Česko je nano

Mezi nanotechnologické velmoci patří i přes svou malou velikost také Česká republika. Mnozí tuzemští výzkumníci z akademické sféry i výrobní společnosti zabývající se oblastí aplikovaného použití nanovláken patří ve svém oboru ke světové špičce a mohou se pochlubit nespočtem úspěchů. V článku nabízíme výběr těch nejzajímavějších.

První zmínky o nanovláknech jsou známy již z rukopisů britského fyzika Ch. V. Boyse, kolem roku 1900 pak byla dokonce podána žádost na patent na elektrostatické zvlákňování (W. J. Mortonem a J. F. Cooleym). O technologii výroby nanovláken zvané elektrohydrodynamické tryskání se v odborné literatuře (v díle Čechoameričana Johna Zeleného z Michiganské univerzity) objevují zmínky okolo roku 1914. Za oficiální počátek úvah o nanotechnologiích je však považována přednáška amerického teoretického fyzika Richarda Phillipse Feynmana přednesená v roce 1959. Feynmann se na ní s posluchači podělil o svou vizi o budoucím využití a cíleném kontrolování atomů a elementárních částic člověkem.

V následujících desetiletích opravdu došlo k výraznému rozvoji výzkumu nanoobjektů, přičemž název „nanotechnologie“ přinesl v roce 1974 japonský vědec Norio Tamaguči. Pánové Gerd Binning a Heinrich Rohrer následně v roce 1981 vytvořili skenující tunelový mikroskop zobrazující i jednotlivé atomy. S reálnými nanomateriály se pak experientovalo od 90. let, a to zejména díky K. Ericovi Drexlerovi, který je autorem myšlenky nanotechnologické revoluce. Ve svých publikacích popsal svět miniaturních umělých systémů o velikosti pohybující se na molekulární úrovni. Již v roce 1993 byly světu představeny první nanodráty, roku 1998 došlo na univerzitě v nizozemském Delftu k sestrojení tranzistoru z uhlíkových nanotrubic (ty jsou 50 tisíckrát tenčí než lidský vlas)… Až na přelomu 20. a 21. století ale dosáhly technologie takové úrovně, která umožnila vyrábět nanovlákna nejen v laboratorním, ale i v průmyslovém měřítku. Světový trh nanovláken roste nyní ročně o 40 i více procent.

V roce 1998 došlo na univerzitě v nizozemském Delftu k sestrojení tranzistoru z uhlíkových nanotrubic. Foto: Frank Cornelissen

Unikátní vlastnosti nanomateriálů

Nanotechnologie využívají nanomateriály, které jsou složeny z nanovláken o extrémně malých rozměrech. Jde o přírodní materiály (pyl, sopečný popel apod.), vedlejší produkty (výfukové plyny automobilů) či účelové výrobky (nanovlákna). V doporučení Evropské komise je materiál definován jako „přírodní materiál, materiál vzniklý jako vedlejší produkt nebo materiál obsahující částice v nesloučeném stavu nebo jako agregát či aglomerát, ve kterém je u 50 procent nebo více částic ve velikostním rozdělení jeden nebo dva vnější rozměry v rozmezí velikosti 1–100 nm“. Právě na malou velikost částic jsou totiž vázané specifické vlastnosti a chování výsledných materiálů. Většina molekul a atomů nanomateriálů je umístěno na povrchu makroskopických materiálů, což je podněcuje k růstu jejich povrchové reaktivity (přirozená snaha částic o stabilizaci), čímž dochází ke krystalografickým změnám. Uplatňuje se zde kvantová povaha hmoty s důsledkem v podobě změny vlastností nanorozměrných materiálů při stejném chemickém složení jako mají klasické makromateriály.¹

Víte, že sopečný popel je jedním z přírodních nanomateriálů? Foto: es3n

K základním vlastnostem nanovlákenných materiálů řadíme vysokou pórovitost, velký objem póru, nízkou hustotu, dobrou prodyšnost, velký měrný povrch a možnost adice (tvoření chemické vazby) s jinými molekulami.² „Lze říct, že nanostrukturovaný objekt má významně větší povrch, při stejném celkovém objemu je podstatně lehčí, ale od běžných materiálů se liší i v řadě jiných vlastností. Například může jinak interagovat se světlem, mít jinou barvu, mít i jiné mechanické vlastnosti. Když dokážeme rozměry a tvar jednotlivých nanočástic řídit, můžeme dosáhnout širokého spektra velmi zajímavých vlastností. A když navíc dokážeme nanočástice v objemu vhodně uspořádat, můžeme tyto vlastnosti ještě významně zesílit,“ řekl pro Ekonomický magazín Jakup Cipra, CEO a jednatel společnosti IQS NANOPTIQS.³ Může jít například o supraparamagnetismus u nano-Fe₂O₃, fotoluminiscenci a fluorescenci u kvantových a uhlíkových teček, o změnu barvy u nano-Au, o extrémní elasticitu, pevnost v tahu a tvrdost u grafenu, o reaktivitu inertních materiálů nano-TiO₂, lepší elektrickou vodivost, fotokatalytické vlastnosti, změny teploty bodu tání a další.

Výroba a využití nanovláken

Nanovlákna lze vyrobit mnoha způsoby, například:

• odstředivým zvlákňováním,
• foukáním taveniny (melt blown),
• elektrostatickým zvlákňováním (nejčastější způsob),
• dloužením,
• fázovou separací,
• tlakovým zvlákňováním,
• hydrotermálně.

Ne všechny tyto metody jsou však průmyslově realizovatelné. K nejmodernější pak patří technologie kombinující elektrostatické, odstředivé a tlakové zvlákňování. Umožňuje to kupříkladu zařízení vyvinuté českou společností NanoSPACE Technology.²

Nejčastějším způsobem výroby nanovláken je takzvané elektrostatické zvlákňování. Foto: MAOIKO

Díky svým unikátním vlastnostem nanovlákna nacházejí široké uplatnění v průmyslu. Jsou využívána jako součást filtrů, stavebních izolací, zvukotěsnicích materiálů, akumulátorů, využívána jsou v chemické katalýze, fotokatalýze i elektrochemii, jako adsorbenty, membrány, senzory, optické, samočisticí či ochranné materiály. Velmi vážené jsou vedle stavebnictví a strojírenství také ve zdravotnictví či v oborech zabývajících se ochranou životního prostředí.

V Česku, konkrétně v Brně, je pravidelně organizována odborníky vyhledávaná mezinárodní konference NANOCON zaměřená na nanomateriály, na jejich výzkum, aplikace a potenciální vliv na životní prostředí a zdraví lidí. Letos proběhl již její 14. ročník.

Výzkum a vývoj nanomateriálů a možností jejich rozvoje a využití probíhá na většině českých technických univerzit. Foto: Gorodenkoff

Výzkum technických aplikací nanotechnologií

Bádání nad nanomateriály a možnostmi jejich rozvoje a využití probíhá na většině českých technických univerzit i v mnoha výrobních společnostech. Největší úspěchy vykazuje již deset let fungující Ústav pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace neboli CXI (je součástí Technické univerzity v Liberci). Zdejší tým profesora Oldřicha Jirsáka před lety objevil tehdy nevídaný technologický postup průmyslové výroby polymerních nanovláken. Revoluční nové zařízení bylo nazváno jako NanospiderTM a jde o stroj (později celou výrobní linku) na hromadnou produkci anorganických i organických nanovláken a netkaných textilií, které jsou schopny filtrovat vodu i vzduch a nacházejí uplatnění v medicíně, v energetice i v ochraně životního prostředí. Technologie fungující na bázi zvlákňování polymerů získala díky zakladateli firmy Elmarco Ladislavu Marešovi také komerční rozměr.⁴

Největší úspěchy v oblasti českého výzkumu nanomateriálů vykazuje Ústav pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace neboli CXI, který je součástí Technické univerzity v Liberci.Foto: Photelling Images

Nanotechnologie jsou také předmětem zkoumání Centra nanotechnologií (CNT) vysokoškolského ústavu Centra energetických a environmentálních technologií (CEET) na Vysoké škole báňské - Technické univerzitě. Jsou zde využívány pro přípravu multifunkčních a vodivých polymerních nanokompozitů, nanokompozitů pro skladování energie (např. Li-on baterií), biosenzorů, systémů pro dodávání léčiv, antimikrobiálních materiálů a nátěrů. V úzké spolupráci s dalšími ústavy vyvinulo CNT i metody odstraňování nebezpečných organických a anorganických látek z životního prostředí na základě vysoce účinných sorpčních procesů s použitím kolon s pevným ložem nebo katalytických a fotokatalytických procesů.⁵

Stranou nestojí ani pražské instituce, jmenovitě Katedra fyziky FEL ČVUT, na níž probíhá výzkum nanočástic (nanodiamantů, nanozlata) a dalších nanomateriálů (grafénu či grafénoxidu) zejména s ohledem na jejich elektrofyzikální interakce s organickými molekulami a světlem, nebo Univerzitní centrum energeticky efektivních budov ČVUT (UCEEB), kde vyvíjejí nové nanomateriály pro biomedicínské či technické účely a zabývají se nosiči na bázi nanovláken.

Na Univerzitě Pardubice, Fakulta chemicko-technologická, byly před lety zahájeny dva projekty zaměřené na přípravu, popis a využití nanomateriálů v praxi. První z nich – NANOBIO – je společným multioborovým počinem špičkových výzkumných pracovišť Pardubického a Královehradeckého kraje, jehož cílem je testování toxicity a biokompatibility nanomateriálů určených pro biomedicínské aplikace (včetně jejich vlivu na lidský organismus) i vývoj nových perspektivních nanomateriálů. Druhým projektem probíhajícím na pardubicku je NANOMAT zabývající se výzkumem polymerních nanomateriálů s jedinečnými termochemickými vlastnostmi, mimořádnou citlivostí a rychlou odezvou, jež by mohly umožnit kupříkladu vznik kompozitních čidel mechanického namáhání a scintilačních detektorů pro konverzi vysokoenergetického neutronového a gama záření, vývoj nanostrukturovaných polymerních aerogelů s nízkou hustotou pro kosmické aplikace nebo vývoj nanostrukturované polymerní pěny s nízkou tepelnou vodivostí pro tepelněizolační účely.⁶

Výsledky svého výzkumu zaměřeného na vodivé malty nedávno prezentovali také zástupci Ústavu technologie hmot a stavebních dílců (Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební). Na konferenci World Conference on Advanced Materials, Nanoscience and Nanotechnology 2022 ve Valencii ve Španělsku představili unikátní materiály, jež bude v budoucnu možné využívat například pro vyhřívání příjezdových cest, jako ochranu před přepětím nebo při monitoringu vlastností stavebních konstrukcí.⁷

Nanopovrch v interiéru

Mezi materiály 3. tisíciletí zajisté patří nejnovější nábytkové a plošné materiály T.BOARD, GLAXX či FENIXX, se kterými jsme se měli možnost blíže seznámit na tiskové konferenci…

Komerční sféra

Na vývoji nanotechnologických produktů se podílí také mnohé české soukromé společnosti, jejichž produkty jsou běžně dostupné a uznávané na českých i světových trzích. Nanomateriály přitom nacházejí uplatnění v široké škále aplikací, přičemž ponejvíce je lze zaznamenat v oblasti textilií a nátěrových hmot. Pozadu nezůstávají ani výrobci filtračních a bariérových produktů, betonu, či dokonce osvětlovací techniky. Vezmeme si to ale popořadě:

Filtrace a čištění vod

První z českých firem, které jsme se rozhodli pro jejich dlouholetou tradici a úspěchy na poli objevování nanomateriálů jmenovat, je ART CARBON. Ta aplikovala nanovlákna do vodovodních filtrů a využila je v procesu čištění vod. Technologii, již je možné využít k terciálnímu dočišťování pitných vod v obcích, do poddřezových systémů v domácnostech či k recyklaci použité bazénové vody, založila na adsorbentu z uhlíkových nanotrubic. Ty dovedou z protékající vody odstranit široké spektrum organických látek i ve velmi malých koncentracích.⁸

Podobně postupuje i společnost ASIO zabývající se aplikací nanovlákenných struktur do filtrace vody a pro čištění pitných i odpadních vod využívá pokročilé nanomateriály. Membránová nanofiltrace přitom slouží k odstraňování mikropolutantů a přírodní organické hmoty, ke změkčování vody i k účelům desalinace mořské vody a k její úpravě na pitnou vodu. Zařízení na nanofiltraci tohoto výrobce (zvané FMX) je založeno na využití Kármánova víru pro snížení zanášení membrán. Hlavní spektrum aplikace není založeno na čištění vody, ale především na získávání a zakoncentrování cenných surovin (nanostříbra nebo nanotrubek) v odpadní vodě.⁹

Ekologická výroba fotovoltaiky v Evropě je díky českým vědcům na dosah

Tři pilotní linky, které pokrývají celý výrobní cyklus inovativních křemíkových solárních panelů, vzniknou do roku 2025 v Europě díky projektu PILATUS. Speciální technologie s…

Nátěry a impregnace

Českému segmentu nanonátěrů, laků a povlakových hmot dominuje několik společností. Jednou z nic je i Nano4people, jež se podílí na vývoji a realizaci multifunkčních fotokatalytických nátěrů. Tyto nátěry za pomoci nanotechnologie a světla dokážou likvidovat viry, bakterie, spory, plísně, pachy, a dokonce čistit vzduch. Klíčem technologie jejímž prostřednictvím dochází k zachytávání toxických látek, je čistý oxid titaničitý, silný katalyzátor urychlující fotokatylytický proces. Nanokrystaly TiO₂ absorbují energii UV záření a urychlují tak reakci mezi kyslíkem a škodlivými mikroby ve vzduchu. Výsledkem je, že molekuly všech organických látek jsou rozloženy na neškodné stopové prvky. Tento nátěr také odráží sluneční záření, čímž podle výrobce ochlazuje budovy až o 30 %.¹⁰

Nadějný výzkum probíhá též v akreditovaných laboratořích pardubické firmy Synpo, která se mimo jiné zaobírá vývojem a analýzami speciálních typů polymerních pojiv, modifikátorů povrchu nanostruktur a formulací polymerních systémů s obsahem nanomateriálů. Zde vyvinuté technologie jsou pak zužitkovávány v nátěrových hmotách, v materiálech užívaných památkáři a restaurátory, v adhezivech, stavebních či elektrotechnických kompozitech, mezi elektrostatickými ochrannými povlaky a podobně.¹¹

V Česku se hojně rozvíjí také sféra nanonátěrů, laků a povlakových hmot. Foto: Axtem

Rozmanité nanometrické impregnace na fasády, dřevo a dřevěný nábytek, dlažbu, keramiku, střešní krytiny a další nabízí též další české společnosti, jako je ISOKOR Bohemia a NANOBALA, jejichž produkty slouží k zušlechťování různých materiálů včetně textilu, kamene, dřeva, papíru a skla. Díky pevnému navázání nanočástic získávají ošetřené povrchy hydrofobní vlastnosti a zároveň zůstávají prodyšné.

Textilie

Rozšířená je v tuzemsku také průmyslová výroba netkaných nanotextilií. Z českých společností patří k nejznámějším nanoSPACE se svým portfoliem antialergenních polštářů přikrývek a povlaků či respirátorů, roušek a antivirovách šátků opatřených nanovlákennou membránou nebo skupina Fibertex, jejíž filtrační a bariérové netkané nanotextilie, vyráběné na lince využívající řadu polymerů, lze přizpůsobit široké škále aplikací (například filtraci kapalin a vzduchu).²

V tuzemsku je rozšířená rovněž průmyslová výroba nanotextilií. Foto: Wolfgang Hauke

Stavba

Z hrubých stavebních materiálů je nutno zmínit recyklovaný beton Rebetong. Do základní směsi cementu a recyklovaného kameniva se přidává speciální nanomateriál, díky němuž směs lépe drží pohromadě. A co je zásadní – výsledný produkt má téměř stejné vlastnosti jako klasický beton.

Do recyklovaného betonu Rebetong se přidává nanomateriál, který drží směs pohromadě. Foto: archiv Skanska

Světlo

Na závěr jsme si ponechali společnost IQS NANOPTIQS využívající nanostruktury k ohybu světelných paprsků. Momentálně se zaměřuje na využití optických nanostruktur k preciznímu směrování světelných svazků pro osvětlovací techniku s LED zdroji. Správným rozprostřením světla v prostoru lze dosáhnout nejenom značné úspory energie, ale také zvýšit kvalitu osvětlení.¹²

To a mnohem více

V článku nelze zmínit veškeré české úspěchy na poli nanotechnologií, zaměřili jsme se především na stavební scénu a s ní související materiály. Mnoho dalšího se však děje také ve výzkumu zemědělských či biomedicínských aplikací nanomateriálů. Objevují se nanoprodukty v podobě nanokatalyzátorů, chytrých hnojiv, na brněnské Mendelově univerzitě jsou vyvíjeny nanomateriály na bázi selenu i jiných kovů a polokovů či biomakromolekulární materiály jako alternativy antibiotik v zemědělské praxi. V medicíně se usiluje o to, aby nanomateriály nahradily doposud nezbytné vzácné kovy. Známo je též zařízení na zvlákňování kyseliny hyaluronové či jiných biopolymerů (od společnosti Contipro), jehož produkty zefektivňují proces hojení ran, nebo rozmanité nanokompozity s antibakteriálními vlastnostmi. Dokladem toho je i produkt GCA ANTIVIR – antibakteriální a antivirový nanopolymer od české 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/

Další 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/

Autor: Bc. Helena Široká

Foto: Shutterstock, Skanska

výzkum kompozitní materiály nanotechnologie

Přečtěte si také

• Jsou betony s rozptýlenými mikrovlákny materiálem budoucnosti?
• Nové technologie ve výrobě fotovoltaických článků
• Digitální fotogrammetrie a drony ve stavebnictví