: jungtys yra silpnos, tačiau bendras 500 000 plaukelių poveikis yra pakankamas. Atitraukdamas pėdas nuo paviršiaus, gekonas palaipsniui nutraukia šias jungtis ir atkelia koją.

 

  • The formation of chemical bonds (covalent or ionic bond formation). Mussels, which unlike geckos are not very mobile creatures, stick firmly to rocks in stormy weather using rather stronger covalent bonds. And some glues form covalent or ionic bonds with surfaces, although the exact details tend to be commercial secrets.

 

  • Paviršinė difuzija. Tai dažniausiai sąlygoja itin tvirtą sukibimą, nes dvi medžiagos susilieja molekuliniame lygmenyje. Daugelis medžiagų gali sukibti apimtimi – du panašūs polimerai sukimba esant vidutinei temperatūrai, o dviejų metalų ar metalų ir oksidų kontaktui užtikrinti reikalinga aukšta temperatūra.

 

  • Elektrostatinė trauka. US standartų ir technologijų nacionalinio instituto (NIST) mokslininkai tyrinėjo galimybę, panaudoti elektrostatinius krūvius, kad sujungti puslaidininkius.

Kramtomosios gumos elastingumo sumažinimas nėra beprasmė strategija; kas norėtų kramtyti šokinėjantį kamuoliuką? Todėl profesorius Cosgrove į gumos sudėtį įtraukė hidrofilinį polimerą. Kai guma sukramtoma, hidrofilinis polimeras susiurbia seiles ir guma tampa minkštesnė. Po to keliauja į paviršių. Tai reiškia, kad po kramtymo visada yra plona vandens plėvelė kramtomosios gumos paviršiuje. Pereinanti vandens plėvelė baigiasi tarp gumos ir bet kokio paviršiaus, taip apsaugodama nuo glausto kontakto ir gumos prilipimo. Atrodo paprasta? Ne visiškai. Jeigu hidrofilinis polimeras būtų paprastai pridėtas, tai jis nesusimaišytų su gumos pagrindu (taip kaip negali susimaišyti aliejus ir vanduo). Vietoj to turi būti pakeičiamas kopolimeras (polimeras, kuris yra padarytas iš dviejų rūšių monomerų, arba sudaro blokus), kuris turi ne tik hidrofilines, bet ir hidrofobines dalis; bet tai turi būti pridedama atsargiai, norint išvengti fazių atsiskyrimow9. Dažų gamintojai naudoja panašų triuką; jie sumaišo elastinius polimerus su šios rūšies kopolimeraisw10, kurie sudžiuvę sudaro vandeniui atsparią dangą.

Paveikslėlio autorinės teisės
priklauso iStockphoto

Hidrofilinių polimerų priemaišos turi ir kitą pranašumą. Įprastinė kramtomoji guma aplinkoje yra pakankamai atspari; ji neištirpsta lietuje ir turi tendenciją dėl atmosferos įtakos sukietėti, kas ir padaro ją pastovia gamtos teršėja (pagalvok apie kiekvieną pilką gniužuliuką ant grindų!) Priešingai, guma su hidrofiliniu polimeru (kramtomosios gumos nelimpantis variantas), esant vandeniui, lėtai suyra.

Nors kopolimeras, kuris naudojamas nelimpančiai kramtomajai gumai, yra patentuotasw11, komanda visada pasirengusi pagerinti gumos pagrindinę sudėtį. Iki dabar jie išbandė daugiau nei 200 skirtingų formulių ir, kiek žinoma, Violet Beauregarde buvo viena iš pirmųjų jų darbuotojų (skaityti Charlie ir Roald Dahl). Priešingai įprastiems polimerų parametrams – molekuliniam svoriui, išsišakojimo laipsniui ir polimerinių tinklų susidarymui, darbo komanda turi optimizuoti hidrofilinius/ hidrofobinius šizofreninius kopolimerus. Jeigu polimeras turi per didelį afiniškumą vandeniui, guma gali tapti per minkšta. Jeigu sudėtis būtų bloga, guma burnoje išsklistų arba priliptų prie paviršiaus. Komanda įsitikinusi, kad produktas netolimoje ateityje pasieks rinką. Aš viliuosi, kad tai įvyktų, nes, priešingu atveju, mes turėsime gaminti mokinių suolus su nelipniu paviršiumi apatinėje suolo pusėje!

Padėka

Norėčiau padėkoti profesoriui Cosgrove už naudingas diskusijas ir šio rankraščio kritišką vertinimą.

Download

Download this article as a PDF

References

  • Autumn K et al (2000) Adhesive force of a single gecko foot-hair. Nature 405: 681-685. doi: 10.1038/35015073. Parsisiųskite nemokamą straipsnį peržiūrėti arba užsiprenumeruokite iš Nature today: www.nature.com/subscribe
  • Roald’o Dahl’io vaikų pamėgtoje knygelėje “Čarlis ir šokolado fabrikas”, Violeta Beauregarde yra bjaurus vaikas priklausomas nuo kramtomos gumos:
  • Dahl, R (2007 and earlier) Charlie and the Chocolate Factory. Puffin Books, London, UK. ISBN 978-0141322711

Web References

  1. http://waynesword.palomar.edu/ecoph13.htm
  2. http://en.wikipedia.org/wiki/Chicle
  3. http://en.wikipedia.org/wiki/Terpene
  • w5 – Puikią mokomąją veiklą apie polimerų ir plastikų galimybių keitimąsi (veikla numeris 3.1.5) galima parsisiųti iš Karališkosios chemijos asociacijos (Didžioji Britanija) tinklapio: www.chemsoc.org/networks/learnnet/inspirational
  • w6 – Informatyvūs tinklapiai apie polivinilo alkoholį ir natrio tetraboratą apimančius eksperimentus:
  1. www.chemsoc.org/networks/learnnet/inspirational (konkretus eksperimentas 3.1.8, ‘Investigating cross-linking, making slime’)
  2. www.iop.org/activity/education/Events/
  3. Events%20for%20Teachers/Schools%20Physics%20Group/file_5747.doc
  4. http://pslc.ws/macrog/activity/ball/lev3/level3p.htm
  • w7 – Sužinokite daugiau apie kramtomosios gumos pagrindą Gumbase tinklapyje: www.gumbase.com
  • w8 – Įdomi mokomoji veikla (eksperimentas 3.1.6 “Polietileno maišeliai”), norintiems suprasti polimerų tempimasi: www.chemsoc.org/networks/learnnet/inspirational
  • w9 – Filmuką apie tai, kaip yra padaromas gumos pagrindas (“švarios gumos gamyba”) galima peržiūrėti: www.revolymer.com
  • w10 – Polivinilo acetato kopolimerų (vandenyje netirpūs polimerai) su polivinilo alkoholiu (vandenyje tirpūs polimerai) panaudojimo dažams puikus apibūdinimas: http://pslc.ws/macrog/pva.htm
  • w11 – Patentą (WO/2006/016179, “Polimerinių medžiagų sukibimo mažėjimas, medžiagų kūrimo ir kramtomosios gumos sudėties, į kurią įeina tokios medžiagos, kūrimo metodai”) galima rasti Pasaulio Intelektinės Nuosavybės organizacijos tinklalapyje: www.wipo.int/pctdb/en/
  • wo.jsp?wo=2006016179&IA=WO2006016179&DISPLAY=STATUS

Resources

  • Praktiniam užsiėmimui, norint išmatuoti citrinų rūgšties koncentraciją kramtomojoje gumoje, žiūrėkite:Gadd K, Szalay L (2008). Chewing flavours. Science in School 8: 34-37. www.scienceinschool.org/2008/issue8/chewinggum
  • Jeigu domitės recenzento pasiūlymu vykdyti bandymus su kramtomaja guma, taip pat galite susipažinti su bandymais su šokoladu, aprašytais Science in School?
  • Schollar J (2006). The chocolate challenge. Science in School 2: 29-33. www.scienceinschool.org/2006/issue2/chocchallenge
  • Įdomūs faktai apie kramtomosios gumos pramonės šaką:Redclift M (2004) Chewing Gum: The Fortunes of Taste. New York, NY, USA: Routledge. ISBN: 9780415944182.Taip pat “Viskas apie kramtomąją gumą”: www.wrigley.com/wrigley/kids/kids_report.asp

Author(s)

Halina Stanley yra fizikė, dirbusi Exxon, New Jersey, JAV, bei ICI, Didžioji Britanija. Dirbdama ICI ji praleido daug laiko stebėdama, kaip džiūsta dažai (ši įmonė gamina Dulux®), ir padėdama sukurti polimerinius mišinius kontroliuojamiems vaistams (ši kompanijos dalis dabar vadinasi AstraZeneca). ICI dabar priklauso AkzoNobel. Halina buvo ICI atstovė Rutherford Appleton Laboratorijoje, Oxfordshire, Didžioji Britanija, kur ji dalyvavo medžiagų tyrimuose, naudojant neutronų sklaidą, taip pat dalyvavo eksperimente su profesoriumi Cosgrove.

Pastaruosius septynerius metus Halina mokė fizikos, chemijos ir matematikos Grenoble Amerikos vidurinės mokyklos (Prancūzija) moksleiviams.


Review

Tai yra naujas būdas mokytojams tapti populiariais mokinių tarpe: nusipirkti daug skirtingos kramtomosios gumos! Tegu mokiniai būna skirtingų prekės ženklų vertinimo ekspertais – galbūt suteikiant ženklus skirtingoms savybėms, tokioms kaip kramtomumas, aromato išsilaikymo trukmė ir sudėtis. Perskaitykite straipsnį ir padiskutuokite apie cheminius apibrėžimus, kurie vartojami straipsnyje. Galiausiai, pamėginkite patys sukurti lengvai pašalinamą kramtomąją gumą.


Sølve Tegner Stenmark, Norvegija




License

CC-BY-NC-ND