Póry

V labyrintu neviditelných chodbiček se odehrávají příběhy ovlivňující pevnost a stabilitu materiálu, proudění vody i účinnost filtrace. Přírodní i syntetické porézní materiály slouží při čištění vody, zachytávání vlhkosti nebo v katalýze chemických reakcí. Díky přesně definovaným pórům fungují jako jemná síta, která dokážou propustit jen určité molekuly, zatímco jiné zachytí.

Pór je malý otvor s hloubkou větší, než je jeho šířka. Může mít podobu dutinky, kanálku, trhliny nebo prostoru mezi zrny minerálů či jednotlivými vrstvami hornin. Póry se někdy vyskytují osamoceně, jindy se propojují do složité sítě. Porozita, definovaná jako poměr objemu pórů k celkovému objemu vzorku, výrazně ovlivňuje mechanické, chemické i fyzikální vlastnosti pevných látek, od pevnosti přes nasákavost až po schopnost zachytávat molekuly. Důležitá je i velikostní distribuce pórů. Nejčastěji se používá dělení podle IUPAC na mikropóry (< 2 nm), mesopóry (2–50 nm) a makropóry (> 50 nm). Póry o průměru větším než 15 μm nazýváme hrubé póry (obr. 2).¹⁾

1. Porovnání dvou materiálů s rozdílnou porozitou. Vlevo: Tepelně upravená organická hmota s pestrou kombinací mikro‑, mezo‑ a makropórů (porozita 25–60 %), které působí jako složitá síť chodeb. Vp ravo: Téměř neporézní žula s porozitou menší než 2 %. Je kompaktní a odolná, póry jsou jen vzácné pozůstatky po plynech a drobné trhliny.

Snímky Lenka Borecká, ÚSMH AV ČR

Póry sice pouhým okem nevidíme, ale najdeme je prakticky v každém pevném materiálu. V horninách, půdě, adsorbentech, porézních membránách, katalyzátorech, ve stavebních materiálech. Každý z těchto materiálů má svou jedinečnou texturu (ovlivněnou objemem, tvarem, propojeností a množstvím pórů, viz obr. 1), která spoluurčuje jeho chování a vlastnosti.

2. Na snímku je materiál s pestrou škálou pórů v širokém rozsahu velikostí. Graf ukazuje velikostní rozdělení pórů pro různé druhy materiálů a typické vrcholy pro mezoa makroporézní struktury. Tyto křivky jsou pro materiály stejně jedinečné jako otisky prstů u lidí.

Snímek a graf Daniela Řimnáčová

Od intuice k moderní vědě

Již v pravěku si lidé všímali, že některé typy kamenů propouštějí vlhkost a jiné vodě odolávají, některé jsou pevné a jiné se snadno rozpadají. Z tvrdých a pevných kamenných bloků stavěli, zatímco měkčí a křehčí materiály využívali k výzdobě nebo tvoření soch. Ve starověku jíl nebo písek fungovaly jako přirozené filtry čistící vodu ze studní a řek. Egypťané objevili kouzlo dřevěného uhlí, když si všimli, že voda, do které se dostaly uhlíky z ohně, méně zapáchala a měla lepší chuť. Postupně zjistili, že uhlí dokáže nejen odstranit pachy, ale i zmírnit zažívací potíže a zabránit hnilobným procesům. Keramické nádoby z jílu či vypálené sudy zase umožnily uchovávat vodu déle čerstvou.

Porozitu jako takovou lidstvo dlouho nechápalo, byla to „neviditelná vlastnost“. Teprve geologové v 17. století začali pozorovat, že voda v podzemí netvoří řeky, ale je ukrytá uvnitř hornin. Až nástup dokonalejších mikroskopů v 19. století umožnil póry přímo pozorovat. Nastala doba prvních pokusů s nasákavostí a propustností pevných materiálů a lidé začali vědomě objevovat to, co jejich předkové využívali spíše intuitivně.

3. Nahoře: Trhlina šířící se v neporézní hornině (amfibolit) postupuje přednostně po hranicích zrn nebo přímo skrz zrna. Dole: V porézním čediči naopak trhlina proniká hlavně přes póry ve struktuře horniny. (Mikrofotografie z rentgenové výpočetní tomografie.)

Snímky Ústav geoniky AV ČR

Jak póry zkoumat?

K dispozici máme řadu metod, které dokážou změřit póry od zlomků nanometrů až po milimetry. Díky tomu můžeme stanovit různé veličiny, jako je porozita, propojenost a tvar, propustnost, nasákavost, drenážní rychlost… Dohromady poskytují komplexní obraz o tom, jak póry ovlivňují chování materiálu.

Klíčovou roli hrají porozimetrické metody. Kromě samotné charakterizace povrchů pevných látek poskytují i další důležité informace, například o tom, jak účinně mohou různé sorbenty zachytávat znečišťující látky a jaké množství plynů se může v horninách ukládat nebo z nich uvolňovat. Získáváme tak údaje o jejich plynonosnosti a plynodajnosti, propustnosti i hydraulické vodivosti, tedy o schopnosti materiálu vést vodu či plyny skrze svůj skrytý systém pórů. Adsorpční analyzátory, založené na principu adsorpce par a plynů za nízkých tlaků, ale i tlaků dosahujících až 18 MPa, jsou nepostradatelné při charakterizaci sorbentů a katalyzátorů. Lze jimi odhalit i ty nejmenší póry o velikosti desetin nanometru. Molekuly CO₂ pomáhají zkoumat póry od 0,5 nm do 7 nm, dusík při teplotě 77 K zase odhaluje mezopóry. V případě rtuťové porozimetrie, sloužící nejčastěji k analýze hornin a stavebních materiálů, je nesmáčivá kapalina, nejčastěji rtuť, pod zvyšujícím se tlakem vtlačována do pórů. Čím vyšší je použitý tlak, tím menší póry rtuť vyplní. Lze takto zkoumat póry od jednotek nanometrů až po jeden milimetr.

Elektronové mikroskopy mohou zobrazit póry různých velikostí ve velkém detailu. Umožňují studovat tvar, povrch a mikrostrukturu pórů (obr. 4). Díky digitálním mikroskopům můžeme počítat hustotu pórů a trhlin, vidět jejich propojení v kontextu.

4. Škála pórů různých velikostí a tvarů v částečce aktivního uhlí z čistírenského kalu.

Snímek Lenka Borecká, ÚSMH AV ČR

Rentgenová či neutronová mikrotomografie poskytuje trojrozměrný pohled na propojení pórů od desetin mikrometru výše. Rozptylové metody rentgenového záření nebo neutronového svazku zase odhalují jejich tvar na nanometrové úrovni. Paprsky se odchylují drobnými póry a nepravidelnostmi, a z jejich rozptylu lze zpětně odvodit velikost, tvar i uspořádanost pórů. Tyto metody ukážou, jak vypadá vnitřní architektura, aniž bychom museli materiál rozříznout. Nukleární magnetická rezonance (NMR) sleduje kapaliny uvnitř pórů a jejich pohyb, zatímco ultrazvukové analýzy využívají rychlost a útlum akustických vln v prázdných pórech k odhadu pórovitosti a mechanických vlastností.