S nanomateriály se dnes setkáváme v průmyslu textilním, kosmetickém, potravinářském i automobilovém, ve stavebnictví, zdravotnictví… Jedná se o látky, u kterých alespoň jeden z externích rozměrů nepřesahuje 100 nanometrů, přičemž nanometr odpovídá jedné milióntině milimetru. Ve svých výzkumech se jimi zabývá i vedoucí Ústavu fyziky Fakulty strojní ČVUT v Praze Ing. Petr Vlčák, Ph. D.
Nanolátky prý – mimo jiné – lépe odolávají zápachu a odpuzují nečistoty, v zubních pastách pomohou při bělení zubů, opalovacím krémům zvýší účinnost UV filtru, Li-on bateriím do elektromobilů zase výkonnost, zvýší i přilnavost pneumatik k vozovce či odolnost autolaků… Už i v myčce aut jsem se setkala s nanoprogramem. Co dodává nanolátkám všechny ty vynikající vlastnosti?
Zajímavost veškerého „nano“ spočívá v tom, že látky s nanorozměry se chovají jinak, než stejné látky větších rozměrů. Například když si vezmete ferritový nanoprášek, bude se chovat jinak, než stejný prášek s částicemi běžných rozměrů. Ferit na vzduchu okamžitě oxiduje a zkoroduje. Jeho nanoprášek však na vzduchu samovolně shoří. Právě odlišnosti ve fyzikálně-chemických vlastnostech činní látky v nanoměřítku velmi atraktivní v mnoha oborech lidské činnosti. S ohledem na aplikace je lze rozdělit do několika generací. Uživatelsky zajímavé jsou pasivní a aktivní nanomateriály. Běžně se můžeme setkávat s výrobky s pasivními nanostrukturami, jako jsou například nanočástice, nanopovlaky a nanostrukturované materiály a kompozity na bázi kovů, keramiky a polymerů, jejichž vlastnosti a dopady na funkci jsou v čase stabilní.
Můžete uvést nějaké příklady takových výrobků?
Vezměme například keramiku, která je obecně velice tvrdá. U keramických implantátů je ale z toho plynoucí vysoké tření nežádoucí, protože zuby a klouby pak skřípají, i když jinak představuje keramika materiál opravdu odolný a inertní, takže se do těla v některých případech velice hodí. Implantací vhodného prvku do keramického materiálu ale dojde k rozrušení vazeb a k jeho změkčení v tenoučké vrstvě, zatímco ostatní vlastnosti podkladu zůstanou. Na rozdíl od kovů, kde je žádoucí vytvrzení materiálu, jehož povrch se implantací iontů stává naopak odolnějším, což může několikanásobně prodloužit třeba životnost obráběcích nástrojů. Využíváme k tomu implantaci dusíkových iontů s energiemi desítky kiloelektronvoltů. Máme i zařízení pracující s ionty s nízkými energiemi do jednoho kiloelektronvoltu, ale to využíváme na jiné účely než na implantaci, protože vlastnosti materiálu, ovlivněné ionty s takto malou energií, by se speciálně v běžných podmínkách klasického strojírenství neprojevily v dostatečné míře.
A příklady aktivních nanomateriálů?
Ty jsou velice perspektivní. Sem patří například nosiče léčiv, umělé tkáně, součástky chytré nanoelektroniky… Typické pro ně je, že jsou schopné své vlastnosti a z toho plynoucí funkci v čase měnit. Jedná se většinou o nanostrukturované materiály se složitou architekturou, jako jsou například nanokompozity s piezoelektrickými nanočásticemi oxidu zinečnatého v polymerní matrici pro aktivní regeneraci nervových tkání. Ultrazvukem je možné opakovaně vyvolat mechanickou deformaci nanočástic oxidu zinečnatého, který následně elektrickým stimulem vytváří prostředí pro intenzivní regeneraci nervové tkáně. Takovýto nanomateriál tedy může plnit jak funkci mechanickou v podobě chybějící nosné tkáně tak funkci terapeutickou pro regeneraci nervové tkáně.
Čím se z toho všeho zabývá váš výzkum?
Výzkumná skupina, kterou vedu, se zabývá nanopovrchy. Nejde o výzkum v historii Fakulty strojní nijak starý, protože v minulosti tu chybělo potřebné technické vybavení, za minulého režimu se dbalo spíše na výuku fyziky. Výzkum tady začal, až když do ústavu přišli zaměstnanci orientovaní více prakticky. S ohledem na jejich odborné zaměření a na možnosti přístrojového vybavení se u nás vyvinul výzkum nanotechnologií z pohledu povrchů a jejich modifikací iontovými svazky. V souladu s vývojovými trendy v oblasti nanotechnologií se u nás rozrostlo i vytváření tenkých vrstev a nanostrukturovaných povlaků, které mají technicky zajímavé vlastnosti, jako je nízký koeficient tření, vysoká odolnost proti korozi a opotřebení nebo speciální optické vlastnosti. A když takový nanomateriál vytvoříme v povrchu nebo ho na povrch naneseme, je schopen propůjčit své vlastnosti povrchu podkladového materiálu.
Řekl jste „vrstva a povlak“. Není to tedy jedno a totéž?
Povlak je pro nás na povrch součásti nanesená vrstva materiálu, která je natolik tlustá, že se uplatňují převážně vlastnosti povlaku. Zatímco vrstva sama o sobě může znamenat jen ovlivněnou vrstvu povrchové oblasti modifikovaného materiálu, jehož součástí se stává. Vlastnosti vrstev jsou pak podstatným způsobem ovlivňovány přechodovou oblastí a základním materiálem. My se zabýváme vytvářením takových vrstev, a to obohacováním základního materiálu technicky významným prvkem pomocí iontové implantace. Následně tak může dojít například k vytvrzení materiálu nebo naopak k jeho změkčení apod.
Dají se implantovat i jiné prvky než dusík?
Dají, ale v technické praxi má jedno z největších využití právě nitridace, a iontová implantace dusíku je nekonvenční, moderní forma nitridace, prováděná na úrovni kinetické interakce urychlených iontů s atomy základního materiálu. Díky tomu se při tvorbě nitridů projevují procesy, které se při klasické nitridaci neprojeví, což má v mnoha případech velice zajímavý efekt. Největším konkurentem nitridace obecně je nanášení nitridu titanu, což je nejběžnější povlak a zároveň jeden z nejstarších. Mohlo by se zdát, že byl překonán nezadržitelným vývojem, protože existují daleko vyspělejší povlaky. Přesto tento základní typ je aktuální a v rámci materiálových inovací probíhá i výzkum jeho vylepšených vlastností. Ale implantováním dusíku například do titanu a titanových slitin, nevytváříme na povrchu materiálu povlak; ten by mohl mít špatné adhezní vlastnosti a mohl by na součástce časem odprýsknout. Implantací iontů vytváříme místo povlaku ovlivněnou oblast, která je součástí daného materiálu. Využívá se toho například při vytvrzování forem lisů, v zařízeních pro přesnou a jemnou optiku, pro zlepšení povrchových vlastností chirurgických implantátů, ale i skalpelů atd.
Na stránkách fakulty se o vašem ústavu píše, že oč menší jste, o to větší vědecko-výzkumné výsledky máte…
Obecně cítím nedůvěru ke statistikám, protože s údaji lze snadno manipulovat, a taky bych chtěl být soudný a pokorný ve sdělování informací. Je ale pravda, že nejen výsledky vědecko-výzkumné, ale i výkony pedagogické máme poměrně vysoké, protože fyzika je základ techniky, takže my vyučujeme fyziku pro všechny obory, které na fakultě jsou. Naší výukou díky tomu projdou i ti, kdo školu nedokončí. Pokud by tedy došlo k přepočtu na pracovníka, budeme jedni z nejaktivnějších.
Ačkoli jste škola, většina ústavů fakulty zároveň spolupracuje s různými firmami a vyvíjí tak i určitou komerční činnost…
Jsme na technické škole, probíhá tady výzkum, aplikovaný výzkum a komercionalizace výsledků výzkumu, kterým vy říkáte komerční činnost, i když já se tomu slovu bráním. My, jak už jsem řekl, zajišťujeme základní výuku, na které ostatní ústavy staví další specializace. Kromě toho máme i doktorský program a teď se po akreditaci budeme podílet i na navazujícím magisterském studiu, což jsme dosud neměli. Máme proto relativně dál k aplikovanému výzkumu a k firmám, které chtějí řešit rychle konkrétní úkol – na rozdíl od jiných ústavů, zabývajících se více aplikovaným výzkumem. Některé z nich pak ale zase na rozdíl od nás mají problém s objemem základního výzkumu. Přesto i na našem ústavu jsou zastoupeny všechny tři zmíněné aktivity. Ve spolupráci s firmami jsme aktuálně řešili návrh vhodného povlakovacího zařízení nebo například kalibraci senzorů a membrán.
Dá se nějak vyjádřit potenciál nanotechnologií do budoucna?
Nanotechnologie je jeden z oborů, který má neobyčejnou šíři. My se jí zabýváme jen z velice úzkého segmentu, ale nanotechnologie jsou dnes obsažené prakticky všude. Leccos už jsem zmínil, nanoprášky možná vnesou nové možnosti i do oblasti 3D tisku nebo biomedicíny… Velký potenciál do budoucna mají aktivní nanostruktury například v podobě nosičů léků, jejich zásadní objevy se ale teprve očekávají. A víte, že nanočástice se používají i v potravinách? Třeba oxid křemičitý SiO2 se používá v mnoha u nás prodávaných potravinách, které pak nesou na etiketě označení E551. Tato protispékavá látka pohlcuje vodu a je například součástí prášku do pečiva, sypkého koření, jedlé soli, kapučína a dalších.
Říkáte v potravinách… Může to být nebezpečné?
Nanomateriály a nanotechnologie jsou jedním z nejrychleji se rozvíjejících oborů. Rychlost, s jakou se nanomateriály vyvíjejí od laboratorních konceptů po využití ve výrobcích, je nebývale velká. Řada vlastností není dosud známa stejně jako dopady na zdravotní stav z pohledu dlouhodobého působení. I z těchto důvodů v současné době neexistuje potřebná legislativa, která by se týkala bezpečnosti v oblasti nanotechnologií a manipulace s nanomateriály. Proto je zachováván princip předběžné opatrnosti, v rámci kterého jsou očekávána možná negativa vždy a provedena všechna opatření pro eliminaci rizik. Bezpečnosti a rizikům se celosvětově věnují různé organizace jako např. Environmental Protection Agency of the United States of America (US-EPA), Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD) a Food Standard Agency (FSA).
