Neviditelné částice ovládají svět vědy i průmyslu

Velikost nanočástic se vymyká běžným lidským měřítkům. Kdo si umí představit délku, o kterou vyroste nehet za vteřinu, šířku molekuly DNA nebo desetinásobek rozměru vodíkového atomu? Tak se totiž dá poměřovat jejich velikost. O nanočástice a nanovlákna, vedle nichž je pavoučí vlákno tlustým lanem, se zajímají výzkumná centra po celém světě včetně americké NASA.

Proč jsou nanomateriály tak zajímavé a důležité? „Mají specifické vlastnosti, které zatím nedokážeme plně využít. Obrovskou výzvou je možnost široké škály aplikací, které si neumíme plně představit. Podstatné je, abychom zvládli konstrukci strojů a zařízení pro manipulaci s nanočásticemi a nanovlákny a jejich zpracování, neboť klasické mechanické metody zde selhávají,“ vysvětluje rektor Technické univerzity v Liberci profesor Vojtěch Konopa. Ví, o čem mluví – liberecká univerzita dosahuje v této oblasti skvělých výsledků.

Průmyslová výroba nanovláken

Existují i přírodní nanovlákna, například bakteriální celulóza. Vědce však zajímají především nanovlákna syntetická. Celkem běžně se získávají různými způsoby zvlákňování polymerů z jejich roztoků ve vodě nebo v organických rozpouštědlech. Také se činí pokusy získat je z polymerní taveniny. V Liberci se však poprvé na světě podařilo přenést unikátní technologii z laboratoře do průmyslové výroby. Tým katedry netkaných textilií Fakulty textilní Technické univerzity v Liberci pod vedením profesora Oldřicha Jirsáka našel postup pro průmyslovou výrobu textilií tvořených nanovlákny o průměru 50–500 nanometrů. To vzbudilo velký rozruch ve vědeckém světě a otevřelo nebývalé možnosti pro aplikaci nanovlákenných textilií.

Jak se to povedlo?

Při výzkumu možností výroby nanovláken zvolil Oldřich Jirsák se svými spolupracovníky cestu elektrostatického zvlákňování (elektrospinningu): „Tento postup se nám jevil jako nejsnadnější. My jsme ho samozřejmě neobjevili, patentován byl už někdy r. 1934 americkým vědcem A. Formhalsem. Náš přínos je v tom, že umíme nanovlákna průmyslově vyrábět, nikoli jenom připravit v laboratoři. Nejsme schopni je vyrábět jednotlivě, ani žádný stroj s nimi neumí manipulovat. Nanovlákna se musejí už vytvářet ve formě nějaké vrstvy. Výroba probíhá – zjednodušeně řečeno – tak, že se nanovlákna vytvářejí ve zvlákňovací jednotce a v elektrostatickému poli letí k protielektrodě, kde se usazují,“ vysvětluje O. Jirsák. Ve spolupráci s libereckou firmou Elmarco pak univerzitní tým zlepšil patentovaný proces zvlákňování polymerů do nanovláken, a to pro řadu industriálních, chemických, mikroelektronických a biomedikálních aplikací. Objev je chráněn patentem v ČR a mezinárodním patentem PCT.

Vlastnosti a možnosti nanovláken

Nanovlákenný materiál se vyznačuje specifickými geometrickými vlastnostmi, zejména extrémně malým – nanometrovým – průměrem vláken a velkým měrným povrchem. Ve většině aplikací mají vrstvy nanovláken hmotnost jen několika desetin gramu na čtvereční metr. Jemná struktura nanovlákenných textilií dokáže zachytit i velmi jemné částice, jako jsou mikroorganizmy a částečně i viry. Přidáním nanočástic, např. stříbra, do nanovlákenné vrstvy se ničí zachycené bakterie (ve filtrech na vodu), což zvyšuje účinnost filtrů. Stříbro se testuje také u obličejových masek: „Podle testů naše roušky výrazně snižují možnost šíření různých viróz,“ připomíná ředitel Elmarca Ladislav Mareš.

Firma Elmarco vyrobila v roce 2004 funkční prototyp stroje Nanospider a společně s libereckou univerzitou ho představila za velkého zájmu na světových výstavách. Nyní už nabízí funkční výrobní linku, kterou letos na jaře oba partneři předvedli na výstavě v Atlantě i s konkrétními produkty. Linka vyrábí několik druhů materiálů, například zvukově pohltivé textilie, které se uplatní v interiérech aut či v počítačových učebnách, nebo moderní zdravotnické materiály, u nichž už pokusy prokázaly, že díky přísadám brání vzniku infekcí, urychlují hojení a zastavují silné krvácení. Pozitivní je, že brání srůstu orgánů s okolím a vnitřně použitý nanovlákenný materiál se vstřebá bez vedlejších účinků. Velmi nadějně vypadají například hojivé náplasti s nanovlákennou vrstvou, jež byly vyvinuty společně s irskou firmou Alltracel. Neméně důležité jsou nízké výrobní náklady nanotextilií: „Cena produkce se pohybuje v řádech korun za metr čtvereční u jednoduchých aplikací, u biomedicinálních aplikací jsou ceny vyšší,“ konstatuje L. Mareš.

Amerika chce spolupracovat s Libercem

Odbornou veřejnost za oceánem produkty z Liberce doslova nadchly. Z Atlanty přišly konkrétní nabídky na spolupráci. Cornellova univerzita ve státě New York nabídla Technické univerzitě v Liberci spolupráci při dalším výzkumu, nabízí své špičkové přístroje, zejména speciální mikroskopy, kterými lze studovat vnitřní strukturu nanovláken. Nabízí také stipendia pro studenty a stáže pro pedagogy, kteří jsou zdatní v oblasti nanotechnologie. Státní univerzita v Severní Karolíně má zase zájem o dodání laboratorního zařízení NS Lab, které nabízí firma Elmarco. Toto zařízení je určeno zejména pro univerzity a výzkumné instituce, které se zabývají aplikovaným výzkumem a vývojem nanovlákenných materiálů. Typ, který je v současnosti na trhu (NS Lab 200), zpracovává vodou ředitelné polymery. Umožňuje výzkum polymerů pro zdravotnictví, kosmetiku ad. V současné době Elmarco připravuje nabídku vyšší verze přístroje a brzy představí nový „S“ model, který bude univerzální v použití rozpouštědel. Výhodou tohoto laboratorního zařízení je to, že není problém přenést všechny výsledky na něm dosažené do průmyslové výroby.

Nanospider bodoval v Japonsku

Firma Elmarco vystavovala koncem května svůj Nanospider i na asijské výstavě netkaných textilií ANEX 2006 v Tokiu. Také tam vzbudil velkou pozornost a již se rozběhla jednání s potenciálními zákazníky z Japonska a Korejské republiky o dodání laboratorních zvlákňovacích jednotek. Zatím v tajnosti, protože své záměry firmy nezveřejňují: „Většinou se svými klienty podepisujeme smlouvu o nezveřejňování informací. Už samotný fakt, že jednáme s konkrétní firmou, může být totiž pro konkurenci důležitá informace. Všichni zasvěcení vědí hodně o možnostech aplikací a záleží na tom, kdo bude rychlejší,“ říká Ladislav Mareš. Mezi zájemci o zvlákňovací jednotky jsou však i české firmy.

Výzkum zdaleka nekončí

Pozice firmy Elmarco je výjimečná v tom, že podobné zařízení dosud žádná jiná firma nenabízí. Zatím přístroj dodává podnikům, které pak pokračují – často ve spolupráci s libereckou univerzitou – ve vývoji pro konkrétní výrobek. Technická univerzita v Liberci pracuje na vývoji dalšího využití nanovlákenných textilií. „Jsme teprve na začátku. Nanovlákenný materiál představuje zcela novou třídu materiálu, jehož vlastnosti mohou ovlivnit prakticky všechny oblasti lidské činnosti, včetně tkáňového inženýrství. Jejich možnosti si ještě neumíme představit. Musíme také počítat s tím, že se bude stupňovat tlak na ekologickou výrobu a bude nutno například některá rozpouštědla ve výrobních procesech nahradit něčím jiným. Většina polymerů ale není rozpustná ve vodě a ty, co jsou, mají svoje omezující vlastnosti. Musíme pracovat se širší škálou materiálů, přemýšlet třeba o tom, jak to udělat, aby se nemusely rozpouštět. Čekají nás určitě mnohá překvapení,“ řekl Oldřich Jirsák.

Nanotechnologie zaměstnají vědecké týmy

Aktuální je pro Fakultu mechatroniky a mezioborových inženýrských studií TUL např. řešení problému čištění kontaminovaných spodních vod pomocí nanočástic železa. Pozornost týmů Fakulty strojní TUL je zase zaměřena na využití nanovrstev na základním materiálu (substrátu). Reálná je řada aplikací povlakovaných materiálů v průmyslu – například prodlužují životnost nástrojů nebo snižují tření mezi součástkami. Povlakované materiály odbourávají bariéru mezi kovovými implantáty a lidským organizmem (viz Vesmír 78, 92, 1999/2) a zabraňují alergickým reakcím na některé kovy; zřejmě sehrají významnou roli při implantaci umělých kloubů.

Nanotechnologie budou vědce zaměstnávat stále. Výzkum bude intenzivnější i díky libereckému impulzu. Průmyslová výroba a praktické využití je totiž velkým motorem. Pokud se do aplikovaného výzkumu zapojí a finančně přispějí i renomované firmy, krok vědy a vývoje se pravděpodobně velmi zrychlí.

Technická univerzita v Liberci, Hálkova 6, 461 17 Liberec, www.tul.cz.