Český vynález na průmyslovou výrobu nanovlákenných materiálů začíná dobývat svět. V případě propuknutí pandemie ptačí chřipky by dokonce mohl zachránit miliony životů.
Zlaté české ručičky
Technické univerzitě v Liberci se ve spolupráci s firmou ELMARCO podařil husarský kousek. Finančně mnohem lépe podporovaným Američanům vyfoukla přelomovou technologii, s jejíž pomocí lze levně vyrábět velká množství nanovlákenných materiálů.
„Na laboratorní úrovni je příprava nanolátek dobře zvládnuta již dlouho. Nikomu se však ještě nepodařilo přijít se strojem, který by dokázal produkovat podobný materiál v komerčním množství za přijatelnou cenu,“ upřesňuje ing. Jiří Tůma, který tento stroj navrhl a během čtyř měsíců dokázal zkonstruoval jeho funkční prototyp.
Cena je opravdu více než přijatelná, již teď se totiž pohybuje řádově v korunách za 1 m2. V současnosti se pracuje ne výrobě asi 10 strojů (nazvaných Nanospider), které by měly pokrýt dosavadní poptávku. První stroje v hodnotě několika desítek milionů korun už na počátku letošního roku dorazily ke svým zákazníkům. Možná – tedy pouhé dva roky poté, co na počátku roku 2003 přišel výzkumný tým Technické univerzity v Liberci pod vedením prof. Oldřicha Jirsáka s myšlenkou, jak vyrábět nanovlákna v průmyslovém měřítku – stojíme na počátku masového využití některých nanovýrobků.
Past na vetřelce
Nanovlákna jsou vlákna chemických látek (nejčastěji polymerů), jejichž průměr se řádově pohybuje v nanometrech (konkrétně nanospider pracuje s vlákny o průměru 100 – 300 nm). Pro představu, o jaké hodnoty se asi jedná, můžeme uvést srovnání: Do průřezu fotbalového míče se vejde přibližně tolik nanovláken, jako se do průřezu zeměkoule vejde fotbalových míčů. Průměr vláken je dokonce menší než vlnová délka světla (390 – 760 nm), a proto je nelze pozorovat ani za pomoci světelného mikroskopu, byť by měl jakkoli vysoké zvětšení.
Tyto vlastnosti pak tkaninám vyrobeným z nanovláken propůjčují jedinečné schopnosti. Kromě průhlednosti, způsobené již zmíněným malým průměrem vláken, si při velmi nízké hmotnosti (0,5 – 5 g/m2) zachovávají vysokou pevnost. Unikátní je ovšem jejich velmi vysoký počet miniaturních pórů (několik nanometrů). Díky nim takové látky bez problémů propouštějí malé molekuly, třeba vzduchu nebo vody, ale stávají se pastí pro veškeré bakterie a většinu virů. Jsou tedy jako stvořené pro výrobu vzduchových filtrů například na operačních sálech nemocnic, obličejových roušek nebo obvazového materiálu.
Hojivá náplast
Nanolátky však nemusí sloužit jen jako pasivní krycí materiál. Jejich vysoký měrný povrch totiž umožňuje snadné navázání dalších příměsí. U obvazů přicházejí v úvahu antibiotika nebo protilátky, které „nachytané“ mikroorganismy také rovnou zabíjejí. V současné době se už využívají materiály zastavující krvácení s navázanými látkami urychlujícími hojení. Důležité přitom je, že nejsou o nic dražší než běžné obvazy a náplasti.
Do textilií, které mají sloužit jako obličejové roušky, zatím odborníci zkoušejí přidávat stříbro, které má silné antivirové účinky. U superfiltračních materiálů, např. pro zmíněné vzduchové filtry na operačních sálech, už se stříbro ostatně využívá už nyní.
V tkáňovém inženýrství se tenké textilie mohou uplatnit i jako kostra pro budoucí náhražku orgánu, nesoucí buňky vypěstované „ve zkumavce“ (in vitro).
Požírač nežádoucích zvuků
Látky lze využít i jako pohlcovače zvuku (absorbenty), které díky své struktuře dovedou energii zvukových vln převádět na energii tepelnou. Při pohlcování nízkofrekvenčního zvuku jim jejich nanorozměry mezivlákenných prostorů umožňují fungovat jako rezonující membrána. Dopadne-li na takovou membránu zvukové vlnění, uvede ji do kmitů, které jsou následně utlumeny dalšími vrstvami.
Nabízí se však i využití v automobilovém nebo leteckém průmyslu či třeba na snížení hlučnosti v továrních halách. Největší „protizvukové“ uplatnění ale nanotkaniny pravděpodobně najdou jako náhražky dosavadních silných (několik desítek centimetrů) zvukových absorbentů, například v nahrávacích studiích.
Aby se „nítě“ netrhaly…
K výrobě nanovláken se využívají látky s obrovskými molekulami. Ty většinou vznikají tak, že se poměrně jednoduchá molekula spojuje s dalšími shodnými molekulami a vytvářejí tak dlouhé řetězce základních struktur, tzv. polymerní molekuly. To u některých materiálů umožňuje, aby i tenoučké nitky hmoty byly dostatečné pevné a netrhaly se ani při průměru menším než tisícina milimetru.
K výrobě nanovláken se proto využívá několika druhů chemicky připravených látek, tzv. umělých polymerů. Nejdéle známým takovým materiálem je polyvinylalkohol, nicméně vinou jeho nepříliš přesvědčivých mechanických vlastností se posléze přikročilo k jiným polymerům, například polyuretanům nebo polyamidům.
Jak se přede nanovlákno?
Na dvou největších světových výstavách netkaných textilií loňského roku (ženevský INDEX a frankfurtský Techtextile) Technická univerzita v Liberci společně s firmou ELMARCO konečně světu odhalily princip technologie Nanospideru. Ten byl z bezpečnostních důvodů tajen až do chvíle, než byl chráněn patentem.
Stroj využívá technologie tzv. elektrospinningu, tedy česky řečeno zvlákňování za pomoci silného elektrostatického pole. To vytahuje vlákna z nádrže s roztokem polymeru. Tato metoda je sice mezi odborníky dobře známa již několik desetiletí, opakovanou výrobu většího množství vlákna se však zatím nikomu jinému realizovat nepodařilo.
Nevýkonná a drahá metoda
V běžném procesu elektrozvlákňování se využívá vysokého napětí, které vytvoří elektricky nabitý proud polymerního roztoku. Roztok se odstřeďuje přes otáčející se kapiláru (trysku) na jejímž konci se objeví drobná kapička. Protože je do roztoku ponořena vysokovoltážní elektroda, vzniká mezi špičkou kapiláry a uzeměným sběrným nosičem silné elektrické pole. Kapka tedy má tendenci „cestovat“ k protější sběrné elektrodě a vytvářet tak nabitý proud rozpuštěného polymeru. Čím více se k opačné elektrodě přibližuje, tím více zrychluje a ztenčuje se. Rozpouštědlo se odpařuje a z proudů pak vznikají pevná vlákna submikronových rozměrů (tzn. že jsou tenčí než tisícina milimetru). Tato technologie je známá už od 70. let minulého století, nicméně je značně nevýkonná a drahá.
Geniální jednoduchost
Úspěch českých vědců spočívá v tom, že se k výrobě postavili úplně jiným způsobem než jejich kolegové ze zbytku světa. Všichni totiž předpokládali, že nanovlákna se dají připravit pouze s využitím kapilár, a nikdo netušil, že k tomu stačí „obyčejné“ navíjení na buben. Válec je částečně ponořen do roztoku polymeru a pomalým otáčením na sebe nabaluje jeho určité množství. To je přinášeno na vrchní část válce, kde se tvoří proudy tekutého polymeru.
Kapilára tedy není vůbec zapotřebí, tenké elektricky nabité praménky roztoku se zformují i bez ní. Ty se pak po odpaření rozpouštědla přeměňují na pevná nanovlákna. Proudy roztoku se vytvářejí v malé vzdálenosti od sebe po celé délce válce, což stroji zaručuje vysokou produktivitu.
Jedna nanospiderová linka, které má firma ELMARCO zatím v provozu dvě, v současné době dokáže denně vyrobit 3000 m textilie o šířce 1 m. „Mohli bychom sice vyrábět i dražší stroje s vyšším výkonem“, doplňuje Ing. Tomáš Kubica z firmy ELMARCO, „ale současná potřeba trhu je právě takováhle“.
Roušky proti ptačí chřipce?
Chřipkové viry, a tedy i virus ptačí chřipky patří mezi takzvané ortomyxoviry. Jejich viriony (základní částice schopné infekce) obsahují dědičnou informaci obalenou v bílkovinném plášti (nukleokapsidu). V důsledku toho dosahuje jejich velikost zhruba 100 nanometrů. Obličejové roušky vyrobené z nanotextilie „utkané“ na Nanospideru by tedy naši dýchací soustavu před invazí nezvaných návštěvníků uchránily, protože „průchody“ mezi jejich vlákny jsou široké jen několik nanometrů.
Alespoň jeden způsob ochrany
Nicméně kapénkovou infekcí, tedy nákazou přes dýchací soustavu, je zatím přenos prokázán jen mezi ptáky. U člověka se zatím předpokládá, že se může nakazit z masa a blíže nespecifikovaným kontaktem s nemocnými ptáky. V případě zmutování nejnebezpečnějšího kmene viru ptačí chřipky H5N1 do formy přenosné z člověka na člověka, by nás tedy roušky chránily jen před jedním způsobem přenosu. Přitom zatím nikdo s jistotou nemůže říci, zda by kapénková infekce byla jediným možným způsobem jak se nakazit. Přesto jsou přínos české vědy a šikovnost našich techniků v tomto ohledu jasné již dnes.
K nanovláknům za 70 let
Historie zvlákňování polymerů se začala odvíjet ve 30. letech minulého století, byla patentována řada postupů na tvorbu tenoučkých vláken za pomoci elektrostatické síly. V 50. letech byla tato technologie vypilována do té míry, že někteří vědci byli v laboratorních podmínkách schopni vyrobit vlákno o průměru 0,1 mm.
V roce 1966 se objevil postup elektrozvlákňování za použití „natahování“ kapky z konce kapilár. Odborníci tehdy přišli na to, že k tomuto způsobu výroby vláken se nejlépe hodí látky s velkou molekulární hmotností, které vytvářely hustší roztoky (tedy nejčastěji polymery).
V roce 1971 byl zhotoven první přístroj, který podobnou technologií dokázal vytvořit vlákna o průměru 50 až 100 nm.
Na počátku 90. let se pak americké firmě Reneker a Chun podařilo vzbudit vlnu zájmu o nanovlákenné textílie, následkem čehož se k tomuto účelu začalo testovat velké množství chemických látek.
Nanovlákna zcela jinak
Poslední tři roky se mluví o nanomateriálu, který nemá se zvlákňováním polymerů zhola nic společného, přesto by nám jeho vlastnosti umožnily přístup k neuvěřitelně pevnému, a přitom nebývale lehkému vláknu. Dokonce už se s ním zcela vážně počítá na výrobu vesmírného výtahu (kabelu z oběžné dráhy na Zem). Vydrží totiž nejméně 1000 Gpa, což odpovídá stonásobku pevnosti kvalitní oceli., a přitom jsou šestkrát lehčí. Jedná se o takzvané uhlíkové nanotrubky. Ty mají v průměru kolem 10 nm a zatím se daří je vyrábět v délce několika mikrometrů. Jejich pevnost je dána molekulární strukturou, kdy vzniká jakási síť ze šestistěnů, v jejichž vrcholech „sedí“ atomy uhlíku a s ostatními sousedy jsou spojeny pevnou chemickou vazbou.
Nanotrubky však kromě pevnosti vynikají i svou vodivostí, což je předurčuje ke mnoha zajímavým aplikacím. Vědcům už se podařilo vytvořit z tohoto materiálu fólii tenkou pouhých 50 nm. Díky své nepatrné tloušťce je dokonale průhledná, a tak by mohla sloužit například na vnitřní vyhřívání automobilových skel nebo v ohebných displejích. Její pevnost a zároveň velmi nízká hmotnost (1 km2 by vážil 30 kg) zase otevírá možnost využití jako sluneční plachty pro „přídavný pohon“ vesmírných objektů.
