ÚACH AV ČR, v. v. i., v Řeži

Hlavní vědecké tematiky Ústavu anorganické chemie AV ČR, v. v. i., v Řeži se od jeho založení v šedesátých letech odvíjely hlavně od hydridů lehkých prvků (lithia, sodíku, hliníku, boru). Ačkoli to z názvu ústavu není patrné, později se zde začaly vyvíjet postupy označované termínem nanotechnologie. V rámci nich se především připravují některé nanomateriály, tedy pevné látky nebo prášky, které mají vlastnosti dané povrchovými motivy o velikosti jednotek až desítek nanometrů. Pokud chce chemik tvořit struktury o rozměrech hluboko pod mikrometr, postupuje zpravidla „zdola nahoru“, tedy tvoří systémy, které se samy organizují z ještě menších součástí. Cílem je, aby se chemické prvky, komplexy nebo molekuly „samy“ skládaly do nanostruktur požadovaných materiálových vlastností.

Chemické materiály: začátek

Asi před dvaceti lety se začal používat termín chemické materiály. Ty vznikají jednoduchými operacemi s chemickými surovinami, bez použití metalurgických nebo strojírenských postupů. Podmínkou praktického využití chemických materiálů ovšem není jejich dokonalý teoretický a laboratorní popis, ale převedení přípravy do průmyslového měřítka. Názornou ukázkou, že to není snadné, je využití fotoaktivního nanokrystalického oxidu titaničitého (TiO₂). Fotoaktivita je jev známý teoretikům už desítky let. Plány na využití TiO₂ jako samočisticího nebo dezinfekčního pigmentu se zmiňovaly v tisících vědeckých sdělení a řešily se v mnoha vědeckých projektech, ale realizace narážela například na „banalitu“: dostupnost fotokatalytického TiO₂. Tým Václava Štengla se v Ústavu anorganické chemie od r. 2000 systematicky věnoval laboratorním syntézám TiO₂ z roztoků běžně dostupných titaničitých solí s cílem snížit cenu produktu na úroveň konvenčních pigmentů. Vyvinul a patentoval několik různých postupů, z nichž nejlepší se ukázala homogenní hydrolýza titaničitých solí. Návrh receptury pro výrobu první komerčně dostupné barvy s fotokatalytickým TiO₂ ale zahrnoval vyřešení ještě jednoho paradoxu: jak zabránit tomu, aby fotoaktivní pigment, který vlivem světla a kyslíku oxidativně odbourává organické látky, nedegradoval kromě špíny, bakterií a řas také pojivový systém barvy, který je založen na organickém polymeru. Výsledek desetileté práce týmu a intenzivní spolupráce s průmyslovým partnerem Rokospol, a. s., si můžete objednat na adrese www.detoxycolor.cz.

Chemické nanomateriály: současnost

Pevné látky mohou měnit některé své vlastnosti, pokud začneme zmenšovat rozměry jejich částic. Při zmenšování krystalů oxidů kovů, například hliníku, na velikosti nanometrů se začíná stále větší podíl iontů kovů vyskytovat v povrchové vrstvě, kde jsou působením plynného a kapalného okolí hydratované. Tyto povrchové hydroxyskupiny jsou velmi reaktivní, takže například umožňují chemisorpci některých toxických organických látek (viz Vesmír 89, 296, 2010/5). Nanokrystalické látky jsou méně stabilní než látky s velkými krystaly, a proto je energeticky náročné nebo nemožné je připravit třeba mletím a při nevhodném zacházení v roztocích se obvykle „srazí“ na energeticky stabilnější velké částice. Chemicky nejjednodušší je připravit nanočástice reaktivní krystalizací z rozpustných solí za podmínek, které srůstání na makrokrystaly znemožňuje. Kdyby ale při krystalizaci vznikaly jen volné nanočástice, zůstávaly by v matečném roztoku jako sol (koloid) a jejich získávání v průmyslovém měřítku by bylo nákladné ve srovnání s běžnou tlakovou filtrací. Jako nejlepší postup chemické přípravy nanokrystalických látek se ukázala řízená tvorba agregátů s velmi jemnou vnitřní strukturou, tvořenou primárními nanočásticemi. Agregáty dobře sedimentují, snadno se filtrují, a přitom jim jejich jemná vnitřní struktura zajišťuje vysoký specifický povrch, a tedy velkou chemickou reaktivitu.

Chemické nanostruktury: vize

vrstvám organických thiolů, ale boranovéJedním z tradičních témat, která se v ÚACH zkoumají už několik desetiletí, jsou borany, trojrozměrné molekuly složené z boru, vodíku, popřípadě dalších prvků. Chemie boranů je podobně pestrá jako organická chemie, ale borany tvoří tuhé trojrozměrné molekuly, které se zdají být jako stvořené pro nanometrovou architekturu. Tým Tomáše Baše z ÚACH se zaměřil na podrobné studium boranových thiolů, které tvoří samoorganizující se vrstvy na povrchu některých kovů, hlavně zlata a stříbra. Poněkud se tím podobají thioly jsou podstatně stabilnější, takže zůstávají na rovných površích i ve vakuu při 400 °C. Tato stabilita umožňuje i přípravu nanočástic zlata s řízenou velikostí, které se v roztoku „nesrazí“ na zlatou houbu. Pro studium přesného uspořádání těchto molekul na površích různě orientovaných krystalových ploch tým Tomáše Baše připravil krystaly zlata s kontrolovaným tvarem (destičky, polyedry, drátky). Tento tým v současnosti zkoumá postupy, jak této interakce využít například k ochraně stříbra před zčernáním: na povrchu stříbra se vytvoří monomolekulární vrstva a ta chrání povrch před útokem korozivních molekul.

Úskalí plánování technologických aplikací

Na vývoji barvy DETOXY COLOR® lze ukázat, jak obtížné je plánovat praktické využití vědy. Syntézy pigmentů v ÚACH začaly ještě před rokem 1989, kdy bylo žádoucí nahradit dovoz pigmentů a magnetických materiálů na bázi oxidů železa z kapitalistického zahraničí. Pracovníci ústavu díky tomu zvládli techniky syntéz oxidů železa na mokré cestě, tedy vlastně materiálovou chemii, a k ověřování výsledků zavedli metodu jejich analýzy elektronovou mikroskopií. Tyto plánované oxidy železa se ale nakonec do české průmyslové výroby nedostaly. Vybudování specializovaného pracoviště ale do ÚACH od konce devadesátých let několikrát přivedlo průmyslové partnery, kteří měli zájem o zhodnocení nerostných surovin a vývoj nových technologií. Přenosy teoretických a laboratorních vědeckých poznatků do průmyslového měřítka od konce devadesátých let do současnosti umožňuje hlavně grantová agentura Ministerstva průmyslu a obchodu ČR, ať už jde o postupy výroby pigmentů ze slídy nebo geopolymerních částic, chemicky modifikované vrstvičkou oxidů kovů, nebo o zmíněný DETOXY COLOR®. Patnáct let sbírané zkušenosti nás přesvědčily, že recept na praktické využití nanotechnologií vyžaduje vždy tři hlavní suroviny: vlastní vědecký profil pracoviště, jasnou průmyslovou objednávku a finanční podporu aplikovaného výzkumu.