To, že stojíme na prahu nové technické revoluce, srovnatelné s významem objevení technologie zpracování kovů či objevu elektrické energie, není žurnalistickou frází, ale ve vědeckém světě jednomyslně uznávanou skutečností. K objasnění záhad světa, v němž je milimetr obří mírou, přispívá řada vědeckých institucí celého světa. Aby drželo prst na tepu doby, vypravilo se 21. STOLETÍ do laboratoří společnosti Bayer v německém Leverkusenu.
Tempo výzkumu nanosvěta je skutečně obrovské. Zatímco v dubnu roku 2008 bylo registrováno 609 produktů založených na nanotechnologiích, na konci srpna téhož roku již jejich počet překročil číslici 800. Jejich rozsah specifikuje Miroslav Čech, děkan Fakulty jaderné a fyzikálně-inženýrské z pražského ČVUT: „Unikátní vlastnosti nanomateriálů jsou využitelné prakticky ve všech oblastech, např. v elektronice, medicíně, strojírenství, stavebnictví, optice, automobilovém průmyslu, chemii, životním prostředí a dalších.“ Budoucnost bez nanomateriálů a nanotechnologií je nyní stejně nepředstavitelná, jako je přítomnost bez počítačů nebo minulost bez objevu písma. Jelikož ve světě technologií více než kdekoliv jinde platí staré známé „kdo chvíli stál, stojí opodál“, je třeba si povědomí o nejmodernějších trendech stále udržovat. Nejste-li analfabety skutečnými či počítačovými, nechtějte se stát ani nanoanalfabety a vydejte se spolu s námi po cestách, které špičkoví vědci teprve prošlapávají!
Mili, mikro, nano…
Co se vlastně pod podivným názvem nanotechnologie skrývá? Budeme-li chtít najít jednu společnou vlastnost, která je všem výzkumům v této oblasti společná, najdeme v podstatě jedinou. Jedná se o látky či přímo zařízení, jejichž rozměry se pohybují v několika desítkách miliardtiny metru, tedy nanometrů (z řeckého nanos = trpaslík). Do jednoho milimetru se tedy nanometrů vejde celý milion. Abychom si udělali jasnější představu, o jak titěrné rozměry se jedná – průměr lidského vlasu kolísá mezi 17–180 mikrometry a pohybuje se tak v rozměrech tisíckrát větších. Průměr dvoušroubovice DNA je asi 2 nm, nejmenší známý buněčný organismus, bakterie rodu Mycoplasma, má průměr 200 nm. Spodní hranicí nanosvěta je svět atomů. Nejmenším atomovým trpaslíkem je atom helia (0,1 nm), naopak největším „cvalíkem“ mezi atomy je cézium (0,5 nm). Zákony tohoto světa jsou však podivné – vlastnosti hmoty, které se vynořují na naší úrovni, tedy „makroúrovni“, nemají v nanosvětě místo a naopak.
21. STOLETÍ na cestách:
Koncern Bayer patří mezi největší světové producenty nanotrubiček. Ročně jich vyprodukuje 60 tun a v blízké budoucnosti se plánuje navýšení objemu výroby až na 200 tun. Jejich výroba je však velkou výzvou pro inženýry. Uhlíkové nanostruktury si zachovávají své unikátní vlastnosti pouze v případě, že jsou látka je naprosto čistá. Takové čistoty se ale mnohem snadněji dosáhne v laboratoři než během technologického procesu. V Bayeru se daří dosahovat až 99% čistoty. Jejich nanotrubičky pak mají široké uplatnění – používají se při výrobě tranzistorů pro počítačové čipy, při výrobě baterií do mobilních telefonů či laptopů nebo při výrobě turbín větrných elektráren, díky nimž dosahují větrné elektrárny výrazně větší efektivity.
Podivný svět trpaslíků
A proč je svět trpasličích rozměrů natolik jiný? Důvodů je celá řada! Významně se proměňují zejména optické vlastnosti, tedy ty, které nějak odrážejí způsoby, jak si látky dokážou poradit s elektromagnetickým vlněním, kterému říkáme světlo. Například neprůhledné látky se mohou stát průhlednými (měď). Barva průhledných látek (sklo) se zase může měnit podle toho, jaké nanočástice do nich přidáme. Změny se týkají ale i jiných základních vlastností hmoty – například vlastností mechanických či elektrických. Látky se stávají z nehořlavých hořlavými (hliník) nebo spontánně proměňují své skupenství (zlato taje již při pokojové teplotě). Křemík, který je za běžných podmínek izolantem, začíná vést elektrický proud. Ještě podivnější věci nastávají, když se dotkneme spodní hranice měřítek nanosvěta, tedy velikostí o zlomcích nanometrů. Na této úrovni již začínají vstupovat do hry jevy, které souvisí s kvantovou povahou hmoty.
Zázračný uhlík
Uspořádat ve struktuře hmoty jednotlivé atomy se před pár lety zdálo jako holé šílenství. Takzvané nanomateriály, neboli látky založené na konstrukci úrovně jednotlivých atomů, jsou však dnes zcela běžnou součástí řady technologických odvětví. Ze všech prvků se k výrobě nanomateriálů nejlépe hodí prvek s mnoha unikátními vlastnostmi – uhlík. Ten dokáže vytvářet molekuly, jejichž základní stavební jednotkou je prostorový útvar tvořený šesti atomy – vypadá tady podobně jako buňka včelího plástu při pohledu shora. Tyto struktury se nazývají fullereny (podle amerického architekta Buckminstera Fullera, který navrhoval kopule podobných tvarů). Takové makromolekuly tvoří základní stavební kameny důležitých nových materiálů – nanovláken a nanotyčinek. A k čemu vlastně taková vlákna jsou? Využíváme je všude tam, kde je třeba spojit dvě základní vlastnosti – vysokou odolnost a zároveň lehkost. např. v textilním průmyslu k výrobě extrémně odolných látek, při výrobě extrémně namáhaných součástek strojů, při výrobě sportovního náčiní atd. Důležité jsou také jejich elektrické vlastnosti. Za specifických podmínek (teplot) se dokážou chovat jako supravodiče nebo polovodiče. Na atomární úrovni mohou fungovat také jako malé trubičky, jimiž lze do chemických reakcí „nalévat“ jednotlivé atomy jiných prvků.
Nanostroje v lidském těle
Bouřlivě se rozvíjející oblastí je zejména nanomedicína – nanomateriály se totiž ideálně hodí pro práci na velikostní úrovni buněk. I zde je však většina objevů stále ve fázi testování. Kromě práce v umělém prostředí (in vitro) zastanou drobounké strojky i řadu úkolů přímo v živém lidském těle. Díky jejich unikátním vlastnostem je mohou lékaři vyslat přímo ke splnění konkrétního cíle a medicína se tak stává mnohem přesnější a efektivnější. „Nanobot“ například rozpozná rakovinnou buňku a dopraví do ní látky, které zastaví její další dělení a zabrání dalšímu šíření zhoubného bujení. Takoví robůtci dokážou do těla dovézt i látku, která chorobné buňky označkuje tak, aby je vědci mohli zvenku rozpoznat například pomocí magnetické rezonance. Malé „nanokřižníky“ lze také využívat k boji proti našim drobným nepřátelům, bakteriím či virům. Lékaři je dopraví do organismu a takový křižník si už svou oběť sám najde a zničí ji. Ruku k dílu dokážou nanočástice přiložit i při genetickém testování. Zde by mohly nanočástice odvést obrovský kus práce. Jejich prostřednictvím například budou lékaři moci již raném stadiu těhotenství určit, zda bude novorozenec trpět nějakou vrozenou genetickou vadou, např. Downovým syndromem. A neměli bychom zapomenout ani na takzvané „tkáňové inženýrství“ – stimulace látkami, dodávanými nanočásticemi, může ovlivňovat růst buněk a napomáhat tak lepšímu hojení ran např. po transplantacích.
Okno do budoucna
Rozsah využívání technologií o neuvěřitelně malých rozměrech se bude v budoucnu stále více rozšiřovat. Vždyť jen technologie kosmických výzkumů jsou již dnes založeny na nanotechnologiích asi z 95 %! Čeho si tedy nyní výzkumníci nejvíce hledí? Vědci doufají, že v budoucnu budeme moci plně ovládat dění na úrovni jednotlivých molekul a konstruovat miniaturní stroje, například nanomobily, které budou mít zabudován i miniaturní molekulární „motor“. Stejným sci-fi je dnes stále „programovatelná hmota“, tedy taková látka, jejíž vlastnosti mohou být do detailu přesně předpovězeny a následně také proměněny. Takové „nanošaty“ by mohly být jeden den červené a druhý třeba modré, jeden den nepromokavé a druhý zase krásně jemné a splývavé. I když dnes o takových projektech mluvíme jako o sci-fi, zkuste si koupit 21. STOLETÍ za pět let a uvidíte, jak rychle se díky současné vědě stávají fantazie realitou!
Čeští studenti a nanodružice
Jistě nejen ve vědeckém světě platí, že spojit síly se vyplácí. Ve vědě má však toto pravidlo zvláštní význam – propojení mozků, financí a výzkumných kapacit je pro řadu projektů, které v náročném vědeckém provozu vznikají, už dlouhou dobu nezbytností. Do mezinárodního programu, který souvisí s nanotechnologiemi, se nedávno zapojili i čeští studenti. A není to projekt ledajaký – jde o projekt kosmické družice, který vzniká pod záštitou organizace známé pod zkratkou SSETI (The Student Space Exploration and Technology Initiative), založené Evropskou vesmírnou agenturou. Tento projekt sdružuje více než 500 studentů z 15 evropských univerzit, které spojuje jedna společná vášeň – vesmír. Čeští studenti se zapojili do projektu SWARM, jehož cílem je vypustit na nízkou běžnou dráhu roj vzájemně komunikujících nanodružic, které budou provádět fyzikální experimenty a odesílat data zpět na Zem. Úkolem našeho týmu je návrh a realizace palubního zařízení pro ukládání dat na hlavní družici, popisuje podíl českých konstruktérů na projektu Ondřej Daniel, student Fakulty elektrotechnické pražské ČVUT.
Testování je nejdražší!
Vývoj nejmodernějších technologií či léčiv už dávno není záležitostí osamělých vědců v laboratořích. Veškeré nové myšlenky je třeba co nejrychleji přenést do hmotné podoby a otestovat. Testování však tvoří zdaleka nejdražší část vývoje jakékoliv novinky, a když za ním nestojí kapitál, nemá příliš velké šance. Jednou z obřích firem, které takovými velkými částkami disponují, je právě Bayer s centrálou v německém Leverkusenu v Severním Porýní-Vestfálsku. Záštitu nad svými výzkumy v Bayeru zde naleznou vědci ze tří výzkumných oblastí: první se týká zdraví (farmacie, veterinární medicína, zdravotnická zařízení), druhá zemědělského vývojářství (nové plodiny a ochrana proti škůdcům) a třetí materiálového inženýrství. Právě do kompetence posledního jmenovaného oddělení spadají kromě vývoje nových plastových hmot i výzkum a výroba nanomateriálů.
Nanospider v Liberci
Nanotextilie – tedy látky, jejichž vlákna mají tloušťku měřitelnou v nanometrech – byly známy již delší dobu. Oproti klasickým textiliím mají nanotextilie mnohem větší měrný povrch a vynikají nad ně také většinou mechanických vlastností. Proč tedy už dávno nezaplavily svět? Odpověď je jednoduchá – chyběla technologie, díky níž by bylo možno produkovat nanovlákna efektivně a zároveň levně. Až do té doby, než přišel prof. Jirsák se svou technologií „nanopavouka“ – Nanospidera. Z běžných polymerů, užívaných v textilním průmyslu (PVA, PUR, PA a další), dokáže prostřednictvím válce vytvořit nanovlákna v požadovaném množství i tloušťce. A čemu jsou pak takové textilie dobré? Nechme mluvit samotného autora vynálezu: „V první řadě jsou to nejrůznější typy filtrů, ať už pro kapaliny či vzdušniny. Naší technologii je také možno využívat k »chytrému« krytí ran. Taková »náplast« nejenže dokáže zabránit průniku choroboplodných zárodků, ale dokáže do rány také uvolňovat hojivé látky. Nanotextilie dokážou také velmi efektivně pohlcovat zvuk. Projet se v autě, které bude takto kvalitně izolováno, by mohlo být skutečným zážitkem. Další oblastí využití našeho patentu by mohlo být takzvané »tkáňové inženýrství«, uzavírá prof. Jirsák.
