Nanotechnologie a nanomateriáy

Definice pojmu „nanotechnologie“ se poněkud v jednotlivých programech a u různých autorů liší. Jako první použil tohoto termínu Taniguchi v roce 1974 [1], když popisoval výrobní technologie a měřící techniky, při kterých je možné dosáhnout přesností v nanometrech. Dnes má tento pojem širší pojetí.

Nanotechnologie je studium a použití materiálů, zařízení a systémů o rozměrech řádově nanometrů [2].

Nanotechnologie je populární termín pro vytváření a využití funkčních struktur s minimálně jedním charakteristickým rozměrem měřeným v nanometrech [3].

Nanotechnologie si lze představit jako všezahrnující popis aktivit na úrovni atomů a molekul, které mají uplatnění v reálném světě [4].

Nanotechnologie je rozvíjející se obor výzkumu a vývoje zaměřený na řízení struktury materiálů v nanorozměrech (0,1 – 100 nm, alespoň v jednom rozměru). Nanotechnologie je rovněž skupina rozvíjejících se technologií (technologie v pevném stavu, biotechnologie, chemické technologie aj.), které metodami shora dolů (top-bottom) a zdola nahoru (bottom-up) konvergují k nanorozměrům. V současné době sestává nanotechnologie ze čtyř hlavních oblastí: nanoelektroniky, nanomateriálů, molekulární nanotechnologie a mikroskopů pracujících s rozlišitelností v nanometrech [5].

Nanotechnologie je v podstatě nauka o materiálech o rozměrech nanometrů [6].

Nanomateriály se vyznačují následujícími společnými znaky [7]:

1. stavebními jednotkami jsou nanočástice s definovanými vlastnostmi: rozměry, tvarem, atomovou strukturou, krystalinitou, mezifázovým rozhraním, homogenním/heterogenním složením a chemickým složením. Rozměry jsou limitovány v oblasti od molekul k pevným částicím menším než 100 nm. Vlivem malých rozměrů v některých případech počet povrchových atomů převyšuje počet atomů ve vnitřním objemu.
2. tyto stavební jednotky jsou uspořádané v makroskopických multi-klastrových materiálech s velmi různorodým topologickým pořádkem. Chemicky identické částice mohou být těsně uspořádány a kompaktovány za vzniku hranic zrn. Částice mohou být oddělené nebo spojené koalescencí nebo podložkou a mohou vytvářet nanodrátky, nanotrubice, nanokompozity, keramické a nebo jiné tenké filmy nebo vrstvy.
3. stavební jednotky a jejich topologie mohou sloužit pro vytváření rozměrnějších materiálů vhodných pro technické aplikace
4. Citovaná literatura:
5. Nanomateriály (nanostrukturní materiály) jsou ty, jejichž nové vlastnosti jsou určeny charakteristickými znaky (částice, klastry, dutiny) o rozměrech mezi 1 – 100 nm, při nejmenším ve dvou rozměrech.

1. Taniguchi, N.: On the basis concept of nanotechnology, Proc. Int. Conf. on Production Engineering, part 2, Tokyo, JSPE, 1974,
2. Nanotechnology-overview, Advanced Materials & Processes, May 2000, str. 48-51,
3. Nanotechnology research directions: IWGN Workshop Report, ed. by M.C. Roco, R.G. Williams, P. Alivisatos, Int. Technology Reasearch Institute, Washington, Sept. 1999,
4. What is nanotechnology?, The Institute of Nanotechnology, http://www.nano.org.uk/whatisit.htm,
5. Wolde, A.: Nanotechnology – Towards a molecular construction kit, Netherlands Study Centre for Technology Trends (STT), Den Hague, 1998,
6. Chemistry of advanced materials – an overview, ed. by L.V. Interrante, M.J. Hampden-Smith, Willey – VCH, 1998, str. 14,
7. Dutta, J., Hofmann, H., Schmid, G.: European consortium on nanomaterials, Advanced Materials, 8 |7|, str. 555-557 (1996)
8. Vacek, J., Michl, J.: Molekulární stavebnice, Vesmír 5/2002, str. 256-262

Jak se podílí naše univerzita na rozvoji nanotechnologií?

Textilní fakulta (KNT) rozvíjí vlastní vynálezy na přípravu elektrozvlákněných nanotextilií. Základní informace: http://www.ft.vslib.cz/depart/knt/nove/dokumenty/studmaterialy/ntt/nanoact.ppt.

Strojní fakulta (katedra materiálů) rozvíjí povlakování materiálů nanovrstvami v širokém rozsahu.

Katedra chemie Fakulty pedagogické rozvíjí využití metody sol-gel pro vytváření nano- a mikro-vrstev vhodných pro úpravu povrchů a stavbu mikrosenzorů a výpočty parametrů látek a chemických dějů z molekulární struktury. (více v prezentacích katedry chemie http://www.fp.vslib.cz/kch/public/molekul%e1rn%ed%20modelov%e1n%ed.pdf, http://www.fp.vslib.cz/kch/public/senzory.pdf a dalších).

FS TUL otevřela centrum Nanodiam (T-UNI –19. října 2005)

Šesté evropské centrum Nanodiam zabývající se problematikou nanomateriálů  bude v Liberci. Dnes ho slavnostně otevřela katedra materiálů fakulty strojní Technické univerzity v Liberci ve spolupráci s Technickou univerzitou v Lodži jako součást sítě centra Excelence.  Informoval o tom děkan fakulty strojní Petr Louda.

Centra Nanodiam se zabývají tenkými diamantovými vrstvami  v povrchových úpravách, jejich tvorbou, hodnocením vlastností a aplikacemi.

Síť těchto center je součástí 5. rámcového programu a pět center je rozmístěno po celém světě. Počet se již v blízké budoucnosti zvyšovat nebude, ale hlavním cílem stávajících center bude  vytvářet mezi sebou kvalitní vazbu a  úzce spolupracovat při řešení problémů související s uhlíkovými tenkými vrstvami,.

Fakulta strojní se intenzivně zabývá výzkumem aplikací diamantových vrstev v medicíně a spolupracuje se společností Škoda Auto Mladá Boleslav na výzkumu povlakových technologií se specializací na automobilový průmysl, konkrétně na snižování pozitivních odporů třecích  dvojic.

Organizace a formální záležitosti při projektu zakládání center Nanodiam jsou hrazeny z fondů Evropské unie.  Na otevření šestého centra Nanodiam získala fakulta strojní  TUL z Bruselu příspěvek ve výší 2 600 Eur. Do Liberec se na třídenní jednání sjeli čeští o zahraniční odborníci. Přednášeli zde například vědečtí pracovníci z Anglie, Polska, Ruska či Ukrajiny.

Další fází, kterou musí obstarat fakulta strojní je  vybavení laboratoře. „Počítáme s náklady ve výši několika milionů korun. Předmětem výzkumu liberecké laboratoře budou především dvě aplikace tenkých vrstev – biotolerantní pro povlakování v medicínských oborech a bariérové pro automobilový průmysl,“ uvedl děkan Louda.

Pracovní tým libereckého centra Nanodiam bude posílen o předního polského odborníka na nanotechnologie.  Na katedře materiálu od září pracuje na částečný úvazek  profesor Stanislaw Mitura, prorektor polské univerzity v Lodži. Členy jeho týmu jsou čeští i polští studenti doktorských programů.

Fakulta strojní TUL spolupracuje s polskou univerzitou při výzkumu tenkých vrstev již několik let. Obě školy již  provedly řadu společných testů. „Polští kolegové mají povlakovou technologii již odzkoušenou a část experimentů přenesou do libereckého centra Nanodiam,“  upřesnil Louda.

Nanovlákenné textilie – tři konkrétní aplikace (T-UNI – 10. listopadu 2005)

Tři konkrétní aplikace nové technologie průmyslové výroby nanovlákenných textilií představila na dnešní tiskové konferenci Technická univerzita v Liberci společně s firmou Elmarco. Nanotextilie by se měly podle vedoucího řešitelského týmu, prorektora TUL Oldřicha Jirsáka ve velmi krátké době uplatnit jako ústní roušky či respirátory a náplasti urychlující hojení ran a zabraňující tvorbě jizev. Blízká je i výroba filtrů pro klimatizace v nemocnicích, ale i v autech či domácnostech, nebo filtrů na vodu, které zachycují bakterie a zabraňují jejich množení

Objev unikátní technologie průmyslové výroby nanotextilií tvořených vlákny o průměru 50 až 200 nanometrů, se podařil týmu profesora Oldřich Jirsáka z katedry netkaných textilií v roce 2004. Firma Elmarco pak během v krátké doby dokázala vyrobit funkční prototyp stroje Nanospider, který představila společně s TUL na významných světových výstavách v Ženevě a Frankfurtu nad Mohanem. Nyní je už podle ředitele Elmarca Ladislava Mareše schopna nabídnout výrobní linku. V příštím roce plánuje výrobu zhruba deseti strojů. Objev je chráněn patentem v ČR a mezinárodním patentem .

„Povedlo se mimořádně efektivní spojení dvou subjektů. Dynamická firma dokázala realizovat to, co my jsme na univerzitě vymysleli a dotáhli k laboratorním zkouškám, Další realizace by ale byla nad naše síly,“ řekl Jirsák

Jemná struktura nanovlákenných textilií dokáže zachytit i velmi jemné částice, jako jsou mikroorganismy a částečně i viry. Přidáním dalších látek, třeba stříbra, navíc zadržené organismy ničí, což zvyšuje účinnost filtrů. „Podle testů naše roušky výrazně snižují možnost přenosu respiračních chorob, a mohly by tak pomoci bojovat například proti šíření ptačí chřipky,“ vysvětlil Ladislav Mareš. Výrobní náklady jsou přitom něj tak nízké, že by roušky neměly výrazně prodražit.

Podle Oldřicha Jirsáka nyní univerzita i firma pracují na vývoji dalších aplikací. Materiál má dobré izolační vlastnosti a může se využít také například jako hluková izolace v automobilech., letadlech a ve stavebnictví. Výrobci automobilů uvažují o využití nanovlákenných textilií i k filtraci vzduchu a ke snížení hlučnosti v kabině.

Firma Elmarco chce svoje aktivity v oblasti výroby nanotextilií výrazně rozšiřovat.. „Budeme proto posilovat náš pracovní tým. Hlavním dodavatelem pracovníků se zájmem o moderní technologie by měla být právě Technická univerzita v Liberci,“ uvedl ředitel Mareš.