Nanomateriály, jejich použití a přínosy

14.9.2 Nanomateriály, jejich použití a přínosy

prof. RNDr. Pavel Danihelka

Nanomateriály pokrývají rozmanitou škálu materiálů. Mezi hlavní kategorie z hlediska objemu trhu patří anorganické nekovové nanomateriály (např. syntetický amorfní oxid křemičitý, oxid hlinitý, oxid titaničitý), uhlíkové nanomateriály (např. uhlíková čerň – saze, uhlíkové nanotrubice, fullereny, grafen), kovové nanočástice (např. nanostříbro, nanozlato) a organické, makromolekulární nebo polymerní částicové materiály (např. dendrimery). Nanomateriály existují v různých formách a mohou být upraveny pro získání požadovaných vlastností nebo pro konkrétní použití (SWD(2012) 288 final).

Ve fázi výzkumu a vývoje jsou již nové typy nanomateriálů, které jsou často označovány jako nanomateriály "druhé generace" (systémy cíleného transportu léčiv, adaptivní struktury a spouštěče), "třetí generace" (nová robotická zařízení, trojrozměrné sítě a řízená kompletace) a "čtvrté generace" (design a samosestavovací schopnost).

Mezi nanomateriály, které jsou v současné době na trhu, je objemem zdaleka nejvíce zastoupena uhlíková čerň a amorfní oxid křemičitý. Tyto dva druhy nanomateriálů jsou spolu s několika dalšími na trhu již desítky let a existuje pro ně široká škála využití. Další nanomateriály vyskytující se na trhu ve významných množstvích jsou: oxid hlinitý (odhadem 200 000 t), titaničitan barnatý (15 000 t), oxid titaničitý (10 000 t), oxid ceričitý (10 000 t) a oxid zinečnatý (8 000 t). S uhlíkovými nanotrubičkami a uhlíkovými nanovlákny se v současné době obchoduje v množství několik stovek tun za rok (některé odhady se blíží až několika tisícům tun). Roční tržní objem nanostříbra se pohybuje kolem 20 tun. Existuje velké množství nanomateriálů, které jsou buď ještě ve fázi výzkumu a vývoje, nebo jsou uváděny na trh ve velmi malých množstvích, zejména pro technické a biomedicínské aplikace.

Využití nanomateriálů je velice rozmanité, od aplikací ve výrobcích každodenní potřeby až po vysoce specializované malosériové technické aplikace, např. V elektronice a biomedicíně. Zdaleka největší využití nacházejí nanomateriály jako zpevňující látky v pneumatikách a ostatních pryžových výrobcích (světový trh kolem 15 mld. €, především uhlíková čerň). Následují funkční plniva v polymerech (cca 1,5 mld. €, zejména syntetický amorfní oxid křemičitý, v menších množstvích také další oxidy kovů a stříbro), různá použití v elektronice (1 mld. €), v kosmetice (100 mil. €) a biomedicínské aplikace (60 mil. €). V elektronice mají největší využití v CMP (chemical mechanical planarisation) slurries, tj. jemné abrazivo používané při přípravě elektronických součástek; využíván je především koloidní syntetický amorfní oxid křemičitý, následují vícevrstvé keramické kondenzátory (MLCC, hlavně titaničitan barnatý). V kosmetice jsou využívány zejména syntetický amorfní oxid křemičitý, oxid titaničitý a oxid zinečnatý. Mezi nejrozšířenější biomedicínské aplikace (z hlediska objemu trhu) patří nanočástice zlata používané v diagnostice a nanočástice stříbra (např. v nemocničních textiliích). Kromě těchto aplikací jsou nanomateriály hojně využívány v barvách a nátěrech, katalyzátorech, solárních a palivových článcích atd.

Mezi hospodářská odvětví s nejvyšším využitím nanomateriálů patří: letectví (např. odlehčené materiály, odolné barvy a nátěry pro aerodynamické plochy); automobilový průmysl a doprava (např. barvy a nátěry odolné proti poškrábání, plasty, maziva, kapaliny, pneumatiky); zemědělsko-potravinářský sektor (např. senzory pro optimalizaci produkce potravin); stavebnictví (např. izolace, odolnější stavební materiály, samočisticí okna); výroba energie (např. fotovoltaika) a její uchovávání (např. palivové články a baterie); životní prostředí (např. remediace půdy a podzemních vod); kosmetika (např. opalovací krémy, zubní pasty, pleťové krémy); zdravotnictví, medicína a nanobiotechnologie (např. cílený transport léčiv); informační a komunikační technologie, elektronika a fotonika (např. polovodičové čipy, nová zařízení pro ukládání dat a displeje); zabezpečení (např. senzory pro detekci biologických látek) a textilie (např. ochranné oděvy, silnější a samočisticí vlákna, vlákna odolná proti požáru).

Přínosy nanomateriálů jsou tak různorodé jako samotné nanomateriály a jejich použití. Nanomateriály jsou užitečné v mnoha směrech – pomáhají zachraňovat životy (např. cílený transport léků, chemoterapeutik a radioterapeutik), dosahovat zásadních objevů ve výzkumu, jež umožňují nová využití, pomáhají snižovat dopady na životní prostředí (např. fotovoltaické články a baterie, odlehčené vysokopevnostní materiály) či zdokonalovat funkce výrobků každodenní potřeby (např. uhlíková čerň v pneumatikách, syntetický amorfní oxid křemičitý v polymerech, potravinová aditiva).

Nanotechnologie byla označena za klíčovou technologii (KET), která představuje základnu pro další inovace a nové výrobky v různých průmyslových sektorech. Tyto aplikace budou mít zásadní význam pro konkurenceschopnost široké škály výrobků pocházejících z EU na světovém trhu. V této oblasti špičkových technologií působí rovněž mnoho nově založených malých a středních podniků a osamostatněných společností. Odhaduje se, že obor nanotechnologií v současné době v EU přímo zaměstnává 300 až 400 tisíc lidí, přičemž tento počet stále roste.

Nanomateriály mohou v mnoha oblastech významně přispět ke zvládnutí budoucích výzev a cílů strategie "Evropa 2020", jako je inteligentní růst, rozvoj ekonomiky založený na znalostech a inovacích, udržitelný růst a podpora nízkouhlíkové konkurenceschopné ekonomiky šetrné k životnímu prostředí. Mohou mít velký přínos v oblasti zelených technologií a ochrany životního prostředí (např. senzory pro chytré elektrické rozvodné sítě, filtry pro pitnou vodu). Prostřednictvím podpory nových pracovních míst a udržením stávajících pracovních míst v EU mohou také přispět k celkovému ekonomickému růstu.

Specifické vlastnosti a technologické výhody nanomateriálů vyplývají, jednoduše řečeno, z pravidla "velikost rozhoduje", a to jednak díky obrovským povrchům, které nanočástice reprezentují, jednak díky skutečnosti, že se u nich již začínají uplatňovat vlastnosti mikrosvěta, jako je vlnová mechanika nebo kvantové chování. Tak částice TiO₂, jsou-li ještě o rozměrech mikrometrů, jsou čistě bílé a používají se jako pigment například na nátěry stěn. Je-li vytvořena nanostruktura bloků krystalické struktury TiO₂ ohraničených nestechiometricky atomy titanu o nižším valenčním stavu (trojmocenství), získá materiál intenzivně modrou barvu a izolované nanočástice oxidu titaničitého jsou průhledné. Stejně tak platina v kompaktním stavu je velmi málo reaktivní, kdežto v nanoformě platinová čerň dokáže svým povrchem iniciovat vzplanutí směsi hořlavého plynu (např. vodík, metan) se vzduchem, nanoželezo je pyroforické, a je-li rozptýleno ve , samo vzplane a v kompaktní podobě nereaktivní zlato má v nanopodobě reaktivitu srovnatelnou s alkalickými kovy. To samozřejmě implikuje nově se objevující bezpečnostní problémy, týkající se především bezpečnosti práce a technologických procesů. Otázkou zůstává, nakolik lze chápat jako nanomateriály i polymery, protože v některých případech, například při přípravě tzv. směrovacích léčiv, která například dokážou dopravit cytostatikum v netoxické formě do nádoru, se také využívá nanotechnologií.

Rozsáhlou aplikační sférou je využití nanomateriálů v povrchových úpravách. V současnosti se využívají nanomateriály v otěruvzdorných a korozivzdorných povlacích a na površích účastnících se katalýzy. Na principu nanomateriálů fungují i speciální povrchové úpravy zabraňující znehodnocení fasád "sprejery" (graffiti). Při výrobě filtrů pro separaci a čištění tekutin při průmyslových procesech nebo čištění odpadních kapalin se začaly používat nanočástice TiO₂ a ZrO₂, a to hlavně pro jejich schopnost zachycovat toxické kovy a jiné škodlivé materiály a fixovat živé mikroorganismy včetně patogenních. Zde se nejen nabízí využití v bezpečnostní sféře v oblasti zvyšování spolehlivosti, ale i nové potenciální aplikace, například v CBRN bezpečnosti.

Na trhu jsou již řadu let nanostrukturované povlaky vysoce odolné otěru využívané v povrchové úpravě řezných nástrojů nebo existují obkladačky s povrchovým filmem z nanočástic, které odpuzují špínu. Použití submikroskopických částic na povrch způsobuje jeho odolnost vůči agresivním a povrchově aktivním chemikáliím.

Například firma BASF patentovala proces povrchové úpravy oceli chemicky nanášeným niklem ve formě…