Motto: malé rozměry s velkými možnostmi
Úvod
Jméno Technické univerzity v Liberci je spojováno s nanomateriály a nanotechnologiemi. Je to také díky světově uznávaným úspěchům ve výzkumu v oblasti nanovlákenných technologií, z nichž nejvýznamnější byl v roce 2003 objev řešitelského týmu profesora Oldřicha Jirsáka – technologický postup pro průmyslovou výrobu nanovláken. Ve spolupráci s libereckou firmou Elmarco pak byl v listopadu 2004 představen prototyp stroje NANOSPIDER a následně i první výrobní linky. Současný výzkum je mj. zaměřen na zdokonalení této technologie a její konkrétní aplikace v průmyslu a medicíně. Výzkumné aktivity v oblasti nanomateriálů na TUL zahrnují dále speciální povrchové úpravy, vývoj nanokompozitů, využití nanočástic při sanačních procesech.
První vizi nanotechnologií předložil v roce 1959 americký fyzik Richard Feynman. K masovému používání této technologie ale tehdy nedošlo. Hlavní příčinou je složitost průmyslové výroby nanovláken . Ke zvratu došlo, když na TUL vznikla technologie elektrospinningu – elektrozvlákňování roztoků polymerů ve stejnosměrném elektrostatickém poli o vysoké intenzitě.
Výzkum zaměřený na nanotechnologie na TUL
Fakulta textilní a nanovlákna
Nanovlákna mají průměr 50-500 nanometrů. Očekává se, že přinesou revoluci v medicíně, automobilovém průmyslu, kosmetice, energetice, ekologii …
Vědecký tým profesora Davida Lukáše vybudoval zcela novou (fyzikální) teorii, která vysvětluje patent elektrostatického zvlákňování z volných povrchů kapalin.
Vývoj se soustředí na hledání nových aplikací:
- Výrobky ke krytí ran mají hojivé účinky od zastavení krvácení po zabránění mokvání či přístupu bakterií a nečistost. Možnost dát do obvazu léčivé látky, které se postupně uvolňují a ničí bakterie v okolí rány
- Chirurgické materiály, které zabrání srůstu některých tkání.
- Vývoj speciálních materiálů pro medicínu zaměřených na implantáty Katedra netkaných textilií spolupracuje s Ústavem biofyziky a Ústavem neurověd 2. lékařské fakulty v Praze – Motole a s Ústavem experimentální medicíny a Ústavem makromolekulární chemie Akademie věd. Pod vedením profesora Lukáše pracuje na vývoji speciálních materiálů (scaffoldů), které budou sloužit jako „lešení“ pro pěstování tkáňové kultury buněk lidské chrupavky. Scaffold, se osází buňkami pacienta a vypěstuje se na něm mimo tělo pacientova jeho vlastní plnohodnotná tkáň – může to být kostní tkáň, nervová tkáň, chrupavka nebo jaterní buňky. TUL se zaměřuje na scaffoldy vhodné pro kolenní chrupavkové implantáty a pro náhrady jaterní tkáně.
- Filtrační materiály – jsou založeny na využití velkého měrného povrchu nanovlákenných materiálů. Díky tomu zachycují daleko větší množství částic, což znamená nadstandardně účinnou filtraci vzdušnin a vod. Nanovlákenné filtry jsou vhodné pro vysoce účinnou filtraci malých částeček, jako jsou například bakterie, viry, jemný prach, pyl, tabákový kouř, jsou součástí lékařských roušek.
- Stavební materiály a materiály pro automobilový průmysl – protihluková řešení
FT ve spolupráci s Fakultou mechatroniky
Nanovlákna, vyvíjená na Fakultě textilní TUL, jsou povrchově modifikována tak, aby sloužila jako filtrační média pro odpadní plyny či vody; jsou pokovována a využívána jako katalyzátory pro různé chemické procesy; nebo využívána jako nosiče pro bakterie (biodegradéry), které využívají kontaminanty jako zdroj uhlíku pro svoji obživu, a likvidují tak znečišťující látky ve vodách.
FT ve spolupráci s Fakultou pedagogickou
Katedra chemie věnuje pozornost přípravě nanovrstev metodou sol-gel pro různé aplikace, například ovlivnění vlastností povrchu textilií nebo senzorové vrstvy reagující na přítomnost vlhkosti a nebezpečných plynů a par. Senzory s nanovrstvami jsou určeny zvláště pro využití v inteligentních textiliích pro kontinuální sledování mikroklimatu v oděvech i složení okolního prostředí (speciálních lékařské, vojenské, záchranářské, ochranné oděvech a sportovní oděvy. Polymerní roztoky připravené metodou sol-gel byly úspěšně poloprovozně zvlákněny elektrostatickým zvlákňováním podle patentu TUL a připravená nanovlákna z čistého oxidu křemičitého jsou velmi perspektivní pro řadu aplikací v materiálovém inženýrství, například jako součást kompozitů.
Fakulta mechatroniky a mezioborových inženýrských studií – nanočástice železa
Výzkum nanočástic) železa a jejich využití pro řešení problémů životního prostředí. Zaměřuje se na využití těchto nanočástic v oxidačně redukčních reakcích při sanačních procesech. Jedná se o likvidaci znečištění podzemních, povrchových i odpadních vod od kontaminantů jako jsou šestimocný chróm, organická rozpouštědla či polychlorované bifenyly PCB. Realizuje projekt v rámci Výzkumného centra pokročilých sanačních technologií – má již sedm pilotních ověření v terénu, například v Kuřivodech..
Šestivalentní chrom je rozpustný ve vodě, a vyznačuje se proto velkou migrací. Je jedovatý a karcinogenní a pokud se dostane ke zdroji pitné vody, znamená proto velké zdravotní riziko. Elementární železo je schopné vyvolat oxidačně redukční reakci, při které se mění kontaminant na méně toxickou látku, nebo se v podzemí stabilizuje tak, aby kontaminace dále nemigrovala. Například redukce mocenství chromu v toxických látkách ze šesti na tři. Trojvalentní chrom je méně rozpustný i méně pohyblivý, vysráží se a kontaminovaná voda se stane opět pitnou.
Probíhají laboratorní pokusy na odstranění znečištění arzénem, ukazuje se, že po reakci s nanoželezem se snižuje jeho rozpustnost vazbou na vznikající oxidy železa Nadějně vypadají také experimenty reakcí nanočástic železa s šestimocným uranem, který nadlimitně vytéká z některých uranových dolů. Ten se po reakci s nanoželezem vysráží jako méně toxický čtyřmocný prvek.
Problematika možného ovlivnění životního prostředí rozptylem nanočástic je také velmi důležitý prvek jejich použití. Cílem je zjistit obecně rizika nanočástic na zdraví a životní prostředí: modelováním procesů migrací nanočástic ve vodách (koloidy) a rozptyl pevných nanočástic v ovzduší (aerosoly)
Novinkou jsou tzv. nanobambule, čili smotky nití obalených nanovlákny ve tvaru bambule, které se ukazují jako velmi nadějné nosiče pro mikroflóru, která má bioremediační vlastnosti pro odpadní průmyslové vody. Opět se zda využívá unikátních vlastností nanovláken a jejich obrovského měrného povrchu. Problematika je součástí úspěšného projektu, který bude financován v rámci Národního programu výzkumu II MŠMT.
Fakulta strojní – tenké vstvy a kompozity
Vědecké týmy pracující v oblasti materiálového inženýrství se zaměřují na nanokompozity a modifikace povrchu, zejména na výzkum tenkých vrstev a jejich aplikací. (O tenké vrstvě hovoříme, pokud se jedná o materiál o tloušťce od několika desítek nanometrů až po několik mikrometrů, který je vytvořený na základním materiálu tj. substrátu.)
V oblasti nanokompozitů se jedná především o kompozity s uhlíkovou či polymerní matricí vyztuženou uhlíkovými vlákny. Jsou považovány za perspektivní např. pro konstrukci kostních a kloubních náhrad a kostních implantátů
Zaměření výzkumu:
- technické aplikace
- řezné nástroje
- třecí dvojice
- bariérní vrstvy
- atd…
- medicínské aplikace
- aplikace různých alotropických modifikací uhlíku v medicíně (výborná biokompatibilita uhlíkových vrstev)
- diamantový prášek (vysoké protizánětlivé účinky a biokompatibilita)
- řezné nástroje (optické vlastnosti, odolnost proti opotřebení)
- atd…
Příprava nového studijního programu Nanotechnologie, obor Nanomateriály
Obor bakalářský i magisterský
Předpokládané zahájení výuky: říjen 2008
Charakteristika studijního oboru Nanomateriály: Jedná se o výrazně multidisciplinární studium, které se opírá o výsledky univerzitních pracovišť v oblasti výzkumu a vývoje nanomateriálů a jejich aplikací. Studijní plán usiluje o vyváženost teorie a praktických dovedností zařazením množství laboratorních cvičení a experimentálních metod studia struktury a vlastností nanomateriálů.
Výuku v programu Nanotechnologie budou zajišťovat odborníci ze čtyř fakult TUL (fakulty strojní, fakulty textilní, fakulty mechatroniky a mezioborových inženýrských studií a fakulty pedagogické) a Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR, ve kterém bude probíhat i část praktické výuky
Více informací na webové stránce: http://nano.tul.cz/
Využití nanotechnologií a nanomateriálů je velmi rozsáhlé. Příklady:
- elektronika – paměťová média, spintronika, bioelektronika, kvantová elektronika
- zdravotnictví – cílený transport léčiv, umělé klouby, chlopně, náhrada tkání, desinfekční roztoky nové generace, analyzátory, ochranné roušky
- strojírenství – supertvrdé povrchy s nízkým třením, samočisticí nepoškrabatelné laky, obráběcí nástroje),
- stavebnictví – nové izolační materiály, samočistící fasádní nátěry, antiadhezní obklady),
- chemický průmysl – nanotrubice, nanokompozity, selektivní katalýza, aerogely, kosmetické krémy a laky s UV filtrem
- textilní průmysl – nemačkavé, hydrofobní a nešpinící se tkaniny
- elektrotechnický průmysl – vysokokapacitní záznamová média, fotomateriály, palivové články
- optický průmysl – optické filtry, lasery a LED, fotonické krystaly a fotonická vlákna, integrovaná optika
- automobilový průmysl – nesmáčivé povrchy, filtry čelních skel
- kosmický průmysl – katalyzátory, odolné povrchy satelitů
- vojenský průmysl – nanosenzory, konstrukční prvky raketoplánů
- životní prostředí – biodegradace, odstraňování nečistot, značkování potravin
PhDr. Jaroslava Kočárková
mluvčí Technické univerzity v Liberci
telefon: 485354209
mobil: 602770114
3. února 2008