Frank van Hertrooij
Scivolemo 27 Septembro 2017
Pliaj artikoloj
Kiun kvaliton proteino, nilono kaj kaŭĉuko komune havas? Malgraŭ iliaj abundaj diferencoj, ili ruze uzas la unikajn kvalitojn de karbo por iĝi polimeroj. Laŭ la hodiaŭa uzo de la vorto, polimeroj estas makromolekuloj, kio signifas ke ili estas gigantaj ĥemiaĵoj. Ili konsistas el longaj ĉenoj de karbo kaj povas iĝi centoj aŭ eĉ milionoj da fojoj pli grandaj ol kutimaj molekuloj. Ilia ĉena strukturo kaj longeco donas al ili la eblecon havi tre multajn malsimilajn kvalitojn, sed kvankam tio estas tre utila, ĝi samtempe igis polimerojn tre komplikajn por la ĥemiistoj kiuj unue provis bone priskribi ilin.
La vorto polimero ekhavis sian modernan uzon en 1920. Antaŭ tio, la difino estis ke polimeroj havis la samajn ”minimumajn formulojn”. Tia formulo estas iom kiel ĥemia formulo, ekzemple H2O por akvo, sed anstataŭ indiki la kvanton de specifa atomo (du hidrogenaj kaj unu oksigena atomo), la nombroj indikis la rilatumon inter la atomoj per naturaj nombroj. Mallonge dirite, tio signifas ke oni gajnas la minimuman formulon de molekulo per dividi la ĥemian formulon per kiel eble plej granda nombro. Pro tiu difino, molekuloj kiuj nun tute ne estas taksataj polimeroj, estis tiam taksataj tiel pro iliaj formuloj, ekzemple ambaŭ C6H6 kaj C2H2 havas la minimuman formulon ”CH”.
En 1920, Herman Staudinger kreis la vorton “makromolekulo” kaj tiel klarigis la diskuton. Tiu vorto havas tre logikan difinon, pro tio ke ĝi laŭvorte signifas ”granda molekulo”. Kompreneble ne ĉiu granda molekulo havas la strukturon kiun ni kutime atendas de polimeroj, sed pro tio ke preskaŭ ĉiu makromolekulo havas la kvalitojn de polimero, la vortoj preskaŭ iĝis sinonimaj. Hodiaŭ ni taksas polimero molekulo kiu konsistas el ĉeno de etaj eroj kiuj nomiĝas ”unumeroj”. Laŭ lia edzino, Staudinger frontis kritikon dum ĉiu prelego. Organika ĥemiisto iam diris ke estis kvazaŭ oni rakontus al zoologo ke ie en Afriko elefanto estis trovita kiu estis 500m longa kaj 100m alta. En la menso de la periodo, la kontraŭargumentoj ne sonis sensencaj. La unua argumento estis ke multaj polimeroj agis kiel koloidoj. Tio signifus ke ili ne estas grandaj molekuloj, sed etaj molekuloj kiuj gluiĝis de intermolekulaj fortoj. Ĉiuj provoj de ĥemie disigi tiujn hipotezajn molekuletojn malsukcesis tamen, kio malhelpis la argumenton. La dua argumento estis ke en tiu tempo ĥemiistoj volis trovi unikan ĥemian formulon por ĉiu speco de molekulo. Tiu ideo estis rompita de polimeroj, pro tio ke molekuloj de la sama ĥemiaĵo povas havi malsamajn formulojn depende de ilia longeco. Tial oni kutime verkas la formulon de polimero kiel la unumero kun aldona nombro. Tiumaniere (C2H4)100 estas ĉeno de 100 molekuloj de C2H4. Estis malfacila por organikaj ĥemiistoj forgesi tiun principon pro la nekredebla sukceso kiun la teorio havis pasintece. Finfine polimeroj estis malfacile priskribeblaj. Ili ne kristaliĝis kaj oni ne povis purigi ilin laŭ la tiama senco de la vorto. Tio estis tro por la kutima ĥemiisto, sed ne por Staudinger, kiu publikigis multe da malpruvoj de la kontraŭargumentoj en 1920. Dek jarojn poste, li kaj kolegoj kolektis amason da pruvoj kiuj subtenis la makromolekulan hipotezon kaj la strukturoj kaj kvalitoj de la molekuloj estis jam bone priskribitaj.
Oni povas krei polimerojn per du ĝeneralaj metodoj. La unua uzas radikalojn, kiuj estas freneze reagemaj molekuloj kiuj havas unuopan elektronon en la plej ekstera ŝelo. Oni povas vidi radikalojn iomete kiel molekuloj kun duona ligo kiu pendas de la ekstero kaj serĉas elektronojn. Kiam radikalo renkontas unumeron kun duobla ligo inter la karbaj atomoj, ĝi disigas unu el la ligojn kaj ligas sin al unu el la karbaj atomoj. Tiam la alia karba atomo havas unuopan elektron kaj la molekulo denove iĝas radikalo. Tiel la ĉeno povas kreski ĝis du radikaloj renkontas unu la alian kaj la elektronoj pariĝas. Se oni uzas multajn radikalojn, multaj ĉenoj samtempe kreskas, kio rapidigas la reagon, sed la ŝanco ke du radikaloj renkontas unu la alian iĝas pli granda, do la averaĝa ĉeno iĝas malpli longa. Tiumaniere oni povas per malgrandaj ŝanĝoj influi la kvalitojn de polimero.
La dua metodo por krei polimeroj estas per unumeroj, kiuj havas specifajn grupojn, ekzemple alkoholan grupon kaj acidan grupon, je malsamaj flankoj sur la molekulo. Kiam du molekuloj de la unumero rekontiĝas, tiuj grupoj reagas kaj dum la unumeroj ligiĝas, akva molekulo disiĝas de la molekulo. Pro tio ke akvo ekaperas, oni nomas tian reagon ”kondensado”. Interalie sukeroj kiel celulozo, kio troveblas en plantoj kaj papero, formiĝas.
Pro ilia diverseco, polimeroj havas tre multajn industriajn uzojn. Ĉiuj plastoj ekzemple estas polimeroj kaj la denseco de la ĉenoj influas kiom fleksebla la materialo estas. La maldensa variaĵo de la plej ofta plasto ”polieteno” (aŭ ”polietileno”) estas uzata por preskaŭ ĉiuj manĝpakaĵoj. Aliflanke tre densaj polimeroj povas esti uzataj por infanaj ludiloj, aŭ eĉ protezoj ene de la korpo. La ligoj inter la ĉenoj de plasto influas ĉu la plasto fandiĝas aŭ ĉu ĝi konservas sian formon je alta temperaturo. Tio influas ĉu oni povas ŝanĝi la formon facile kaj reuzi la plaston, aŭ ĉu ĝi estas taŭga por uzi kiam temperaturoj altiĝas. Per ŝanĝi la grupojn konektitaj al la karba ĉeno, oni povas ekzemple krei patojn al kio la enhavo ne gluiĝas, ĉar la fluoraj atomoj en la polimeroj volas interagi kun nenio krom la karbo. Oni povas krei polimerojn kiuj bone tralasas elektron, aŭ kiuj tute ne tralasas ĝin kaj materialoj kiuj estas tre elastaj, aŭ tute ne. Pro iliaj nenombreblajn variaĵojn, polimeroj estas tre utilaj al homoj kaj se oni rigardas ĉirkaŭen, oni povas preskaŭ ĉiam vidi objektojn kiuj estas faritaj el polimeroj, sed ne nur industrie polimeroj estas gravaj.
La plej gravaj polimeroj estas biologiaj. Vivanta organismo estas tre kompleksa kaj ne estas supriziga ke io, kio estas tiom komplika bezonas polimerojn por subteni sin. Ekzistas tri gravaj kategorioj da biopolimeroj. La unua estas polinukleotidoj. DNA kaj RNA troviĝas en tiu kategorio. Polinukleotidoj estas uzataj de ĉeloj por konservi informojn pri kiel krei proteinoj kaj pli ĝenerale pri kiel la organismo estu kreata. Por tiu tasko polimero estas tre utila, ĉar oni povas enskribi kodon en ĝin. La molekuloj konsistas el unumeroj kiuj nomiĝas unumeroj kaj ĉiu unumero kunportas bazon. Estas kvar specoj de bazoj kiujn DNA uzas kaj per la sinsekvo, ĝi povas enskribi informojn, kiujn aliaj molekuloj povas legi dum ili iras laŭ la ĉeno. Tiel eblas krei la duan kategorion, nome polipeptidoj.
Polipeptidoj estas polimeroj kiuj konsistas el multaj aminoacidoj. Ekzistas multaj specoj de aminoacidoj. Ĉiuj estas la sama, baza strukturo, sed kun malsama flankgrupo. Ĉiu malsama aminoacido havas kodon de tri bazoj, kiuj estas enskribitaj en la DNA. Tiu kodo estas kopiata al RNA molekulo kaj poste la kodo estas legata kaj la ĝustaj aminoacidoj estas ligataj laŭ la vicordo en la kodo. Finfine oni havas longan ĉenon de aminoacidoj, kiu nomiĝas polipeptido. Tio estas la primara strukturo de la proteino. Poste la polipeptido estas foldata por iĝi tuta proteino kiu povas havi multajn funkciojn. Proteinoj povas faciligi transporton de molekuloj tra la ĉelmembrano, aŭ agi kiel enzimoj (biologia katalizanto, kiu malaltigas la minimuman temperaturon por ĥemiaj reagoj). Ili donas strukturon al la korpo kaj povas agi kiel hormonoj. La funkcioj de malsamaj proteinoj estas preskaŭ senfinaj.
Finfine estas polisakaridoj, kiuj estas longaj ĉenoj de monosakaridoj. Sakaridoj estas sukeroj, sed ankaŭ molekuloj kiujn oni kutime ne nomus sukeron estas sakaridoj al ĥemiisto pri ilia strukturo. Kiam la korpo uzas sukeron, tio plej ofte estas en la formo de glukozo. Tio estas monosakarido kaj pro tiu kialo ĝi simple uzeblas. La korpo disigas la ligojn ene de la molekulo kaj ricevas energion tiel. Tion ĝi povas uzi por moviĝi, instigi ĥemiajn reagojn, aŭ kreski. Kvankam la korpo rekte uzas glukozon por tiuj aferoj, ĝi ne povas uzi ĉiun molekulon da glukozo kiun ĝi ricevas tuj post la manĝo. Tial la korpo bezonas manieron por konservi la sukeron. Homoj kaj bestoj faras tion per krei glikogenon. Tio estas polimero de glukozo kaj multe pli facile konserveblas. Kiam la korpo bezonas energion, ĝi povas simple disigi la polimeron denove kaj uzi la glukozon. Plantoj havas similan problemon. Ili produktas multe da sukero dum la tago per la energio de la suno, sed bezonas konservi ĝin ie dum la nokto. Por tio ili uzas alian polimeron de glukozo, nome amelon. Terpomoj enhavas tre multe da emelo, ĉar plantoj ofte metas la amelon en la radikoj. Se terpomo anstataŭe havus la saman kvanton da energio en la formo de glukozo, ĝi ensuĉus tiom multe da akvo, ke la planto ne travivus.
Polimeroj estas ĉie en la materialoj kiuj ni uzas por konstrui kaj konservi, sed ankaŭ en ni mem. Ili estas diversaj kaj utilaj kaj kvankam ili iumaniere estas la plej komplikaj molekuloj surtere, ilia strukturo igas ilin facile kompreneblaj alimaniere. Tio igas ilin interesaj. Sciencistoj daŭre multe esploras polimerojn. Antaŭ nelonge, ĥemiistoj priskribis la strukturon de la plej granda proteino iam ajn. Tiu esploro povas helpli nin eviti ke malsanigaj bakterioj ne povas ligi sin al niaj ĉeloj. Aliaj sciencistoj esploras kiel ni povas krei novajn polimerojn kiuj estas pli bonaj por la medio, estas pli forta aŭ streĉebla, aŭ kiuj havas kvalitojn kiujn ni neniam antaŭe vidis. La eblecoj estas abundaj kaj ĉi tio ne estos la lasta kion ni aŭdos de polimeroj.