Nanovlákna jsou technologie budoucnosti: V čem spočívá jejich atraktivita a kde všude pomáhají?

Nanovlákna jsou s námi stovky let. Již v roce 1600 pozoroval William Gilbert chování tekutiny ovlivněné elektrickým polem vytvořeným třením střípku jantaru . V roce 1887 publikoval britský fyzik Charles Vernon Boys rukopis o vývoji nanovláken a o tom, jak by bylo možné je vyrábět. Jeho objevy následně pomohly americkému vynálezci Johnu Francisi Cooleymu podat první moderní patent na elektrostatické zvlákňování . To se psal rok 1900.

K největšímu vývoji došlo ve 20. století. V letech 1934 až 1944 si Anton Formhals nechal patentovat spoustu vylepšených postupů na výrobu textilních přízí obohacených o nanovlákna . Dvojici vědců Nathalii Rozenblumové a Igoru Petrjanov‑Sokolovovi se v roce 1938 podařilo pomocí elektrostatického zvlákňování vyrobit ultrajemný filtr známý taktéž jako Petrjanovův filtr . 

Mezi lety 1964 a 1969 vytvořil sir Geoffrey Ingram Taylor teoretický základ elektrostatického zvlákňování. Na počátku 90. let se společnostem Reneker a Rutledge podařilo prokázat, že k zvlákňování do nanovláken se dá použít celá řada polymerů. Od té doby se počet publikací o elektrostatickém zvlákňování každým rokem exponenciálně zvyšuje.

Revoluce v elektrospinningu přišla v roce 2004 na Technické univerzitě v Liberci, kde tým profesora Jirsáka zrealizoval zvlákňování z volné hladiny kapaliny (= Liquid Free Surface Electrospinning). V roce 2006 byl firmou ELMARCO, prodán první průmyslový stroj s pracovní šíří 1600 mm. Technologie Nanospider se oprávněně považuje za průlomovou, hlavně díky možnosti vyrábět nanovlákna ve skutečně průmyslovém měřítku. To vše díky jednoduchosti, spolehlivosti a flexibilitě vstupních surovin.

Zájem veřejnosti o nanovlákenné technologie stoupl nejvíce kvůli obličejovým rouškám a filtrům do respirátorů. Málokdo si uvědomuje, že  nanovlákna zjednodušují a zkvalitňují náš život po mnoho let  . Proč jsou nanovlákna tak ceněná a kde všude pomáhají?

Nanovlákna jsou vlákna s nanometrovým průměrem, která mohou být vyrobena z různých polymerů, a proto mají rozličné fyzikální vlastnosti a aplikační potenciál . Všechna polymerní nanovlákna jsou jedinečná díky velkému poměru povrchu k objemu, vysoké poréznosti, znatelné mechanické pevnosti a flexibilitě ve srovnání se svými mikrovlákennými protějšky.

Pokud hledáte materiál, který je zároveň odolný a přizpůsobivý, je nanovlákno jasnou volbou. Ve srovnání s konvenčními vlákny jsou nanovlákna lehká, mají malý průměr a variabilní strukturu pórů, díky čemuž jsou ideální pro použití v různých výrobních odvětvích , jako je filtrace vody, výroba ochranných oděvů, tkáňové inženýrství, zhotovování funkčních materiálů a skladování energie.

Navíc jsou tak variabilní, že je  lze vyrábět ze syntetických i přírodních materiálů.  Existují například nanovlákna uhlíková, polymerní, grafitová, kolagenová nebo celulózová, a to jsme stále nevyjmenovali všechny alternativy.

KDE VŠUDE NANOVLÁKNA POMÁHAJÍ?

Díky unikátním fyzikálním vlastnostem se nanovlákna dají využít v mnoha odvětvích lidského působení . Nejsou to jen ultrajemné roušky a filtry do respirátorů ‑ nanovlákna nám pomáhají i jinde.

TKÁŇOVÉ INŽENÝRSTVÍ

V tkáňovém inženýrství se nanovlákna používají k výrobě scaffoldů podporujících růst, množení a reprodukci biologické tkáně, která má být nahrazena . Nejčastěji se využívají k zakrytí a vyhojení popálenin a řízenému uvolňování a dopravování léků do poškozené tkáně.

Vlastní biodegradovatelnost scaffoldu umožňuje transplantaci tkáně a její zhojení bez nutnosti chirurgického odstranění nanovlákenného lešení . 

FILTRACE KAPALINY

V oblasti kapalinové filtrace se používají nanovlákenné membrány s póry schopnými zachytit i ty nejmenší škodlivé částice . Díky vysokému poměru povrchu k objemu a znatelnému povrchovému napětí se zachytí částice menší než 1 mikrometr.

Technologie nanovlákenných filtrů pomáhá mimo jiné v zemích třetího světa , kde je nutné filtrovat znečištěnou vodu tak, aby byla pitná a zdravotně nezávadná.

FOTOVOLTAIKA A AUTOMOBILOVÝ PRŮMYSL

V energetice umožňuje výběr správného polymeru vedení elektronů nebo iontů, díky čemuž jsou nanovlákna zajímavá pro výrobu a skladování energie . V této oblasti lze nanovlákna použít pro fotovoltaické panely, bateriové úložně systémy a kondenzátory.

V současné době se uvažuje o aplikaci nanovláken do dobíjecích baterií s využitím vlastností křemíku. Došlo by tak k  zlepšení účinnosti lithiových baterií  přítomných v plug‑in elektrických vozidlech. Nanovlákna se v automobilovém průmyslu již používají, a to k výrobě účinnějších automobilových filtrů.

VOJENSKÁ TECHNIKA

V armádě se nanovlákna používají ke zlepšení schopnosti detekce chemických a biologických látek. Oděvy obohacené o nanovlákna zlepšují ochranu vojenského personálu díky své schopnosti filtrovat a rozkládat toxiny . 

Tato konkrétní oblast použití dala vzniknout samočistícím zařízením na ochranu osob . Ta zahrnují především masky složené ze dvou "vrstev." První slouží k filtraci vzduchu, zatímco druhá obsahuje aktivní uhlí, které pohlcuje škodlivé plyny a nečistoty.

Aktuálně se pracuje na vývoji tak účinného nanovlákna, které nahradí vrstvu aktivního uhlí atím se  zlepší prodyšnost látky  a pohodlí koncového uživatele. Nanovlákna jsou navíc schopna zachytit i tak malé částice, jako jsou viry.