Přihlášení

Jméno

Heslo



Nejste členem?
Klikněte sem
a zaregistrujte se.

Zapomněli jste heslo?
Pro zaslání nového
Klikněte sem.


Nanopovrchy a jejich využití

Karel Lacina 

Asi není nikdo, kdo by se nesetkal se situací, kdy na první pohled hladké povrchy předmětů vypadají pod lupou či zvětšovacím sklem drsně a kostrbatě. Pokud bychom měli lupu dostatečně silnou (opravdu hodně silnou lupu), mohli bychom vidět povrch předmětů s rozlišením jednotlivých atomů. Velikosti atomů se pohybují v rozmezí menším než je miliontina milimetru, např. aby atomy uhlíku vytvořili řadu dlouhou 1 milimetr, muselo by se jich vedle sebe naskládat 10 milionů. Atomy, jak známo, jsou z chemického hlediska nejmenšími částečkami, kterými je tvořena veškerá hmota. Právě druh atomů, ze kterých je daný materiál složen, má zásadní vliv na jeho vlastnosti – železo vede teplo a elektrický proud, voda je kapalná a při nula stupních tuhne atd. Pokud ale opomineme složení materiálů, které má tedy na vlastnosti předmětu největší vliv, pak by nám pro honbu za poznáním po vlastnostech materiálů stačila lupa, která bude zvětšovat jen o trochu méně. Řekněme, desetkrát méně. Takto viděný povrch by i u těch nejhladších materiálů byl drsný a zvrásněný různými nerovnostmi a škrábanci. Takovéto „lupy“ už opravdu existují a běžně se s nimi studují povrchy různých materiálů a metodě, která jich používá, se říká mikroskopie atomárních sil (1). Struktura povrchu v nanometrických měřítcích (předpona nano- představuje 10-9, nanometr je miliardtina metru) má jako druhá v pořadí (po složení) zásadní vliv na vlastnosti povrchů. Jak ji ovlivňuje, si řekneme dále.


Již odpradávna všímavé lidi fascinovalo, že lotosový květ je vždy nádherně bílý a kapka vody na jeho povrchu nezanechá žádnou stopu a steče z povrchu pryč, nebo že se gekon udrží na hladkém skle klidně i hlavou dolů a to i když s tímto sklem budeme divoce třepat.


Pokud jste četli předchozí odstavce pozorně, jistě už si snadno domyslíte, že všechny tyto pozoruhodnosti mají na svědomí struktura a složení povrchů ať už pokožky lotosového květu či pokožky gekonových tlapek. Řekněme si o těchto vlastnostech více a začněme lotosem.


Po zevrubném zkoumání těchto podivuhodných vlastností bylo zjištěno, že povrch lotosu je zbrázděn malými výčnělky, které na sobě dále nesou ještě menší struktury – výběžky o velikosti 10-9 m. Tyto výběžky jsou tak malé, že voda se mezi ně nedostane, díky povrchovému napětí má tvar koule, tudíž nepřilne k povrchu květu a skutálí se z něj pryč. Navíc ve vodě rozpustné nečistoty, jichž je v přírodě většina, jsou touto kapkou samovolně spláchnuty z povrchu pryč. Vlivem nanostruktury získává povrch lotosového květu samočistící vlastnosti. (3)


Samočistící schopnosti lotosových květů jsou v přímé souvislosti s vlastností povrchů materiálů, které se říká sočivost (3). Smáčivost je nejčastěji měřena pomocí kapičky vody nanesené na studovaný povrch. Voda, jakožto rozpouštědlo tvořené polárními molekulami H2O, zaujme na povrchu nejvýhodnější tvar – pokud jsou molekuly na povrchu dostatečně polární (nesou náboj), voda se rozlije do všech stran, protože polární molekuly H2O jsou přitahovány k nabitému povrchu – povrch je vodou smáčen ve vysoké míře, má vysokou smáčivost. Pokud jsou ale povrchové molekuly materiálu nepolární - nenabité, molekuly vody jsou spíše odpuzovány a voda vytvoří kulatou kapičku s minimální plochou v kontaktu s povrchem, materiál vykazuje nízkou smáčivost. Tyto vlastnosti jsou také popisovány slovy hydrofilní pro povrchy vodu přitahující a hydrofobní pro povrchy vodu odpuzující. Tyto vlastnosti mají velmi široké uplatnění a s hydrofilizací či hydrofobizací povrchů se můžeme setkat v nerůznějších oblastech lidské činnosti – povrchové úpravy čelních skel automobilů, povrchy přicházející do kontaktu s biologickými látkami, tkaniny odpuzující vodu, měřicí přístroje a mnoho dalších.


Přenesme se nyní do říše živočichů, kde zase vědcům nedává spát plaz gekon, zvláště jeho schopnost chůze po hladkých površích. Gekon leze po skle hlavou dolu, jakoby neexistovala gravitace a pokud byste ho chtěli ze skla jednoduše sundat proti jeho vůli, museli byste vyvinout značnou sílu. Tento fakt trápil vědce řadu let a až v roce 2002 prof. K. Autumn objevil (2), že síla tlapek gekona spočívá ve vytvoření chemické vazby mezi nohou gekona a povrchem, po kterém kráčí! Pro nezasvěceného by to mohlo být překvapivé – gekonovo tělo je tvořeno stejnými látkami jako těla ostatních živočichů a naše ruce s žádným povrchem samovolně chemické vazby netvoří. Pozorného čtenáře však jistě nepřekvapí, že i v tomto případě hraje důležitou roli povrchová struktura gekonových tlapek. Podrobným studiem jejich povrchu bylo zjištěno, že jsou pokryty mikroskopickými výběžky s nanometrickými výčnělky podobné miniaturním zpětným háčkům. Gekon je využívá při chůzi takovým způsobem, že při každém kroku položí nohu na povrch a lehce ji po něm posune směrem zpět. Háčky tak vniknou do mikroskopických nerovností a svými povrchovými molekulami interagují s molekulami povrchu, po němž kráčí. Vzniká tak chemická vazba založená na van der Waalsových interakcích.


Tak jako smáčivost i tento zajímavý fenomén již také nalezl svoje praktické využití a to při výrobě speciální lepicí pásky. Vyvinutá páska svými vlastnostmi dokonce předčí svoji předlohu v tlapkách gekona, kdy 1 cm2 pásky udrží na svislé skleněné tabuli závaží o hmotnosti 1600 g, s čímž by on měl už pravděpodobně nemalé těžkosti. (5)


Představili jsme si přírodní funkci nano struktur při samočištění lotosu a chůzi gekona a využití těchto principů pro praktické účely. Další velice zajímavou aplikací „nano“ modifikací povrchů lze získat tzv. SMART materiály citlivé na určité podněty. Jedná se o materiály, které např. po osvícení zářením o určité vlnové délce změní svoji barvu specifickým způsobem. Povrchy s takovými vlastnostmi se poté řadí mezi tzv. chameleonní materiály. Budoucí využití takovýchto materiálů by se podle sci-fi autorů určitě mohlo nabízet ve formě „neviditelného oblečení“. Podnětem pro SMART povrchy nemusí být pouze světelné záření, podnět může představovat i záření tepelné, změna pH či koncentrace solí či elektrický impuls. Jejich vlivem se pozmění povrchové vlastnosti materiálů díky změně vlastností povrchových molekul, které jsou citlivé na některý ze zmíněných podnětů. Mezi ovlivňované vlastnosti patří již zmíněná barva, dále smáčivost či fázové skupenství. Některé povrchy (oxidy a sulfidy kuvů) jsou dokonce schopné po osvětlení oxidovat organické nečistoty na svém povrchu a zajišťovat tak tzv. samočištění fotokatalytické.


Jako atraktivní aplikace popisovaných vlastností povrchů může být i takové použití, kdy nano-modifikována textilie reaguje na přítomnost toxické látky barevnou změnou – oděv by mohl zastávat funkci senzoru monitorujícího množství jedovatých látek v ovzduší.


Velice zajímavou a dnes především aktuální aplikací je použití nanomodifikovaných povrchů při výrobě elektrické energie. Speciální lak může být natřený na jakémkoli světlu přístupném povrchu a obsahuje tři složky – červené barvivo zachycující záření a generující po absorpci světla volné elektrony, krystalky (nanočástice) oxidu titaničitého s fotokatalytickými účinky a elektrolyt zodpovědný za vedení generovaného elektrického proudu k vodičům. (4)


Ze stručného výčtu některých možností je patrné, že využití povrchů modifikovaných v měřítku „nano“ je opravdu široké. Vlastnosti materiálů lze tímto způsobem měnit dle potřeby či je možné přidávat vlastnosti zcela nové. Dále může být charakter různých materiálů pozměněn způsobem, kdy by se již dalo hovořit o úplně jiném materiálu (s většinou předmětů se setkáváme pouze prostřednictvím interakcí jejich povrchů s fyzikálními podněty vnějšího světa). Inspirace přírodou a vylepšení funkčních systému je tou správnou cestou k získání povrchů s opravdu „magickými“ vlastnostmi. Přestože je již řada dosažených výsledků využívána v praxi, existují zde široké možnosti pro vylepšování stávajících a objevování nových principů a poznatků na poli „nano“ modifikací.


Závěrem je nutné podotknout, co už čtenáři jistě neuniklo – o povrchy tu jde především.



Karel Lacina

Reference


(1) http://cs.wikipedia.org/wiki/Mikroskopie_atom%C3%A1rn%C3%ADch_sil,


(2) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99:12252-12256.


(3) http://www.osel.cz/index.php?clanek=1221


(4) http://www.mmspektrum.com/clanek/nanotechnologie-v-automobilovem-prumyslu


(5) http://www.rozhlas.cz/leonardo/technologie/_zprava/paska-prekonala-gekona--507123


Vygenerované za: 0.03 sekund
572,972 návštěv