S trochou nadsázky lze říci, že chemici nanomateriály zkoumají a vyučují již přes dvě stě let. Vždyť krásné sklo, tzv. zlatý rubín, jehož barvu mají na svědomí nanočástice zlata, se vyrábělo v Čechách již od 17. století a jistě tedy nechybělo v přednáškách věnovaných sklářství na pražské polytechnice, předchůdkyni dnešní VŠCHT Praha. Dnes lze nanomateriály a nanotechnologie na VŠCHT Praha studovat jak ve specializovaných oborech Nanomateriály a Mikro- a nanotechnologie v chemickém inženýrství, tak i v rámci dalších oborů jako např. Biomateriály pro medicínské využití či Chemie a technologie materiálů. Důležitým aspektem studia je přímé zapojení studentů do výzkumných skupin, čímž studenti získávají teoretické znalosti i praktické dovednosti využitelné jak v aplikační sféře, tak v akademickém výzkumu. Nanotechnologiím a nanomateriálům se věnují výzkumné týmy VŠCHT Praha napříč celou institucí. Samozřejmostí je vědecko-výzkumná spolupráce se špičkovými českými i zahraničními partnery, včetně účasti v projektech financovaných EU. Výzkumná činnost se zaměřuje na přípravu a charakterizaci analytických, diagnostických a terapeutických nanočástic či na přípravu a charakterizaci nanostrukturovaných povrchů a polymerních materiálů. Vyvíjeny jsou nové materiály pro technické aplikace, např. pro elektroniku, fotoniku či konverzi energie. Velká část výzkumu míří k biomateriálům, které v lidském těle nahrazují nějakou část tkáně či plní léčebnou funkci. V následujících odstavcích uvádíme příklady směrů, které však s ohledem na rozsah textu zdaleka nejsou vyčerpávající. Samočisticí materiály, fotokatalytické čištění vody a vzduchu Do oblastí využívajících nanomateriály patří mj. fotokatalytické čištění životního prostředí. Fotokatalýza je nyní poměrně dobře známa a prozkoumána a představuje oblast chemie zaměřenou na katalytické reakce probíhající na povrchu fotokatalyzátoru za působení světla. Nejčastěji se jako fotokatalyzátory používají polovodiče, jako jsou TiO2, WO3, SrTiO3, α-Fe2O3, ZnO a ZnS. Mezi hlavní zaměření pracovní skupiny Fotokatalýzy Ústavu anorganické technologie, vedené prof. Josefem Krýsou, patří vývoj nových fotokatalyticky aktivních nanomateriálů využitelných pro čištění vody a vzduchu či na přípravu samočisticích povrchů a materiálů vhodných na přípravu elektrod pro solární rozklad vody (tzv. umělá fotosyntéza). Při fotokatalytickém čištění životního prostředí se v posledních letech používají práškové nano-fotokatalyzátory např. v nátěrových hmotách nebo jako složka fotokatalyticky aktivních betonů či ve formě vrstev používaných na odbourávání nežádoucích organických látek z odpadních vod či plynů. Pro aplikaci při solárním rozkladu vody je však vhodná příprava nanostrukturovaných materiálů, jako jsou nanotrubičky, nanotyčky či nanovlákna. Takto nanostrukturované povrchy fotokatalyzátorů účinně zvyšují efektivitu procesu. Vedle přípravy strukturovaných nanopovrchů fotokatalyzátorů je ale také důležité se věnovat objektivnímu hodnocení jejich funkčních vlastností. V rámci projektu INTEC, financovaného z rámcového programu EU pod koordinací VŠCHT Praha, byla proto vyvinuta metoda stanovení fotokatalytické aktivity povrchů a byly navrženy dvě evropské normy týkající se testování hladkých a drsných samočisticích povrchů. „Zmíněná metoda je založena na barevné přeměně barviva v modelovém inkoustu, ke které dochází na fotokatalyticky aktivním povrchu. Na rozdíl od ostatních metod je tento postup velmi rychlý a k barevné přeměně barviva dochází v řádu jednotek sekund. Další výhoda testu tkví v tom, že pro realizaci není nutné finančně náročné vybavení a je aplikovatelný i mimo laboratoř,“ vysvětluje prof. Krýsa. Membránové separační procesy Pro dělení směsí plynů se běžně používají klasické separační procesy jako kryodestilace, cyklické tlakové adsorpce či vypírky. Mezi moderní separační metody patří i membránové procesy, které jsou energeticky i prostorově méně náročné. Touto problematikou se zabývá skupina doc. Karla Friesse z Ústavu fyzikální chemie. V současnosti se vývoj nových membránových materiálů soustřeďuje na přípravu takových materiálů, které mají dostatečnou propustnost a selektivitu pro cílovou složku ve směsi. Propustnost plynů membránami lze účinně ovlivňovat zavedením anorganického nebo organicko-anorganického plniva s velikostí částic v rozmezí 10 až 100 nm do polymerní matrice. V mnoha případech má konstrukce tzv. mixed matrix membranes (MMM) za následek zvýšení propustnosti anebo selektivity (či dokonce obojího). „Neexistuje ale žádný univerzální postup pro přípravu polymerních MMM materiálů pro separaci plynů, kterým by se jednoduše připravily membrány jak s vysokou propustností, tak i selektivitou. V současnosti je veškeré úsilí výzkumných skupin v této oblasti směřováno k vyřešení problémů s nechtěnou agregací částic nanoaditiva v MMM materiálech spolu se snahou o co největší uniformitu distribuce nanočástic,“ doplňuje doc. Friess. „V naší skupině se věnujeme vývoji 2. generace MMM, kdy už je aditivum vhodným způsobem v polymerní matrici cíleně zabudováváno, např. chemickou vazbou mezi skupinami na povrchu aditiva a na polymerním řetězci, respektive je distribuce nanoplniv cíleně ovlivňována pomocí vnějších sil.“ Tým doc. Friesse úzce spolupracuje s prof. Petrem Syslem z Ústavu polymerů, který se věnuje přípravě polymerů na bázi polyimidů s řízenou strukturou a jejich modifikací. V připravených polyimid-polysiloxanových kopolymerech byly v polymerní matrici dispergované částice o velikosti několika desítek nanometrů, které se při vyšším zastoupení vzájemně propojují. V oblasti tzv. perkolačního prahu bylo nalezeno jisté koncentrační rozmezí polyimid/polysiloxan, kdy se současně příznivě vyvíjejí oba základní transportní parametry, tj. propustnost a selektivita. Kovové nanomateriály Další oblastí výzkumu a vývoje dosahující nanorozměrů se zabývá Ústav kovových materiálů a korozního inženýrství. Zde je v současné době studováno zjemňování struktury extrémní plastickou deformací vysoce energetickým mletím nebo rychlým tuhnutím taveniny, kdy zrna nestačí narůst do obvyklých rozměrů. Takto připravené prášky jsou následně spojovány do kompaktních materiálů. Co se týká aplikací, jsou vyvíjeny např. nové povrchové vrstvy na lehkých slitinách pro automobilový a letecký průmysl, lehké intermetalické sloučeniny pro vysokoteplotní aplikace či pro využití ve specifických prostředích, lehké nanokrystalické materiály dosahující vysokých pevností, slitiny s tvarovou pamětí pro medicínské implantáty, např. stenty, nové kovové materiály s definovanou pórovitostí na bázi titanu pro výrobu implantátů, např. částečné náhrady kostí, a kovové materiály absorbující plynný vodík pro jeho využití jako nosič a zásobník energie. V minulém roce byl na VŠCHT Praha pořízen unikátní přístroj pro slinování především kovových prášků pomocí elektrického výboje (Spark Plasma Sintering). „Díky novému slinovacímu zařízení,“ říká doc. Pavel Novák z Ústavu kovových materiálů, „se extrémně zrychlí vývoj nových materiálů. Zároveň, což je také zásadní, díky přesně definovanému slinovacímu postupu elektrickým výbojem nedochází k degradaci materiálu. Tedy například nanomateriály zůstanou skutečně nanomateriály. Toto předešlý proces díky časové náročnosti neumožňoval.“ Důkazem kvality nanotechnologického výzkumu tohoto ústavu je i zařazení pracoviště do národního Centra excelence „Mikro- a nanokrystalické materiály s vysokým podílem rozhraní pro moderní strukturní aplikace, biodegradabilní implantáty a uchovávání vodíku“. Pokročilé polymerní materiály Těžké popáleniny, kožní komplikace diabetu, bércové vředy – léčbu toho všeho by mohly v budoucnu usnadnit nové speciální materiály s upraveným povrchem, vhodné jako podklady pro pěstování lidských buněk, které vyvinuli odborníci z Ústavu inženýrství pevných látek s kolegy z Fyziologického ústavu AV ČR a Univerzitou J. E. Purkyně v Ústí nad Labem. Část výsledků výzkumu z oblasti tkáňového inženýrství již chrání český patent a řešitel projektu prof. Václav Švorčík byl za dosažené výsledky oceněn Cenou předsedy Grantové agentury ČR. Polymerní materiály jsou upravovány plazmatickým výbojem nebo laserovým paprskem, které vytvářejí na jejich povrchu pravidelné modifikované struktury. Na ně jsou následně navázány zlaté nanočástice, aminokyseliny nebo další látky, které povrch činí atraktivním pro buňky. Díky takto připraveným povrchům se buňky na materiálu snadněji a lépe usazují, a také následně rovnoměrně rostou po celém povrchu. Obdobně modifikované povrchy polymerů mohou najít uplatnění i v elektronice. Tímto postupem lze zvýšit adhezi kovových nanostruktur k povrchu polymerů. Zajímavé možnosti se ale nabízejí i v optice. Vznikající struktury by díky svým vlastnostem mohly být základem pro konstrukci takzvaných „neviditelných materiálů“. Pokud má být materiál „neviditelný“, musí ho světlo obtéct podobně, jako říční voda obteče kámen. To je možné pouze v případě, že předmět s nanostrukturou bude mít negativní index lomu. Předměty s negativním indexem lomu se doposud v přírodě nevyskytují. Nanorobotika Výzkumem na nano úrovni se zabývá i Ústav chemického inženýrství. Z jejich aktivit lze uvést např. přípravu, testování a optimalizaci porézních katalyzátorů s přesně definovanou nano- a mikrostrukturou s aplikací pro automobily, vývoj multifunkčních mikrokanálkových zařízení s integrovanými funkčními prvky, jako jsou mikroelektrody či mikroventily („Lab-on-a- -Chip“ nebo mikrofluidními čipy), přípravu superizolačních materiálů či skladování elektřiny v nové generaci průtočných redox baterií. Unikátním vývojem a aplikací chemických nano- a mikrorobotů se zabývá prof. František Štěpánek, vedoucí Laboratoře chemické robotiky. „Nanoroboty si lze představit jako syntetické částice podobné jednobuněčným organismům, avšak s možností programovatelnosti a dálkového řízení jednotlivých úkonů, které provádí. Může jít o akumulaci molekul z jejich okolí nebo pohyb v tekutině a vyloučení nesených molekul na předem definovaném místě, jako je např. nádor či ložisko zánětu v lidském těle, zahájení chemické či biochemické přeměny s cílem odstranit nežádoucí nebo toxické látky či naopak syntetizovat ‚na požádání‘ látky nové,“ vysvětluje prof. Štěpánek, který získal řadu českých i evropských grantů a za svůj výzkum mnohá ocenění. Marie Kolmanová a Hana Bartková