Nanotechnologie mění stavební průmysl

Myslíte si, že již opravdu nazrál čas. Dlouho se o nástupu nanotechnologií hovořilo jenom velmi opatrně?

Vychází to z požadavků na moderní stavební průmysl, který by měl vyhovět všem požadavkům na něj kladených, tedy kromě ryze technických také environmentálním podmínkám a trvalé udržitelnosti. Na počátku 21. století stojíme tváří v tvář vážné výzvě: problému strukturální doby životnosti svých produktů. V tomto případě mluvíme hlavně o budovách, mostech, silnicích a elektrárnách, které jsou dnes a denně čím dál tím více ohrožovány vzrůstajícím množstvím agresivních polutantů ve vzduchu, vodě a pozemní vodě. Tyto biologické a chemické agens trvale – a bohužel i s rostoucí účinností – působí na použité materiály a struktury. Rostoucí zájem o esenciální řešení těchto problémů je zřejmý – náklady na údržbu a opravy stavebních objektů jsou totiž čím dál tím vyšší a zdaleka přesahují předpokládané objemy investic. Vedle ekonomických aspektů je nutno mluvit také o bezpečnostních problémech, spojených s touto problematikou. Vždyť mosty, železnice a elektrárny mohou začít ohrožovat své okolí v důsledku dostatečně dlouhého působení korozivních a jiných degenerativních procesů v použitých materiálech, vedoucích k podstatnému zhoršení kvality objektu. Otázkou tedy není, zda problémy, týkající se doby životnosti a bezpečnosti produktů stavitelství a architektury začnou naléhavě klepat na naše dveře, ale kdy se tak stane. Na jedné straně stavební průmysl spotřebovává obrovské objemy betonu, malt, plastů, kovů a dřeva; na straně druhé jsou jeho produkty pod neustálým tlakem agresivních látek ze svého okolí. Vstupní branou nepřítele na tyto struktury jsou jejich povrchy.

Prvotním aspektem je tedy životnost produktů?

Dalo by se to tak říci. Tam jsme nejdále. V současné době používaný způsob ochrany povrchů (ať už budov, mostů, silnic atd.) není dlouhodobě příliš účinný a principiálně používá dvou standardních metod: První je založena na pokrytí hraničního povrchu různými typy chemických látek. Tradičně používané metody – natírání nebo nástřik – nejsou dlouhodobě efektivní. Po jisté době dochází často k oddělení ochranného povrchu nebo ke ztrátě ochranných vlastností aplikovaných nátěrů. Navíc neskýtají záruku rovnoměrnosti ochranného filmu (homogenita, tloušťka). Druhý, sofistikovanější způsob vychází z poměrně jednoduché myšlenky: modifikovat porézní strukturu celého objemu použitého materiálu pomocí speciálních substancí (plnicí granulární systémy, superplasticizéry, UHCP betony atd.), jež mohou ve finále podstatně zmenšit hustotu výskytu pórů – a tím i minimalizovat míru penetrace agresivních agens z okolí. I tento způsob ochrany povrchů má však své vady: je poměrně drahý, aplikace je velmi citlivá na složení, resp. způsob zpracování, a v neposlední řadě nepůsobí na jisté druhy agresivních polutantů. Z těchto úvah je možno učinit jediný závěr: je nutno pracovat na vývoji kvalitativně nových typů multifunkčních materiálů, šitých přímo na míru, splňujících všechny požadavky na ochranu povrchů produktů stavitelství a architektury. Stavebnictví patří (ve srovnání například s farmaceutickým či automobilovým průmyslem) mezi jeden z nejkonzervativnějších sektorů našeho hospodářství. Způsob, jakým lze dosáhnout změny tohoto stavu, se nabízí v podobě aplikace nanotechnologií jako zdroje stavebních materiálů pro 21. století. Následně se v této souvislosti budeme zabývat především aplikačním potenciálem polymerních nanovláken – tedy systémy ve stavebním průmyslu zatím příliš nepoužívanými.

Jak je to s přípravou a použitím nanovláken a co brání jejich masivnějšímu použití v praxi?

Stručně řečeno nanovlákna jsou objekty válcové symetrie, jejichž průměr je mnohem menší než jejich délka. Pohybuje se v rozměrech desítek až stovek nanometrů (nanometr, nm, je jedna milióntina milimetru). Pro ilustraci: řádová velikost viru HIV je 90 nm, zatímco průměr typické bakterie ~ 1000–10 000 nm). Na rozdíl od klasických makroskopických vláken (např. skelné vaty) vykazuje systém složený z nanovláken mnohem větší plochu umožňující mnohem intenzivnější fyzikálně-chemický kontakt s okolím (této vlastnosti využívá např. katalytická chemie). Protože se navíc v průřezu nanovlákna nachází relativně velmi málo atomů či molekul, jedná se o systémy s minimálním počtem poruch, které se do prostoru kolmého na osu nanovlákna „nevejdou”, a proto se jedná o systém s poměrně vysokou pevností.

Jak je možné tyto exotické systémy vyrobit?

V principu existuje několik možností produkce nanovláken, ale pouze jedna z nich umožňuje jejich výrobu ve skutečně masovém (a pro stavebnictví tudíž zajímavém) měřítku a je navíc schopna garantovat stabilitu vlastností a homogenitu vyrobeného produktu. Jedná se o zařízení NANOSPIDER (firmy Elmarco s.r.o.) využívající principu zvlákňování polymerních roztoků (obvykle PVA – polyvinylalkoholu a vody) a zachytávající nově formovaná nanovlákna na nosnou tkaninu. Rotující válec je částečně ponořen do polymerního roztoku a nachází se pod elektrickým napětím. Pod vlivem elektrického pole se nanovlákna táhnou nahoru a zachycují se na pohybující se podložce. Ta je zároveň druhou elektrodou. Zatímco průměr nanovláken se dá regulovat složitou souhrou elektrostatického pole a vlastností polymerního roztoku, tloušťka usazených nanovláken (gramáž) závisí na rychlosti pohybu nosné tkaniny. Samotná tloušťka pak již přímo souvisí s velikostí ok nově vytvořeného filmu, skládajícího se z nanovláken. Čím je tlustší vrstva nanovláken, tím jsou menší oka. Tato poslední vlastnost má již přímý aplikační výstup – ochranná vrstva, tvořená systémem nanovláken, propustí pouze ty částice (molekuly, bakterie, řasy, plísně, houby, atd.), jejichž charakteristický rozměr je menší než velikost ok. Jedná se tedy o jakési laditelné molekulové filtry, jejichž účinnost je při jejich vlastní produkci nastavitelná.

Ještě jsme nehovořili o aplikační možnosti nanovláken a využití v praxi...

Tento systém je v podstatě možno použít dvojím způsobem. Pasivní aplikace používá již zmíněné laditelné molekulové filtry (síta). To však není zdaleka všechno. Mikrovrstvy (o tloušťce < milimetr) tvořené nanovlákny můžeme dále přetvářet, transformovat. Lze je například plazmaticky upravit tak, že se stanou hydrofobními (odpuzujícími vodu), resp. naopak hydrofilními (přitahujícími vodu). Je také možné již před procesem zvlákňování přidat do roztoku polymeru aktivní chemickou substanci (např. stříbro) a zvláknit tento systém en bloc. Získáme tak vrstvu polymerních nanovláken, obsahujících v sobě (i na svých površích) částice stříbra. To je – jak je známo již mnoho set let – silně bakteriocidní. Tento systém tedy funguje jednak pasivně (zachytává částice větší než velikost daných ok), a také aktivně, využívaje bakteriocidity stříbra; lze jej použít např. při čištění vody. Chemicky aktivní substanci můžeme také inkorporovat do polymerních nanovláken využitím různých fyzikálních metod (např. nukleací či depozičními procesy). Tímto způsobem je možné substituovat stříbro (těžký kov) nanokrystalickým diamantem (tj. uhlíkem), jenž má velmi podobné bakteriocidní vlastnosti.

Jaké tedy mohou být zcela konkrétní aplikace polymerních nanovláken v moderním stavitelství a v architektuře?

Dočkal jste se – uvedu několik konkrétních příkladů: Tenká vrstva složená z nanovláken, jejíž horní povrch je hydrofilní a spodní hydrofobní, může sloužit jako velmi účinná bariéra proti vypařování vody z povrchu čerstvého betonu. To by mohlo vést k minimalizaci počtu mikrotrhlin a k celkové optimalizaci průběhu hydratačního procesu. Obdobný systém, navíc s inkorporovaným aktivním bakteriocidem (stříbrem, anebo ještě lépe nanodiamantovým práškem), může přispět k řešení komplexního problému vnitřního zateplení historických budov (u nichž zateplovat zvnějšku z pochopitelných důvodů nejde). Dosud používané technologie vedou – dříve či později – ke vzniku plísní, bakterií a hub na vnitřních omítkách zateplených objektů. Použití tenké vrstvy polymerních nanovláken jako nosiče antikorozních a hydrofobních substancí (inkorporovaných buď při zvlákňování, nebo pomocí nukleace či depozice). Tento systém, nanesený na kovové plochy stavebních prvků, by mohl podstatně prodloužit jejich životnost. Podobnými systémy (hydrofobicitou a bakteriociditou) je možné minimalizovat záchyt a šíření zelených řas na novotou zářících fasádách zateplených panelových domů. To je pouze několik příkladů konkrétního využití polymerních nanovláken, přetvořených nukleací nebo depozičními procesy. Společná laboratoř pro polymerní nanovlákna Fakulty stavební ČVUT a Fyzikálního ústavu AV ČR v Praze, kde se také nachází i zařízení NANOSPIDER od firmy Elmarco, se studiu těchto témat intenzivně věnuje.

Děkuji za rozhovor

Prof. RNDr. Pavel Demo, CSc.

V roce 1977 absolvoval Matematicko-fyzikální fakultu University Karlovy v Praze, obor fyzika. Zabývá se termodynamikou, statistickou fyzikou, moderní teorií fázových přechodů, nelineární dynamikou, nukleací. Na Fakultě stavební ČVUT v Praze a ve Fyzikálním ústavu AV ČR, v.v.i. se v současnosti zabývá teoretickými aspekty pokročilých nanotechnologií a jejich potenciálními aplikacemi. Je členem vedení Společné laboratoře pro polymerní nanovlákna Fakulty stavební ČVUT a Fyzikálního ústavu AV ČR v Praze.