Prvé zmienky o nanovláknach sú známe už z rukopisov britského fyzika Ch. V. Boysa, okolo roku 1900 potom bola dokonca podaná žiadosť na patent na elektrostatické zvlákňovanie (W. J. Mortonem a J. F. Cooleym).
O technológii výroby nanovlákien nazývanej elektrohydrodynamické tryskanie sa v odbornej literatúre ( v diele Čechoameričana Johna Zeleného z Michiganskej univerzity) objavujú zmienky okolo roku 1914. Za oficiálny počiatok úvah o nanotechnológiách je však považovaná prednáška amerického teoretického fyzika Richarda Phillipse Feynmana prednesená v roku 1959. Feynmann sa na ňu s poslucháčmi podelil o svoju víziu o budúcom využití a cielenom kontrolovaní atómov a elementárnych častíc človekom.
V nasledujúcich desaťročiach skutočne došlo k výraznému rozvoju výskumu nanoobjektov, pričom názov „nanotechnológie“ priniesol v roku 1974 japonský vedec Norio Tamaguči. Páni Gerd Binning a Heinrich Rohrer následne v roku 1981 vytvorili skenujúci tunelový mikroskop zobrazujúci aj jednotlivé atómy. S reálnymi nanomateriálmi sa potom experientovalo od 90. rokov a to najmä vďaka K. Ericovi Drexlerovi, ktorý je autorom myšlienky nanotechnologickej revolúcie. Vo svojich publikáciách opísal svet miniatúrnych umelých systémov s veľkosťou pohybujúcou sa na molekulárnej úrovni. Už v roku 1993 boli svetu predstavené prvé nanodrôty, roku 1998 došlo na univerzite v holandskom Delfte k zostrojeniu tranzistora z uhlíkových nanotrubíc (tie sú 50 tisíckrát tenšie ako ľudský vlas)… Až na prelome 20. a 21. storočia ale dosiahli technológie takej úrovne, ktorá umožnila vyrábať nanovlákna nielen v laboratórnom, ale aj v priemyselnom meradle. Svetový trh nanovlákien rastie teraz ročne o 40 a viac percent.
Unikátne vlastnosti nanomateriálov
Nanotechnológie využívajú nanomateriály, ktoré sú zložené z nanovlákien s extrémne malými rozmermi. Ide o prírodné materiály (peľ, sopečný popol a pod.), vedľajšie produkty (výfukové plyny automobilov) či účelové výrobky (nanovlákna). V odporúčaní Európskej komisie je materiál definovaný ako „prírodný materiál, materiál vzniknutý ako vedľajší produkt alebo materiál obsahujúci častice v nezlúčenom stave alebo ako agregát či aglomerát, v ktorom je v 50-tich alebo viac percentách častíc vo veľkostnom rozdelení jeden alebo dva vonkajšie rozmery v rozmedzí veľkosti 1–100 nm“. Práve na malú veľkosť častíc sú totiž viazané špecifické vlastnosti a správanie výsledných materiálov. Väčšina molekúl a atómov nanomateriálov je umiestnená na povrchu makroskopických materiálov, čo ich podnecuje k rastu ich povrchovej reaktivity (prirodzená snaha častíc o stabilizáciu), čím dochádza ku kryštalografickým zmenám. Uplatňuje sa tu kvantová povaha hmoty s dôsledkom v podobe zmeny vlastností nanorozmerných materiálov pri rovnakom chemickom zložení ako majú klasické makromateriály.1
K základným vlastnostiam nanovlákenných materiálov radíme vysokú pórovitosť, veľký objem póru, nízku hustotu, dobrú priedušnosť, veľký merný povrch a možnosť adície (tvorenia chemickej väzby) s inými molekulami.2 „Možno povedať, že nanoštruktúrovaný objekt má významne väčší povrch, pri rovnakom celkovom objemu je podstatne ľahší, ale od bežných materiálov sa líši aj v mnohých iných vlastností. Napríklad môže inak interagovať so svetlom, mať inú farbu, mať aj iné mechanické vlastnosti. Keď dokážeme rozmery a tvar jednotlivých nanočastíc riadiť, môžeme dosiahnuť široké spektrum veľmi zaujímavých vlastností. A keď navyše dokážeme nanočastice v objeme vhodne usporiadať, môžeme tieto vlastnosti ešte významne zosilniť,“ povedal pre Ekonomický magazín Jakup Cipra, CEO a konateľ spoločnosti IQS NANOPTIQS.3
Môže ísť napríklad o supraparamagnetizmus u nano-Fe2O3, fotoluminiscenciu a fluorescenciu u kvantových a uhlíkových bodiek, o zmenu farby u nano-Au, o extrémnu elasticitu, pevnosť v ťahu a tvrdosť u grafénu, o reaktivitu inertných materiálov nano-TiO2, lepšiu elektrickú vodivosť, fotokatalytické vlastnosti, zmeny teploty bodu tania a ďalšie.
Výroba a využitie nanovlákien
Nanovlákna je možné vyrobiť mnohými spôsobmi, napríklad:
- odstredivým zvlákňovaním,
- fúkaním taveniny (melt blown),
- elektrostatickým zvlákňovaním (najčastejší spôsob),
- dlhovaním,
- fázovou separáciou,
- tlakovým zvlákňovaním,
- hydrotermálne.
Nie všetky tieto metódy sú však priemyslovo realizovateľné. K najmodernejším potom patria technológie kombinujúce elektrostatické, odstredivé a tlakové zvlákňovanie. Umožňuje to napríklad zariadenie vyvinuté českou spoločnosťou NanoSPACE Technology.2
Vďaka svojim unikátnym vlastnostiam, nachádzajú nanovlákna široké uplatnenie v priemysle. Sú využívané ako súčasť filtrov, stavebných izolácií, zvukotesniacich materiálov, akumulátorov, využívané sú v chemickej katalýze, fotokatalýze i elektrochémii, ako adsorbenty, membrány, senzory, optické, samočistiace či ochranné materiály. Veľmi vážené sú okrem stavebníctva a strojárstva aj v zdravotníctve či v odboroch zaoberajúcich sa ochranou životného prostredia.
V Čechách, konkrétne v Brne, je pravidelne organizovaná odborníkmi vyhľadávaná medzinárodná konferencia NANOCON zameraná na nanomateriály, na ich výskum, aplikácie a potenciálny vplyv na životné prostredie a zdravie ľudí. Tento rok prebehol už jej 14. ročník.
Výskum technických aplikácii nanotechnológií
Bádanie nad nanomateriálmi a možnosťami ich rozvoja a využitia prebieha na väčšine českých technických univerzít aj v mnohých výrobných spoločnostiach. Najväčšie úspechy vykazuje už desať rokov fungujúci Ústav pre nanomateriály, pokročilé technológie a inovácie alebo CXI (je súčasťou Technickej univerzity v Liberci). Tunajší tím profesora Oldřicha Jirsáka pred rokmi objavil vtedy nevídaný technologický postup priemyselnej výroby polymérnych nanovlákien. Revolučné nové zariadenie bolo nazvané ako NanospiderTM a ide o stroj (neskôr celú výrobnú linku) na hromadnú produkciu anorganických i organických nanovlákien a netkaných textílií, ktoré sú schopné filtrovať vodu aj vzduch a nachádzajú uplatnenie v medicíne, v energetike aj v ochrane životného prostredia. Technológia fungujúca na báze zvlákňovania polymérov získala vďaka zakladateľovi firmy Elmarco Ladislavovi Marešovi aj komerčný rozmer.4
Nanotechnológie sú tiež predmetom skúmania Centra nanotechnológií (CNT) vysokoškolského ústavu Centra energetických a environmentálnych technológií (CEET) na Vysokej škole banskej - Technickej univerzite. Sú tu využívané pre prípravu multifunkčných a vodivých polymérnych nanokompozitov pre skladovanie energie (napr. Li-on batérií), biosenzorov, systémov pre dodávanie liečiv, antimikrobiálnych materiálov a náterov. V úzkej spolupráci s ďalšími ústavmi vyvinulo CNT aj metódy odstraňovania nebezpečných organických a anorganických látok zo životného prostredia na základe vysoko účinných sorpčných procesov s použitím kolón s pevným lôžkom alebo katalytických a fotokatalytických procesov.5
Ani pražské inštitúcie nie sú bokom, menovite napr. Katedra fyziky FEL ČVUT, na ktorej prebieha výskum nanočastíc (nanodiamantov, nanozlata) a ďalších nanomateriálov (grafénu či grafénoxidu) hlavne s ohľadom na ich elektrofyzikálne interakcie s organickými molekulami a svetlom alebo Univerzitné centrum energeticky efektívnych budov ČVUT (UCEEB), kde vyvíjajú nové nanomateriály pre biomedicínske či technické účely a zaoberajú sa nosičmi na báze nanovlákien.
Na Univerzite Pardubice, Fakulta chemicko-technologická, boli pred rokmi zahájené dva projekty zamerané na prípravu, popis a využitie nanomateriálov v praxi. Prvý z nich – NANOBIO – je spoločným multiodborovým počinom špičkových výskumných pracovísk Pardubického a Královehradeckého kraja, ktorého cieľom je testovanie toxicity a biokompatibility nanomateriálov určených pre biomedicínske aplikácie (vrátane ich vplyvu na ľudský organizmus) aj vývoj nových perspektívnych nanomateriálov. Druhým projektom prebiehajúcim v pardubickom kraji je NANOMAT zaoberajúci sa výskumom polymérnych nanomateriálov s jedinečnými termochemickými vlastnosťami, mimoriadnou citlivosťou a rýchlou odozvou, ktoré by mohli umožniť napríklad vznik kompozitných čidiel mechanického namáhania a scintilačných detektorov pre konverziu vysokoenergetického neutrónového a gama žiarenia, vývoj nanoštruktúrovaných polymérnych aerogélov s nízkou hustotou pre kozmické aplikácie alebo vývoj nanoštruktorovanej polymérnej peny s nízkou tepelnou vodivosťou pre tepelnoizolačné účely.6
Výsledky svojho výskumu zameraného na vodivé malty nedávno prezentovali aj zástupcovia Ústavu technológie hmôt a stavebných dielcov (Vysoké učenie technické v Brne, Fakulta stavebná). Na konferencii World Conference on Advanced Materials, Nanoscience and Nanotechnology 2022 vo Valencii v Španielsku predstavili unikátne materiály, ktoré bude v budúcnosti možné využívať napríklad na vyhrievanie príjazdových ciest, ako ochranu pred prepätím alebo pri monitoringu vlastností stavebných konštrukcií.7
Komerčná sféra
Na vývoji nanotechnologických produktov sa podieľajú aj mnohé české súkromné spoločnosti, ktorých produkty sú bežne dostupné a uznávané na slovenských i svetových trhoch. Nanomateriály pritom nachádzajú uplatnenie v širokej škále aplikácií, pričom najviac ich možno zaznamenať v oblasti textílií a náterových hmôt. Pozadu nezostávajú ani výrobcovia filtračných a bariérových produktov, betónu, či dokonca osvetľovacej techniky.
Vezmeme si to ale pekne po poriadku:
Filtrácia a čistenie vody
Prvou z českých firiem, ktoré sme sa rozhodli pre ich dlhoročnú tradíciu a úspechy na poli objavovania nanomateriálov menovať, je ART CARBON. Tá aplikovala nanovlákna do vodovodných filtrov a využila ich v procese čistenia vôd. Technológiu, ktorú je možné využiť na terciálne dočisťovanie pitných vôd v obciach, do poddrezových systémov v domácnostiach či na recykláciu použitej bazénovej vody, založila na adsorbente z uhlíkových nanotrubíc. Tie dokážu z pretekajúcej vody odstrániť široké spektrum organických látok aj vo veľmi malých koncentráciách. 8
Podobne postupuje aj spoločnosť ASIO zaoberajúca sa aplikáciou nanovlákenných štruktúr do filtrácie vody a na čistenie pitných i odpadových vôd využíva pokročilé nanomateriály. Membránová nanofiltrácia pritom slúži na odstraňovanie mikropolutantov a prírodnej organickej hmoty, na zmäkčovanie vody aj na účely desalinácie morskej vody a na jej úpravu na pitnú vodu. Zariadenie na nanofiltráciu tohto výrobcu (zvané FMX) je založené na využití Kármánovho víru pre zníženie zanášania membrán. Hlavné spektrum aplikácie nie je založené na čistení vody, ale predovšetkým na získavaní a zakoncentrovaní cenných surovín (nanostriebra alebo nanotrubiek) v odpadovej vode.9
Nátery a impregnácia
Českému segmentu nanonáterov, lakov a povlakových hmôt dominuje niekoľko spoločností. Jednou z nich je aj Nano4people, ktorá sa podieľa na vývoji a realizácii multifunkčných fotokatalytických náterov. Tieto nátery s pomocou nanotechnológie a svetla dokážu likvidovať vírusy, baktérie, spóry, plesne, pachy a dokonca čistiť vzduch. Kľúčom technológie prostredníctvom ktorej dochádza k zachytávaniu toxických látok, je čistý oxid titaničitý, silný katalyzátor urýchľujúci fotokatylytický proces. Nanokryštály TiO2 absorbujú energiu UV žiarenia a urýchľujú tak reakciu medzi kyslíkom a škodlivými mikróbmi vo vzduchu. Výsledkom je, že molekuly všetkých organických látok sú rozdelené na neškodné stopové prvky. Tento náter odráža tiež slnečné žiarenie, čím podľa výrobcu ochladzuje budovy až o 30 %.10
Nádejný výskum prebieha tiež v akreditovaných laboratóriách pardubickej firmy Synpo, ktorá sa okrem iného zaoberá vývojom a analýzami špeciálnych typov polymérnych spojív, modifikátorov povrchu nanoštruktúr a formulácií polymérnych systémov s obsahom nanomateriálov. Tu vyvinuté technológie sú potom zúžitkovávané v náterových hmotách, v materiáloch používaných pamiatkarmi a reštaurátormi, v adhezívach, stavebných či elektrotechnických kompozitoch, medzi elektrostatickými ochrannými povlakmi a podobne.11
Rozmanité nanometrické impregnácie na fasády, drevo a drevený nábytok, dlažbu, keramiku, strešné krytiny a ďalšie ponúkajú aj ďalšie české spoločnosti, ako je ISOKOR Bohemia a NANOBALA, ktorých produkty slúžia k zušľachoťovaniu rôznych materiálov vrátane textilu, kameňa, dreva, papiera a skla. Vďaka pevnému naviazaniu nanočastíc získavajú ošetrené povrchy hydrofóbne vlastnosti a zároveň zostávajú priedušné.
Textílie
V tuzemsku je rozšírená aj priemyslová výroba netkaných nanotextilií. Z českých spoločností patrí k najznámejším nanoSPACE so svoji portfóliom antialergénnych podušiek, prikrývok a povlakov či respirátorov, rúšok a antivírusových šatiek vybavených nanovlákennou membránou alebo skupina Fibertex, ktorej filtračné a bariérové netkané nanotextílie, vyrábané na linke využívajúce mnoho polymérov, je možné prispôsobiť širokej škále aplikácii (napríklad filtráciu kvapalín a vzduchu).2
Stavba
Z hrubých stavebných materiálov je potrebné spomenúť recyklovaný betón Rebetong. Do základnej zmesi cementu a recyklovaného kameniva sa pridáva špeciálny nanomateriál, vďaka ktorému zmes lepšie drží pokope. A čo je zásadné – výsledný produkt má takmer rovnaké vlastnosti ako klasický betón.
Svetlo
Na záver sme si ponechali spoločnosť IQS NANOPTIQS využívajúca nanoštruktúry k ohybu svetelných lúčov. Momentálne sa zameriava na využitie optických nanoštruktúr k precíznemu smerovaniu svetelných zväzkov pre osvetľovaciu techniku s LED zdrojmi. Správnym rozprestrením svetla v priestore je možné dosiahnuť nielen značnej úspory energie, ale tiež zvýšiť kvalitu osvetlenia.12
To a oveľa viac
V článku nie je možné spomenúť všetky české úspechy na poli nanotechnológii, zamerali sme sa predovšetkým na stavebnú scénu a s ňou súvisiace materiály. Veľa ďalšieho sa však deje tiež vo výskume poľnohospodárskych či biomedicínskych aplikácií nanomateriálov. Objavujú sa nanoprodukty v podobe nanokatalyzátorov, hnojív, na brnenskej Mendelovej univerzite sú vyvíjané nanomateriály na báze selénu a iných kovov a polokovov či biomakromolekulárne materiály ako alternatívy antibiotík v poľnohospodárskej praxi. V medicíne sa usiluje o to, aby nanomateriály nahradili doposiaľ nevyhnutné vzácne kovy. Je tiež známe zariadenie na zvlákňovanie kyseliny hyalurónovej či iných biopolymérov (od spoločnosti Contipro), ktorých produkty zefektívňujú proces hojenia rán, alebo rozmanité nanokompozity s antibakteriálnymi vlastnosťami. Dokladom toho je aj produkt GCA ANTIVIR – antibakteriálny a antivírusový nanopolymér od českej firmy HF servis.
Zdroje:
1 https://www.bozpinfo.cz/nanotechnologie-vyuzivajici-nanomaterialy
2 https://www.nanospace.cz/blog/co-je-nanovlakno/
3 https://e-news.cz/rozhovory/jakub-cipra-nanotechnologie-jsou-nastrojem-kontroly-nad-hmotou/
4 https://tuni.tul.cz/rubriky/univerzita/id:17590/cesky-vynalez-nanospider-je-pet-let-na-trhu
5 https://cnt.vsb.cz/cs/veda-a-vyzkum/
6 https://fcht.upce.cz/fcht/vyzkum-nanomaterialu-pro-medicinu-i-kosmicky-prumysl
7 https://www.fce.vutbr.cz/veda-a-vyzkum/uspechy/vyzkumnici-z-ustavu-technologie-hmot-a-stavebnich-dilcu-na-svetove-konferenci-o-pokrocilych-materialech-a-nanotechnologiich-ve-valencii-183
8 https://www.art-carbon.cz/
9 https://www.asio.cz/cz/361.aplikace-nanotechnologii-ve-vodnim-hospodarstvi
10 https://www.nano4people.cz/
11 https://www.synpo.cz/vyzkum-centrum-nanostrukturovanych-materialu
12 https://www.nanoptiqs.com/
Dalšie zdroje:
www.fibertex.com
https://www.catrin.com/cs/aktuality/novy-nanomaterial-umozni-levnejsi-vyrobu-leciv-a-chemikalii-pripomina-povrch-marsu/
https://cenab.ujep.cz/cs/zamereni-vyzkumu/
https://www.uceeb.cz/cz/nanomaterialy/
https://www.mff.cuni.cz/cs/kmf/vyzkum/funkcni-nanomaterialy-a-nanostruktury
https://projekt-nanobio.cz/
