Vitajte v nanosvete: Nanomateriály

Mysleli ste si, že nanomateriály sú úplne novou záležitosťou? Omyl. Zatiaľ čo ľudia začali objavovať nanosvet až v 20.storočí, príroda toto zdanlivé tajomstvo pozná už celé tisícročia. Stačí sa pozrieť okolo seba, na bunky v tele či minerály. Všade sa totiž skrývajú nanoštruktúry.

Prvý  objav bol už z roku 400 n.l. Boli to tzv. Lykurgove poháre, ktorých analýza potvrdila, že obsahujú malé množstvo zlata a striebra vo forme nanokryštálov o veľkosti 70 nm. Dodnes však nie je známe, akou technikou boli vyrobené, preto táto téma ostáva aj naďalej záhadou.

Ale čo sú to vlastne nanomateriály a prečo sú také zaujímavé? Aj keď pojmov je nespočetné množstvo, podstata je veľmi jednoduchá. Sú to všetky častice, materiály a štruktúry, ktoré sú v rozsahu 1 až 100 nanometrov, teda voľným okom neviditeľné. Vďaka ich malému rozmeru nadobúdajú takéto materiály vlastnosti, ktoré by v normálnom stave nedosiahli a tým zväčšujú svoj rozsah využitia. Najdôležitejšími vlastnosťami sú: pohyblivosť vo voľnom stave; reaktivita; špecifická vodivosť; obrovský povrch vzhľadom na malý objem častice či absorpcia svetla o rôznych vlnových dĺžkach, keďže nanočastice sú v roztoku farebné.

Poďme sa teda pozrieť, s akými druhmi sa môžeme stretnúť. Najtypickejším príkladom sú nanoprášky a nanočastice. V prvom prípade ide o klasickú práškovú formu látky, akú poznáte v bežnom živote. Nanočastice sú väčšinou pripravené v koloidnej forme, to znamená, že sú rozptýlené v roztoku. Ďalším typmi sú kompozitné materiály, ktoré obsahujú zvyčajne matricu, na ktorú sú nanesené nanočastice; tenké vrstvy; zliatiny; polyméry či nanokeramika a to ani zďaleka nie je všetko.

V neposlednom rade si kladiete otázku, ako môžu byť vyrobené. Záleží však na tom, aké nanomateriály chceme vyrobiť. Poznáme dve veľké skupiny metód prípravy, a to metódy dispergačné a kondenzačné. Dispergačné sa zakladajú na fyzikálnych procesoch, kedy vytvárame malé častice z veľkých. Existuje veľké množstvo technologických postupov.

Začneme prvým, ktorým je mechanické mletie. Na prípravu nanočastíc mletím sa používajú guľové mlyny, pričom v najúčinnejšom z nich obsahujú gule 30 – 40% objemu mlyna. Najprv sa pevná látka pred mletím rozmieša s disperznou kvapalinou na tuhú suspenziu. Následne sa táto suspenzia drví tlakom, údermi a následne roztieraním, pričom vzniká jemný nanoprášok o veľkosti jednotiek až desiatok nm.

Ďalším technologickým postupom je laserová ablácia. Koloidná sústava vzniká pôsobením laserového lúča na cieľový materiál a následným uvoľnením nanomateriálu. Veľkosť vzniknutých nanomateriálov závisí od intenzity daného laseru a na dĺžke ožarovania. Laserový zdroj by mal pracovať vo frekvencii od 1- 20 Hz do vlnovej dĺžky 213 nm. Na detekovanie výsledného signálu nám slúži CCD detektor.

Rovnako zaujímavou metódou je elektrické rozprašovanie alebo tiež Electrospray. Predstavte si elektrickú striekačku s vhodným roztokom a podložku so substrátom. Tieto dva komponenty sú prepojené kapilárami, ktoré sú napojené na elektrické napätie. Pri každom v streku na podložku je na roztok vkladané elektrické napätie o veľkosti 3 kV, dôsledkom čoho vznikajú nanočastice, ktoré dopadajú na substrát. Táto metóda sa používa predovšetkým na zisk tenkých vrstiev nanočastíc rôznych kovov, ktoré sa využívajú na zosilnenie signálu.

Veľmi efektívnou a hlavne nenáročnou metódou je výroba nanomateriálov pomocou ultrazvuku. Rozpadávanie častíc na nanorozmery je vyvolané dodanou frekvenciou, ktorá môže za namáhanie  a následný zánik interakcií medzi časticami.  Pre laboratórne a priemyselné účely sa používajú ultrazvuky, ktoré pracujú s výkonom 2-16 kW. Ultrazvuková kavitácia v kvapalinách spôsobuje vysokorýchlostné prúdenie až 1000 km / hod.

Druhou skupinou sú metódy kondenzačné, ktoré spočívajú vo vytvorení častíc vhodnou chemickou reakciou. Azda najslávnejšou výrobou nanočastíc striebra sa stal Tollensov proces, ktorý vám zaberie iba 5 minút. Príprava spočíva v obyčajnej chemickej redukcii komplexu cukrom! Áno, čítate dobre. Po prídavku vhodného množstva maltózy dostaneme častice, ktoré sa v dnešnej dobe používajú naozaj často a sú úzko späté s medicínou.