Nanočásticemi proti špíně

Rychleschnoucí plavky či zrcadlo, které se nezamlží: to jsou některé z vynálezů inspirovaných přírodou.

Lotos. Není náhoda, že symbolem čistoty se stala právě tato rostlina. Květina, kterou najdeme v bažinatých vodách doslova neposkvrněnou, fascinuje lidstvo odnepaměti. Teprve moderní technologie ale umožnily nechat se jí inspirovat k výrobě materiálů s podobně obdivuhodnými vlastnostmi.
Kouzlo lotosových listů odhalil v 80. letech minulého století fyzik Wilhelm Barthlott zBonnské univerzity. Přestože selský rozum napovídá, že čím hladší materiál vyrobíme, tím čistší se nám ho podaří udržovat, ve skutečnosti je tomu právě naopak. Musíme ovšem zabrousit do mikrosvěta.
Vědec zjistil, že povrch lotosových listů pokrývají tisíce mikroskopických výběžků z vosku. Tento materiál, jak známo, odpuzuje vodu. Ale to není všechno. Díky fyzikálním zákonům mají kapky vody tendenci dotýkat se minivýběžků co nejmenší částí svého povrchu. Tím pádem kapky získávají tvar téměř ideální koule a snadno se kutálejí pryč. Zároveň na sebe jako sněhová koule nabalují všechny nečistoty, které jim přijdou do cesty. Obyčejná kapka přitom dokáže špínu jen rozmáznout.

Kouzelná lžička na med
Pro popsaný jev se ujalo pojmenování lotosový efekt. Další výzkumy ukázaly, že v přírodě není ojedinělý. Podobnou strukturu najdeme i na listech tulipánů či rákosu nebo na motýlích křídlech. Přesvědčit odbornou veřejnost o praktickém využití lotosového efektu ale nebylo vůbec snadné, takže léta trvalo, než objev opustil laboratoř. Barthlott si nakonec skeptiky získal svojí speciální lžičkou na med. Díky povrchu s miniaturními silikonovými výběžky z ní všechen med dokonale steče a neulpívá na ní.
Slibným materiálem, u něhož by se mohl lotosový jev v nejbližší době uplatnit, jsou textilie. Barthlott už vyrobil tkaninu, která zůstala suchá i po čtyřech dnech pod vodou. Stále suché plavky, které nestudí, by si přál každý. Stejně jako boty, které nikdy nepromoknou, aniž byste je museli pravidelně krémovat, impregnovat nebo jinak udržovat. Zároveň s přehledem odolávají špíně.
Totéž pochopitelně platí i pro běžné oděvy. Představte si, že byste se u stánku s rychlým občerstvením už nikdy nemuseli strachovat, že si potřísníte košili hořčicí či kečupem. Stačí látkou trochu zatřepat a skvrny jsou pryč. Jediní, koho tato novinka příliš nepotěší, jsou výrobci pracích prášků...

Na lodě a domy
Další slibnou aplikací nanočástic je vývoj nátěrových hmot pro trupy lodí. Na jejich ponořené části se totiž přichytávají korýši a mořské řasy. Tím se zvyšuje tření, takže zarostlá loď spotřebuje až o 40 procent více paliva než čistá.
"Používají se sice nátěry, které vodní rostliny a živočichy odpuzují, ale většina znich je toxická. Obsahují totiž měď nebo cín," říká belgický výzkumník Fréderic Luizi. Ten se podílí na mezinárodním projektu Ambio, jehož cílem je najít ekologičtější řešení. Vývoj je zatím v laboratorní fázi. Vědci testují nejvhodnější velikost nanočástic, které vodní fauně i flóře zabrání usazovat se na povrchu.
V současné době se lotosový efekt využívá hlavně ve stavebnictví. Několik firem už nabízí speciální fasády s obsahem nanočástic, které mají zabránit prachu, blátu, ale třeba i čmáranicím sprejerů, aby se usazovaly na zdi.
Pracuje se pochopitelně také na vývoji skla s podobnými vlastnostmi. To by se mohlo používat v automobilech, ale i v mrakodrapech. Stačí, aby občas zapršelo, a okna jsou umytá. Podle článku zveřejněného nedávno na stránkách časopisu Scientific American se Barthlott těší, až vznikne samočisticí Manhattan.

Zabiják bakterií
Samočisticí skla sice už pár let existují, ale fungují na jiném principu. Nevyužívají fyzikálních, nýbrž chemických vlastností nanočástic. Pokrývá je totiž tenoučká vrstva oxidu titaničitého, který působí jako takzvaný fotokatalyzátor. Když na něj posvítíme ultrafialovým zářením (obsaženým v obyčejném slunečním světle), dojde k chemické reakci. Organické látky - včetně buněčných stěn bakterií - se rozkládají na oxid uhličitý a vodu.
Nanočástice oxidu titaničitého tedy mají nejen čisticí, ale dokonce antibakteriální a antipachové schopnosti. Mohou být naneseny na nejrůznější materiály, takže se nabízí jejich využití například v kuchyních, koupelnách či v nemocnicích.
Donedávna ale stála v cestě těchto aplikací paradoxní překážka, a sice obyčejné sklo. Nepropouští totiž ultrafialovou složku slunečního záření, takže v uzavřených budovách kouzlo nefunguje.
Tuto bariéru se ale už vědcům podařilo obejít. Přidávají k oxidu titaničitému nanočástice dalších látek (například křemíku), které způsobí, že reakci dokáže vyvolat i jiné světlo, nejen ultrafialové. Kromě toho se ukázalo, že podobné vlastnosti jako oxid titaničitý mají také nanočástice stříbra. Výrobky s jejich příměsí se už objevují na trhu. K dostání jsou například lednice s antibakteriálním povrchem, nanoponožky zabraňující zápachu nohou, ale také dezinfekční masti nebo zdravotní roušky a náplasti s obsahem stříbrných nanočástic.

Konec námrazy
V posledních letech se ale ukazuje, že při vývoji samočisticích skel lze přece jen využít nejen chemických, ale i fyzikálních nanočástic oxidu titaničitého. Zatímco lotosový efekt je založen na extrémní odpudivosti vody (hydrofobii), paradoxně může stejně dobře posloužit opačná vlastnost: přilnavost vody (hydrofilie).
Když na skle pokrytém vrstvou oxidu titaničitého kondenzuje vodní pára, netvoří miniaturní kapičky, kvůli nimž se obvykle zamlžují okna nebo zrcadla v koupelně. Místo toho hydrofilní povrch pokryje souvislá tenká vrstva vody, po níž špína sjíždí jako po skluzavce. Sklo se tedy neumaže ani neopotí.
Jiný přístup ve vývoji skla, které se nezamlžuje, zvolili Michael Rubner a Robert Cohen z Technologického institutu v Massachusetts (MIT). Pokryli je střídavými vrstvami nanočástic křemíku a molekul speciálního polymeru. Mezi nimi zůstávají dutinky, do kterých se nasává voda jako do houby. Když se póry zaplní, voda stéká pryč z okraje skla. Povrch se nezamlžuje ani nad hrncem s vroucí vodou.
Rubner s Cohenem nyní jednají s firmami o komerčním využití svého vynálezu.
"Může se uplatnit při výrobě zrcadel do koupelen nebo okének do automobilů. Když se nich neusadí žádná voda, nemusíte z nich už nikdy za chladného rána seškrabovat námrazu," říká Rubner.
Vývoj nanomateriálů ovšem pokračuje bleskovým tempem, takže se dá předpokládat, že se v následujících letech dočkáme mnoha dalších aplikací, které by nás dnes nenapadly ani v nejdivočejších snech.

AUTOR: Eva Vlčková,
redaktorka Lidových novin

Nanotechnologie mezi námi
S nanočásticemi se už dnes setkáme v různých oblastech:
Stavebnictví - samočisticí skla, nátěry a fasády.
Medicína - diagnostika, cílené doručování léků, pěstování umělých tkání, obvazy.
Komunikace - polovodiče s novými vlastnostmi, nové typy displejů, kvantové počítače, optika.
Spotřební zboží - potraviny (barviva, dodávání živin), textilie, kosmetika, lednice.
Slibným materiálem, u něhož by se mohl lotosový jev v nejbližší době uplatnit, jsou textilie.