Časopis 112 ROČNÍK XVIII ČÍSLO 2/2019

V rubrice POŽÁRNÍ OCHRANA rozebereme zásah u požáru ubytovny v Plzni. Informujeme vás o proběhlé odborné přípravě KIP týmu v Karlovarském kraji. Přečtete si analýzu usmrcených osob v přímé souvislosti s požárem. V rubrice INTEGROVANÝ ZÁCHRANNÝ SYSTÉM vás seznámíme s prací operátorů na lince TCTV 112. Informujeme vás o projektu „Zvýšení připravenosti HZS ČR k řešení rizik způsobených změnou klimatu“. V rubrice OCHRANY OBYVATELSTVA A KRIZOVÉHO ŘÍZENÍ vás hasiči z hlavního města Prahy seznámí s průběhem taktického cvičení Základna 2018. Dále jsme připravili náhled mimořádných událostí řešených na úrovni EU a současně představujeme nového zástupce na pozici operačního důstojníka ve Středisku pro koordinaci odezvy na mimořádné události. Představíme nanomateriály a jejich možné využití v ochraně obyvatelstva. V INFORMACÍCH se dočtete o charitativních akcích uspořádané pro Nadaci policistů a hasičů. 

Ještě v polovině minulého století nebylo zřejmé, že bychom někdy dokázali ovládat hmotu na atomární či molekulární úrovni. Převládala především představa rakouského teoretického fyzika Schrödingera, že atomy nelze přesně v prostoru lokalizovat, protože „atomy nelze pokládat za individuality, které lze identifikovat“. Většina vědců byla tudíž přesvědčená o praktické nemožnosti záměrně využívat atomy jako stavební jednotky prakticky použitelných zařízení. Koncem padesátých let 20. století se však našli jednotlivci, kteří předpověděli možnost konstrukce zařízení o molekulárních rozměrech.

Pravděpodobně prvním byl von Hippel, elektroinženýr z Massachussetts Institute of Technology, který zavedl pojem „molekulární inženýrství“. Jelikož molekuly mají rozměry řádově v nanometrech, vžil se postupně pro molekulární inženýrství termín nanotechnologie. Poté americký fyzik a nositel Nobelovy ceny Feynman v roce 1959 památnou přednáškou „There’s Plenty Room at the Bottom“ upozornil na možnost manipulace s objekty o nepatrných rozměrech.

Uplynulo přibližně dvacet let, kdy na uvedené průkopníky navázal americký inženýr Drexler, který uveřejnil článek o molekulárním inženýrství a upozornil na možnost použít jako základní stavební kameny proteiny. Ve svých článcích upozornil mimo jiné na pozitivní i negativní stránky molekulární nanotechnologie. V osmdesátých letech se postupně rozvinulo zkoumání možnosti syntézy a vlastností částic, krystalů, povrchů atd. řádově o rozměrech v nanometrech. Průlomovou událostí bylo vynalezení nových přístrojů umožňující nejen pozorování, ale i manipulaci s jednotlivými atomy a molekulami (např. rastrovací tunelový mikroskop). Možnosti využití vlastností stavebních prvků a zařízení o rozměrech nanometrů rozpoznali i biologové a začal výzkum jejich aplikace v medicíně, farmacii a biotechnologiích.

Předpona „nano“ pocházející z řeckého jazyka označuje „trpaslíka“, avšak ve vědě a technice znamená „nano“ 10-9, tj. jednu miliardtinu (=0,000000001). Pojem „nanotechnologie“ se používá jako společný pojem zahrnující různé obory nanovědy a nanotechnologie. Pojmově je nanotechnologie věda a technologie na atomární a molekulární úrovni a odkazuje na vědecké principy a nové vlastnosti, které lze pochopit a ovládnout. Tyto vlastnosti pak mohou být pozorovány a využívány na mikro a makro úrovni, například při vývoji materiálů a přístrojů s inovovanými funkcemi a výkonností. Nanostruktury, které jsou základními prvky nanomateriálů, jsou dostatečně malé na to, aby se v nich mohly uplatňovat kvantové jevy. Jsou však i tak rozměrné, že aplikace zákonů kvantové mechaniky při zkoumání jejich vlastností nemá význam. Dnes rozumíme individuálním vlastnostem atomů, ale prozatím málo rozumíme tomu, jak se chovají jejich seskupení a jak vznikají jejich leckdy neočekávané vlastnosti.

V současné době však nejde jen o poznání a charakterizování jevů, které se v nanosvětě projevují, ale i o praktické využití nových a neobvyklých vlastností nanomateriálů, nanosystémů a nanozařízení, které se snažíme cílevědomě vytvářet a spojovat je s objekty větších rozměrů. Nanotechnologie je interdisciplinární a průřezová technologie. Rozvíjí se v řadě oblastí, například v oblasti nanomateriálů, nanochemii, nanoelektronice a nanooptice, nanovýrobě, nanobiotechnologiích a v neposlední řadě v nanoanalytice zabezpečující analytické metody a nástroje pro porozumění základním jevům a pro charakterizování výrobků.

Definice nanotechnologie
Neexistuje všeobecně uznávaná definice – uvádíme dvě, které preferovali respondenti v anketě uskutečněné v České republice.

1. Nanotechnologie je výzkum a technologický vývoj na atomové, molekulární nebo makromolekulární úrovni, v rozměrové škále přibližně 1–100 nm. Je to též vytváření a používání struktur, zařízení a systémů, které mají v důsledku svých malých nebo intermediárních rozměrů nové vlastnosti a funkce. Je to rovněž dovednost manipulovat s objekty na atomové úrovni.
2. Nanověda je studium hmoty na atomové a molekulární úrovni (obvykle od 0,1 do 100 nm), kde se vlastnosti výrazně liší od vlastností při větších rozměrech. Nanotechnologie je aplikací těchto znalostí při vytváření užitečných materiálů, struktur a zařízení.

Příklady nanomateriálů v přírodě a technice
Přírodní materiály: biologické mate­riály, jako jsou bakterie, jejichž velikost se pohybuje v rozmezí 1–10 µm a viry s rozměry od 10 do 200 nm. Bílkoviny, které se obvykle vyskytují v rozměrech mezi 4 a 50 nm, aminokyseliny, každá s rozměrem okolo 0,6 nm. Polypeptidové nanodrátky odpovídající polypeptidové nanočástici o průměru od 4 do 50 nm, deoxyribonukleová kyselina (DNA) tvořící genetický materiál má rovněž strukturu zhuštěného nanodrátku. Molekulu DNA tvoří dva nanodrátky, které jsou obtočené jeden kolem druhého v útvaru o průměru přibližně 2 nm. Dalšími příklady jsou například lidská šlacha, kde základním stavebním kamenem je seskupení aminokyselin (0,6 nm), které tvoří protein podobný želatině zvaný kolagen (1 nm), který se stáčí do trojité šroubovice (2 nm) a lidské vlasy.

Nanomateriály v technice: například skleněné Lykurgovy poháry pocházející pravděpodobně z počátků 4. století našeho letopočtu za starověkého Říma. Chemická analýza pohárů ukázala, že sklo obsahuje malé množství zlata (cca 40 ppm) a stříbra (cca 300 ppm). Tyto kovy se ve skle nacházejí ve formě nanokrystalů o rozměrech přibližně 70 nm a způsobují unikátní barevnost skel.

Koloidní systémy – suspenze obsahující částice o rozměrech 1–100 nm. Saze, což jsou částice amorfního uhlíku o velikosti 10–500 nm, se používají především jako plnivo při výrobě pneumatik.

Chemická katalýza s katalyzátory s vysoce organizovanými kovovými nebo keramickými nanostrukturami obsahující nanopóry. Tyto materiály mohou být jak přírodní, tak syntetické a používají se nejen ke katalýze, ale i při adsorpci a při separačních technologiích. Nejznámější jsou zeolity obsahující rovnoměrné póry o velikosti 2–100 nm. Další příklady by bylo možné nalézt i v metalurgii. Jaké jsou tedy současné i budoucí možnosti nanotechnologií? Jde zejména o vývoj nových materiálů (např. nanokompozitů), využití v chemii (nanočástice, selektivní katalýza, fullereny), energetice (uskladňování plynů), IT a komunikacích (papírové displeje), nanostrojích, kvantovém počítání, biokompatibilních materiálech, tkáňovém inženýrství, při ultrafiltraci, nanosondách a řadě dalších oblastí.

Textilní nanovlákna a jejich výroba
Nanovlákna jsou textilní výrobky s průměrem menším než 1 000 nm. Jako surovina se dosud používá asi 50 syntetických a přírodních polymerů. Nanovlákna bývají označovaná za materiály 3. tisíciletí, které mají přinést revoluci v medicíně, elektronice, automobilovém průmyslu, dále ve filtraci, ochraně životního prostředí, nanokompozitech, energii a IT, ochranných pomůckách a bariérách. První pokusy o jejich výrobu se prováděly v letech 1934–1944. Společnost Formalas v tuto dobu publikovala řadu patentů popisujících experimentální instalaci pro výrobu polymerních vláken při použití elektrostatické síly. V roce 1952 Vonnegut a Neubauer vyrobili proud vysoce elektrifikovaných uniformních kapiček o průměru 0,1 mm a o tři roky později Drozin přišel s možností rozptylování řad tekutin do aerosolů při vysokém elektrickém potenciálu.

V roce 1966 profesor Simon patentoval přístroj na výrobu ultratenkých a ultralehkých nanovlákenných tkanin s různými vzorky při použití elektrického zvlákňování. Zjistil, že vlákna z nízkoviskózních roztoků mají tendenci se zkracovat a zjemňovat, zatímco vlákna z vysoceviskózních roztoků jsou poměrně stále spojitá.

V roce 1971 profesor Baumgarten zhotovil přístroj k elektrozvlákňování akrylových vláken s průměrem v rozmezí 0,05–1,1 mikronu. Zvlákňovaná kapka se uvolňovala z kapilárové trubky z nerezové oceli a její stálá velikost se udržovala úpravou přiváděcí rychlosti infuzní pumpou. Kapilárová trubka byla spojena s elektrodou o vysokém napětí, zatímco vlákna se zachycovala na uzemněné kovové cloně.

Na tyto badatele a především na jejich následníky ve firmách Reneker a Chun a Larronda a Manley navázal výzkumnou činností český tým prof. RNDr. Oldřicha Jirsáka, CSc., z Technické univerzity v Liberci, který patentoval technologii průmyslové výroby nanovlákenného materiálu. Tato technologie byla nazvána NanospiderTM.

V principu jde o modifikovaný způsob přípravy nanovláken a nanovlákenných vrstev metodou elektrostatického zvlákňování roztoků polymerů. Na rozdíl od ostatních metod, technologie NanospiderTM nepoužívá pro tvorbu vláken žádných trysek ani kapilár, ale slouží k tomu rotující válec částečně ponořený v roztoku polymeru. Technologie NanospiderTM umožňuje průmyslově vyrábět nanovlákna o průměru 50–500 nm. Tudíž tato vlákna nejsou viditelná pod běžnými mikroskopy, neboť vlnová délka světla se pohybuje v rozmezí 390–760 nm.

To pak tkaninám vyrobeným z nanovláken propůjčuje jedinečné vlastnosti. Kromě průhlednosti si při velmi nízké hmotnosti (0,5–5 g.m-2) zachovávají vysokou pevnost. Disponují také velmi vysokým počtem miniaturních pórů (několik nm). Díky nim mohou tyto látky bez problémů propouštět malé molekuly, například vzduchu nebo vody, a naopak zachytávat veškeré bakterie a většinu virů. Nanovlákno má tisícinásobně větší povrchovou plochu než například mikrovlákno, vysokou porozitu a vynikající tuhost a houževnatost. Jako textilie se nanovlákna zpracovávají jen ve formě netkaných textilií, tedy tvorbou vrstvy z náhodně uložených vláken. Vedle elektrostatického zvlákňování existuje několik dalších výrobních technologií, například předení průtahem, zvlákňování fázovým dělením nebo tzv. samosběrem, template sythesis (takto se vyrábí duté vlákno, například uhlíkové nanotrubičky) atd. Všechny tyto metody jsou málo produktivní a mají více kvalitativních nedostatků než elektrostatické zvlákňování.

Možnosti využití nanovláken v praxi
Nanovlákna lze využít v mnoha oblastech. Jde především o jejich použití v nanokompozitech, dále při filtraci, a to jak vzdušné (odstraňování virů, bakterií), tak i vodní. Využívají se také v kosmetice a hygieně, v biomedicíně jako obvazový a krycí materiál a v tkáňovém inženýrství. Filtrační materiály z nanovláken se mohou používat například pro inteligentní filtry s antibakteriálními účinky nebo s navázanými protilátkami. Lze je také použít jako bariérové materiály pro výrobu ochranných protichemických oděvů, ústenek, operačních roušek, HEPA filtrů a filtračních dýchacích roušek. Tyto materiály jsou nepropustné pro bakterie a viry a prosáknutí tělních tekutin. Významné využití představují také solární plachty a zrcadla pro použití ve vesmíru. Lze je použít také v zemědělství v aplikacích pesticidů na rostliny, pro nanovodiče, v informačních technologiích jako nosiče chemických katalyzátorů pro vodíkové nádrže a palivové články atd.

V současné době jsou firmou Elmarco patentované nanovlákenné materiály – Nanospider AcousticWebTM – zvukoabsorbční materiál se schopností pohlcovat zvuk o široké řadě frekvencí a Nanospider AntimicrobeWebTM – filtrační materiál sloužící k odstraňování fyzikálních nebo biologických nečistot z vdechovaného nebo vydechovaného vzduchu.

Uhlíková nanovlákna
V roce 1991 vědci v uhlíkovém nánosu vzniklém po obloukovém výboji objevili vysoce krystalická uhlíková vlákna, která měla průměr jen několik nanometrů a délku několik mikrometrů. Vlákna obsahovala atomy uhlíku uspořádané do grafénových pásů svinutých do tvaru bezešvé válcové trubice. Každé vlákno obsahovalo několik koaxiálně uspořádaných trubic. Nanotrubice (jednostěnná uhlíková nanotrubice má průměr přibližně 1,2 nm) disponují vynikající pevností a vodivostí. To vedlo k tvorbě fólie tenké pouze 50 nm. Díky nepatrné tloušťce je fólie dokonale průhledná. Její pevnost a zároveň velmi nízká hmotnost (1 km2 by vážil 30 kg) otevírá možnost využít ji jako sluneční plachty pro „přídavný pohon“ vesmírných objektů.

Závěr
Možnosti použití nanovláken pro ochranu dýchacích cest jsou omezené, tyto materiály sice dokážou zachytit větší částice jako například viry a bakterie, ale pro záchyt toxických plynů nejsou v současné době použitelné (výroba nanovláken spočívá v jejich nánosování na podložce, což v konečném efektu vede k růstu dýchacího odporu). Jejich využití by se především týkalo zdravotnických či hygienických roušek v lékařství, filtračních polomasek apod., popřípadě jako filtrační vrstvy (nahradila by skládaný filtr) v ochranných filtrech. Další možností se jeví filtrační oděvy, neboť nanovlákna vyráběná novou technologií NanospiderTM vykazují velmi dobré barié­rové vlastnosti. Z tohoto pohledu se jejich praktické využití dá spíše očekávat v ochraně před biologickými (bakteriologickými) látkami.

Významnějším nanomateriálem, zejména co se týče ochrany dýchacích cest, by mohla být uhlíkatá nanovlákna ve formě nanotrubic. Ta jsou svou povahou více podobná materiálům používaným v současné době v ochranných filtrech, tj. vhodně upravenému aktivnímu uhlí s mikro a makropóry. Je tady větší pravděpodobnost, že tento materiál bude póry zachycovat nejen větší částice, jako jsou například bakterie, viry, kapalné a plynné aerosoly, polétavý prach apod., ale i plynné toxické částice, a to díky porozitě, případně dodatečně vneseným chemickým látkám.


pplk. Ing. Vlastimil SÝKORA, CSc.,Institut ochrany obyvatelstva, foto archiv Technické univerzity Liberec

Print  E-mail  X Corp.   Facebook