Podcast o Nanomateriály a technológie výroby nanovlákien

Kapitoly

Úvod do mikrosveta

Výroba odstredivou silou

Ďalšie výrobné metódy

Ako vidieť neviditeľné

Sú nanomateriály nebezpečné?

Stavebné kamene nanosveta

Ako sa vyrába neviditeľné?

Pohľad do nanosveta

Teplo a 3D modely

Zhrnutie a záver

Přepis

Lenka: Počkaj, takže celé toto je vlastne len sieť extrémne tenkých vlákien, ktoré voľným okom ani nevidíme? To je neuveriteľné!

Matej: Presne tak, Lenka. Vitaj v úžasnom svete nanovlákien. Sú tak tenké, že tisíc by sa ich zmestilo na hrúbku jedného ľudského vlasu.

Lenka: Wow. Tak toto musíme preskúmať. Počúvate Studyfi Podcast a dnes sa pozrieme na niečo skutočne malé, no s obrovským potenciálom. Matej, čo to presne nanovlákno je?

Matej: Jednoducho povedané, nanovlákno je vlákno, ktorého priemer sa meria v nanometroch. Je to extrémne tenký materiál, ktorý vyrábame rôznymi technológiami.

Lenka: Dobre, ako teda niečo také tenké vyrobíme? To neznie ako jednoduchá úloha.

Matej: Jeden z hlavných spôsobov je odstredivé zvlákňovanie. Predstav si stroj na cukrovú vatu.

Lenka: Mňam! Teraz som hladná. Ale chápem, točí sa to a vytvára tenké vlákna cukru.

Matej: Presne! Funguje to na podobnom princípe. Máme zariadenie, ktoré sa volá spinnereta, a to sa otáča veľmi vysokou rýchlosťou. Z neho je vytláčaný polymér a odstredivá sila ho naťahuje na extrémne tenké vlákna.

Lenka: Takže tá rýchlosť je kľúčová. Čo ešte ovplyvňuje výsledok?

Matej: Je tam viacero faktorov. Napríklad vzdialenosť od kolektora, kam sa vlákna ukladajú. Ak je príliš malá, vlákna sa nestihnú dostatočne natiahnuť alebo ochladiť. A samozrejme, teplota a vlhkosť.

Lenka: A existujú aj iné spôsoby? Alebo je odstredivé zvlákňovanie jediné?

Matej: Vôbec nie. Existuje napríklad metóda Melt-blown. Tam sa vlákna vyrábajú rozfúkavaním taveniny polyméru prúdom horúceho vzduchu. Je to ako fúkať do medu cez slamku, len oveľa rýchlejšie a horúcejšie.

Lenka: Tvoje prirovnania sú skvelé. Takže máme cukrovú vatu a horúci med. Čo ďalej?

Matej: Ešte je tu napríklad fázová separácia, ktorou vieme vytvoriť objemný nanovlákenný materiál, nie len tenkú vrstvu. Alebo samostavovanie, kde sa vlákna tvoria spojením jednotlivých molekúl. To je už čistá mágia na molekulárnej úrovni.

Lenka: Super. Takže ich vieme vyrobiť, ale ako ich skúmame, keď sú také malé? Bežným mikroskopom to asi nepôjde.

Matej: Máš pravdu. Potrebujeme na to elektrónové mikroskopy. Sú dva základné typy: skenovací a transmisný. SEM a TEM.

Lenka: Dobre, aký je medzi nimi rozdiel?

Matej: Hlavný rozdiel je v tom, ako pracujú s elektrónmi. Skenovací, teda SEM, sleduje elektróny, ktoré sa odrazia od povrchu vzorky. Dáva nám krásny, detailný obraz povrchu. Je to ako robiť 3D fotku.

Lenka: A ten druhý?

Matej: Transmisný, TEM, funguje inak. Tam elektróny prechádzajú cez veľmi tenkú vzorku. Takže nám umožňuje pozorovať vnútornú štruktúru materiálu. Je to skôr ako röntgen.

Lenka: Takže zhrnuté: SEM je na povrch, TEM na vnútro. Geniálne jednoduché, keď to takto povieš.

Matej: Presne tak. A vďaka týmto metódam môžeme nielen vidieť, ale aj navrhovať nanovlákna s presne takými vlastnosťami, aké potrebujeme pre rôzne aplikácie.

Lenka: Keď hovoríme o niečom takom malom, čo nevidíme... hneď mi napadne, nemôže to byť aj nebezpečné?

Matej: To je skvelá a veľmi dôležitá otázka. Áno, hovoríme o toxicite nanomateriálov. Je to ich schopnosť poškodiť živý organizmus.

Lenka: A od čoho závisí, či nám ublížia alebo nie? Od ich veľkosti?

Matej: Nielen od nej. Záleží aj na ich tvare, dávke, a ako dlho sme im vystavení. A samozrejme, ako sa do tela dostanú.

Lenka: Ako sa tam vôbec môžu dostať?

Matej: Najčastejšie vdýchnutím, teda inhaláciou. Ale aj prehltnutím alebo cez kožu. A v medicíne sa môžu do tela dostať aj injekčne.

Lenka: Takže niektoré vdychujeme bez toho, aby sme o tom vedeli?

Matej: Presne tak. Musíme rozlišovať nanočastice vyrobené cielene, pre nejaký účel, a tie, ktoré vznikajú nechcene. Napríklad emisie z motorov sú plné nanočastíc.

Lenka: Dobre, poďme na základnú definíciu. Čo je to vlastne ten nanomateriál?

Matej: Je to látka, ktorej stavebné častice majú aspoň v jednom rozmere veľkosť od jedného do sto nanometrov. Aby si si to predstavila, nanometer je miliardtina metra.

Lenka: To je nepredstaviteľne malé. A z čoho sa také nanovlákna vyrábajú?

Matej: Najčastejšie z polymérov. To sú vlastne obrovské molekuly, také dlhé reťazce poskladané z menších, opakujúcich sa jednotiek.

Lenka: Ako korálky na šnúrke alebo vagóny vo vlaku?

Matej: Presne tak! Ten vlak je super prirovnanie. A tie polyméry môžu byť prírodné, ako želatína, alebo syntetické, ako polyester, ktorý poznáme z oblečenia.

Lenka: A existujú aj iné typy ako polymérové?

Matej: Určite. Veľmi fascinujúce sú uhlíkové nanomateriály. To je vlastne čistý uhlík v rôznych formách – od grafénu, čo je dvojrozmerná sieťka, až po nanotrubice, čo je vlastne zvinutý grafén.

Lenka: Takže vieme, čo to je a z čoho to je. Ale ako, preboha, niečo také malé vyrobíme?

Matej: V priemysle je najrozšírenejšou metódou elektrické zvlákňovanie. Predstav si roztok polyméru, na ktorý pôsobí veľmi silné elektrické pole.

Lenka: A to pole z neho vytiahne vlákno?

Matej: Presne. Sila poľa prekoná povrchové napätie kvapaliny a vytvorí tenulinký prúd, z ktorého sa po odparení rozpúšťadla stane nanovlákno.

Lenka: To znie skoro ako mágia.

Matej: Je to fyzika, ale mágia je dobré slovo. A máme rôzne spôsoby, ako to robiť. Buď pomocou ihly, z ktorej sa ťahá jedno vlákno, alebo bezihlové metódy.

Lenka: Aký je v tom rozdiel?

Matej: Bezihlové zvlákňovanie je oveľa produktívnejšie. Namiesto jednej ihly tam môže byť napríklad rotujúci valec ponorený do roztoku a vlákna sa tvoria z celého jeho povrchu naraz.

Lenka: Takže chrlíme nanovlákna vo veľkom. A je to všetko?

Matej: Ešte existuje skvelá modifikácia, takzvané koaxiálne zvlákňovanie. Tam používame špeciálnu dýzu a môžeme zvlákňovať dve kvapaliny naraz. Jednu vnútri, druhú vonku.

Lenka: A na čo je to dobré?

Matej: Týmto spôsobom vieme vytvoriť napríklad duté vlákna, alebo vlákna, ktoré majú jadro a plášť. Do jadra môžeme "zabaliť" napríklad liečivá.

Lenka: Páni. Takže máme super malé materiály a kopu sofistikovaných spôsobov, ako ich vyrobiť. Teraz ma ale zaujíma, na čo všetko sa dajú použiť v praxi?

Matej: Skvelá otázka, Lenka! Lebo presne o tom to celé je. Ale predtým, než ich použijeme, musíme ich vedieť poriadne preskúmať. Musíme sa na ne pozrieť.

Lenka: Ale ako sa pozeráš na niečo, čo je tisíckrát tenšie ako ľudský vlas? Obyčajným mikroskopom asi nie, však?

Matej: Presne tak. Na to máme špeciálne nástroje. Napríklad transmisnú elektrónovú mikroskopiu, alebo skrátene TEM. Je to ako röntgen pre nanomateriály.

Lenka: Röntgen? Takže vidíme dovnútra vlákna?

Matej: Áno. Pošleme zväzok elektrónov priamo cez tenkú vzorku. Tie, ktoré prejdú, vytvoria na detektore detailný obraz vnútornej štruktúry. Vidíme, či je vlákno duté, alebo či má jadro a plášť.

Lenka: Super. Takže vieme, čo je vo vnútri. A čo povrch? Ten je predsa tiež dôležitý.

Matej: Na povrch máme mikroskopiu atómových síl, čiže AFM. Predstav si to ako gramofónovú ihlu, ktorá extrémne jemne prechádza po povrchu materiálu.

Lenka: Takže tá ihla „cíti“ povrch? To je ako čítanie Braillovho písma pre materiály?

Matej: To je perfektné prirovnanie! Presne tak. Snímame sily medzi hrotom a povrchom a z toho vytvoríme presnú trojrozmernú mapu. Vidíme každý kopček, každú priehlbinu. Zistíme tak napríklad drsnosť povrchu.

Lenka: Dobre, takže s TEM a AFM ich vidíme zvnútra aj zvonku. Existujú aj iné metódy, ako zistiť ich vlastnosti? Napríklad, čo sa s nimi stane, keď ich zahrejeme?

Matej: Určite. Na to používame metódu DSC, čo je skratka pre diferenčnú skenovaciu kalorimetriu. V podstate sledujeme, ako materiál reaguje na zmeny teploty.

Lenka: Čiže ho zohrievame a čakáme, čo sa stane?

Matej: Zjednodušene povedané, áno. Zaznamenávame, kedy materiál pohlcuje teplo — to je napríklad topenie — a kedy ho naopak uvoľňuje, čo sa deje pri kryštalizácii. Zistíme tak presnú teplotu topenia alebo teplotu skleného prechodu.

Lenka: Fascinujúce. A čo taký kompletný 3D model? Ako v sci-fi filmoch, kde si môžu objekt otáčať na obrazovke.

Matej: Aj to dokážeme! Pomocou počítačovej tomografie, známej ako CT. Funguje to na rovnakom princípe ako lekárske CT-čko.

Lenka: Takže materiál preženieme röntgenom?

Matej: Presne. Vzorku ožarujeme röntgenovým žiarením, zatiaľ čo sa otáča o 360 stupňov. Detektory zbierajú dáta z každého uhla a počítač z nich potom poskladá detailný 3D obraz vnútornej štruktúry.

Lenka: Páni. Takže aby som to zhrnula... Máme nástroje, ktorými vidíme dovnútra vlákien, dokážeme si „ohmatať“ ich povrch, zistiť, ako reagujú na teplo, a dokonca si vytvoriť ich kompletný 3D model.

Matej: Presne tak. Vďaka týmto analytickým metódam rozumieme vlastnostiam nanomateriálov a vieme ich potom cieliť na konkrétne aplikácie – od medicíny až po filtráciu vody.

Lenka: Matej, opäť raz ďakujem za skvelé a zrozumiteľné vysvetlenia. Bolo to super.

Matej: Aj ja ďakujem za pozvanie, Lenka. Vždy rád prídem.

Lenka: Našim poslucháčom ďakujeme, že ste boli s nami. Počujeme sa pri ďalšej epizóde podcastu Studyfi. Majte sa krásne!