Jíly nejen v optoelektronice a farmacii

Jílové minerály mají pozoruhodnou schopnost přijímat do své vlastní krystalové struktury velké organické molekuly, polymery nebo velké komplexní ionty. Tak vznikají umělé struktury se zajímavými fyzikálními a chemickými vlastnostmi, které lze navíc doladit podle potřeby. Další neméně významnou předností jílových minerálů je jejich nízká cena ve srovnání s cenou jiných látkek obdobných vlastností.

Jílové minerály provázejí člověka už od úsvitu historie a rozsah jejich průmyslového využití je úctyhodně široký. Kromě keramiky a stavebnictví se uplatňují v papírenství, gumárenství, při výrobě plastů, ve farmacii či kosmetice. Množství způsobů jejich využití přesahuje stovku, nejnovější trendy však lze soustředit do čtyř proudů: selektivní sorbenty a katalyzátory, léčiva, nové prvky pro optoelektroniku, nové konstrukční materiály.

Uplatnění jílů v optoelektronice umožní interkalace, která je základem všech zmíněných trendů využití. Jde o modifikaci struktury, při níž se do vhodné hostitelské struktury vpraví atomy, molekuly nebo komplexní ionty jiné látky – hosta (viz Vesmír 78, 197, 1999/4). Cílem obměny struktury je změna fyzikálních a chemických vlastností. Právě jílové minerály (jinak též vrstevnaté silikáty) jsou vhodnou hostitelskou strukturou pro interkalaci, jsou totiž vrstevnaté (viz obrázek).

Zatímco v přírodních jílech jsou v mezivrstevním prostoru kationty kovů a proměnlivý obsah vody, v interkalovaných jílech je mezivrstevní prostor vyplněn molekulami, resp. komplexními ionty hosta (interkalantu). Interkalační reakce probíhají podle druhu výplně při pokojových či vyšších teplotách a při normálních či vyšších tlacích, popřípadě v mikrovlnném poli. Do hostitelské struktury, která je v pevné fázi, difundují molekuly hosta z roztoku nebo z plynné fáze. Fyzikální a chemické vlastnosti výsledného produktu (interkalátu ) se řídí koncentrací a druhem hosta, a zejména vhodnou kombinací hosta a hostitele. Proto by interkalace mohla přispět k vývoji nových materiálů s požadovanými mimořádnými vlastnostmi.

Uplatnění jílových minerálů

Selektivní sorbenty. Vývoj selektivních sorbentů (tj. látek zachycujících jen určitý typ nečistot) a katalyzátorů je založen na interkalaci velkých komplexních kationtů v mezivrstevním prostoru silikátů (obrázek). Tyto kationty působí v mezivrství jako pilíře a mezi nimi vznikají dutiny vhodné pro sorpci velkých organických molekul, např. nečistot z vodního prostředí, jako jsou polychlorované bifenyly či aromatické uhlovodíky. Které látky bude sorbent pohlcovat, je v podstatě dáno rozměry interkalovaného celku. Je však třeba kontrolovat poréznost v mezivrstevním prostoru, to znamená pravidelnou síť kanálů (existuje např. v zeolitech, viz obr. ve Vesmíru 78, 197, 1999/4).

Léčiva. Interkalace biochemicky účinné látky do mezivrstevního prostoru v krystalové struktuře jílových minerálů má dva významné důsledky: jednak se interkalovaná účinná látka z hostitelské struktury jílu uvolňuje pozvolna, čímž je zajištěn její rovnoměrný přísun, jednak s vyšší biologickou aktivitou vzrůstá terapeutická účinnost. Je známo, že biologická aktivita velkých organických molekul závisí na jejich konformaci, tj. na vzájemné orientaci jejich jednotlivých součástí. A právě jejich vzájemnou orientaci lze příznivě ovlivnit ukotvením organických molekul na silikátovou vrstvu hostitelské struktury jílu. V řadě případů byla skutečně zjištěna zvýšená účinnost některých vakcín a dalších biochemicky aktivních látek poté, co byly interkalovány do jílových minerálů.

Jíly v optoelektronice. Také elektronové vlastnosti molekul a molekulárních systémů citlivě reagují na změnu struktury molekul (konformace), při níž se mění orientace a poloha jednotlivých součástí molekuly. Strukturu organických molekul lze ovlivnit vnějším silovým polem. Při interkalaci do vrstevnaté struktury se molekuly ukotví k vrstvám a vzájemné působení mezi hostem a hostitelem i mezi jednotlivými hosty může mít vliv na strukturu (konformaci) interkalovaných molekul, a tudíž i na elektronové vlastnosti interkalátu.

Silikátové vrstvy ve struktuře jílových minerálů mohou sloužit jako nosiče opticky aktivních látek. Opticky aktivní organické molekuly interkalované do jílových minerálů se ukotví na silikátové vrstvě a vytvoří v mezivrství organizovaný uspořádaný dvoudimenzionální supramolekulární systém. Fotofyzikální a fotochemické vlastnosti tohoto organizovaného systému se mohou oproti původní látce podstatně zvýraznit. Tak je možné vytvořit supramolekulární systém fotoluminiscenční, fotochromní nebo vykazující nelineární optické efekty. Navíc fotofunkce interkalovaných jílů je možné řídit vhodnou kombinací hosta a hostitele. Tyto materiály jsou pro optoelektronické aplikace neobyčejně zajímavé, což si uvědomují zejména badatelé v Japonsku.

Nanokompozity. Dalším aktuálním trendem v materiálovém výzkumu ¹⁾ jsou polymerní nanokompozity s jílovými minerály. Kompozitní materiál je složen z více složek, které se navzájem doplňují a společně vytvářejí fyzikální vlastnosti výsledného produktu. Nanokompozit je kompozit s částicemi o nanometrových rozměrech. Polymerní nanokompozit s jílovým minerálem je složen z jílových částic, které jsou interkalovány polymerními řetězci a obaleny a stmeleny polymerní matricí. Interkalace v těchto případech dosahuje vysokého stupně, a tudíž natolik vzdaluje silikátové vrstvy hostitelské struktury, že nelze mluvit o pravidelné vrstevnaté struktuře, v níž se střídají organické vrstvy interkalantu se silikátovými vrstvami. Výsledný nanokompozit je složen z úplně rozorientovaných silikátových vrstev plovoucích v polymerní matrici. Cílem je dosáhnout co nejlepších mechanických vlastností (pevnosti, tvrdosti, pružnosti a tepelné stability). Perspektivní jsou plastové konstrukční materiály, které budou mít vyšší pevnost, tvrdost, tvarovou stálost, větší tepelnou stabilitu a menší hořlavost.