Co má společného krystalografie a tajemství starověkého porcelánu

Krystalografie je věda o krystalech a jejich struktuře, původu nebo výrobě. Právě díky krystalografii se podařilo odhalit tajemství starověkého čínského porcelánu. (délka blogu 4 min.)

Starý čínský porcelán byl pověstný svou krásou a kvalitou. Lidstvo ale před zhruba sedmi sty lety ztratilo recept na jeho výrobu. Může se to zdát zvláštní, není to ale nijak výjimečné. Podobně se kdysi ztratil recept na materiál, bez kterého si dnes neumíme život ani představit - na beton. Starověký Řím znal materiál, který sice používal trochu jiné výchozí komponenty, svými vlastnostmi a použitím se ale velice podobal dnešnímu betonu. 

Podobně jako u betonu byl později znovu objeven recept na porcelán - i když ani on nebyl úplně přesný a postrádal jednu z původních komponent. 

Porcelán

Porcelán je keramický výrobek ze speciálních ušlechtilých materiálů - směsi kaolínu, živce a křemene. Od klasické keramiky se liší například tím, že je v tenké vrstvě lehce průsvitný. 

Během výpalu se ve výchozí materiálové směsi totiž tvoří nové minerály, zatímco část hmoty se taví na sklo. Vyznačuje se pak tím, že už prakticky nemá na povrchu otevřené póry, které by mohly vsakovat vodu. Porcelán se tedy hodí k výrobě velkého množství předmětů denní potřeby - ale také technických výrobků. 

První porcelán

Číňané se naučili vyrábět porcelán před zhruba dvěma tisíci lety. 

Byl to velice vážený a ceněný výrobek - dokazuje to fakt, že čínský znak, který označuje slovo porcelán, je shodný se znakem, který označuje slova mír, vzácný a křehký.

I oni ho vyráběli ze tří různých matierálů: kaolinitu (jílového minerálu), křemene a živce. Poslední dva zmiňované minerály přitom tvoří drobná zrnka, která jsou ze všech stran obalena vrstvičkami  kaolinitového minerálu. 

Mimochodem - samotný název kaolinit pochází také z Číny. Jméno mu dala hora Kaolin, kde se nacházelo dávné naleziště tohoto zvláštního materiálu. 

Porcelán se stal velice oblíbeným - a postupně se dostal obchodními stezkami do Persie, Arábie, Byzance. Zvláště intenzivní byl tento obchod během dynastie Tang (v 7. až 10. století). Ukončil ho vpád Mongolů. 

Starý porcelán je pověstný svými vlastnostmi - je téměř průsvitný ale zároveň velice pevný. Výrobky tedy mohly mít nezvykle tenké stěny - a to i ve srovnání s těmi dnešními. Výjimkou nebyly stěny silné jen 0,4 milimetru, tedy 400 mikrometrů, což je charakteristika, které dnešní porcelánové výrobky zdaleka nedosahují. 

Ve třináctém století si podrobili čínské území Mongolové - a recept na úžasný porcelán se ztratil. Po vyhnání Mongolů ve čtrnáctém století se opět zavedla výroba porcelánu, ten už ale neměl někdejší kvalitu. 

Ta se vracela jen postupně - někdejších vlastností dosáhly výrobky až v 17. století. Byl to ale už jiný výrobek - s jiným složením, vyráběný jinou technologií. 

Novodobý porcelán

Vědci zjistili, že porcelán, který byl vyroben před mongolským dobytím Číny, nebyl vyroben z nejlepších jílů, ale z poměrně hrubého kaolinitu. Přesto se podařilo dosáhnout nejvyšší kvality. Tehdejší dělníci tedy museli znát nějaký trik… 

Původní recept na výrobu porcelánu byl znovu nalezen až ve 20. století díky úsilí německého krystalografa Armina Weisse. 

Hrdinovi dnešního blogu pomohla k velkému objevu - dovolená v Bavorském lese. Nedaleko místa, kde odpočíval, se stavěla stodola. Zvědavý vědec se tam vydal na procházku a všiml si, že se ve výkopové jámě nachází poměrně vzácný minerál - kaolinit. 

Samozřejmě si vzal kousek na památku a těšil se, jak ho později bude zkoumat. Jistě nečekal, že tento náhodný objev bude mít takové následky. Zjistil totiž, že se nejedná o běžný kaolinit, ale o sloučeninu kaolinitu a močoviny. 

Kaolinit je vrstevnatý silikát - tedy minerál, ve kterém jsou velmi pevné vrstvy, skládající se ze silikátů, odděleny méně pevnými vazbami. Mezi jednotlivými vrstvami působí ne (pevné) chemické, ale van der Waalsovy síly. 

Celá struktura by se dala přirovnat k sendviči. Plátky chleba hrají roli silikátových vrstev, zatímco oblohu si můžete představit jako výše zmiňované van der Waalsovy síly. 

Vzdálenost mezi dvěma vrstvami běžného silikátového sendviče je 7 angstromů, tedy 0,7 nanometru.  Pokud se do oblohy sendviče vloudí molekula močoviny, pak se vzdálenost zvětší na 10 nebo dokonce 11 angstromů, to znamená, že se výrazně zvětší a vazba mezi silikátovými vrstvami je pak už mnohem slabší - jinými slovy, sendvič má větší tendenci se rozpadat. 

Ale jak se dostaly do silikátu molekuly močoviny? 

V místě, kde měla stát stodola, kdysi bývala žumpa, jak se mělo později vysvětlit. Močovina z odpadů prosakovala do kaolinitové vrstvy a kontaminovala tu kaolinit, kde se ukládala do tenké vrstvičky mezi jednotlivé silikátové vrstvy minerálu. 

Ukázalo se, že zvětšením mezivrstevné vzdálenosti se mění i vlastnosti kaolinitu - co se týká výroby porcelánu - a to k lepšímu. 

Zvěsti o umělém marinování kaolinitu ve staré Číně, byly tedy pravdivé. Některé kroniky uvádějí, že tento proces trval až sto let. 

Armin Weiss se rozhodl vyrobit svůj vlastní porcelán. Zjistil přitom, že záleží nejen na stupni prosáknutí kaolinitu močovinou, ale také na způsobu, jakým se minerál připravuje. Pokud se mele v moderních kuličkových mlýnech, ztrácí své výborné vlastnosti. Když je ale naopak rozdrcen například kladivem, dají se od sebe jednotlivé silikátové vrstvy dobře oddělit. 

S použitím takto staromódně připraveného materiálu byl vyroben porcelán s mimořádnou pevností a kvalitou. 

Starý recept historického porcelánu byl tedy objeven jen díky pozornosti vědce, který byl zrovna ve správnou dobu na správném místě… a byl dostatečně zvídavý. 

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/ange.19630751604