Tým vědců nového výzkumného centra Nové technologie pro informační společnost (NTIS) na Fakultě aplikovaných věd Západočeské univerzity v Plzni se věnuje výzkumu a vývoji nových tenkovrstvých materiálů. Pro laika je téměř k neuvěření, k čemu všemu se dají takové materiály použít.
Automobily nebudou mít stěrače, v koupelně nebude nutné mýt ani vanu, ani stěny, elektronické součástky budou vytvořeny na listech papíru a jiné budou fungovat při extrémně vysokých teplotách. Potraviny v plastových sáčcích budou mít několikanásobně delší trvanlivost, nebude třeba čistit okna domů, sluneční světlo bude využíváno bez jakéhokoli dodatečného zdroje k přímému rozkladu vody na vodík a kyslík a tělní implantáty bude možné vyrábět z levných slitin. To je popis možná už velmi blízké budoucnosti, tak blízké, jak rychlý bude výzkum v oblasti plazmových technologií. Právě ty umožní podle potřeb zdokonalit vlastnosti tradičních materiálů a vytvořit nové. Jak? Tím se zabývá mimo jiné tým vědců výzkumného centra NTIS, kteří patří v Evropě v této oblasti k velmi uznávaným.
NANESENÍ TENKÉ VRSTVY OVLIVNÍ JEJÍ VLASTNOSTI „Naše činnost je zaměřena na výzkum a vývoj nové generace tenkovrstvých materiálů. Jejich typická tloušťka je několik mikrometrů neboli tisícin milimetru. Většinou vlastně neexistují v objemové formě. Přesto dokáží materiálům, na které se nanášejí, přidat velmi zajímavé vlastnosti. Může to být vysoká tvrdost, nízký koeficient tření, teplotní stabilita, oxidační odolnost, biokompatibilita umožňující spojení s živým organismem, antibakte riální aktivita nebo samočisticí efekt. Nebo jde o tenkovrstvé materiály s vysokou či velmi nízkou elektrickou vodivostí, velmi vysokou relativní permitivitou, vysokým indexem lomu a vysokou optickou transparencí ve viditelné a infračervené oblasti,“ vysvětluje profesor Jaroslav Vlček, který je mezinárodně uznávaným odborníkem v dané oblasti. Nanesení tenké vrstvy na povrch, takzvaná depozice, je mimořádně složitý proces hrající velkou roli při stanovení nových vlastností materiálu. Ovlivňuje je samozřejmě výběr chemických prvků, které se při nanesení použijí. Avšak až podmínky procesu určí, jakou bude mít povrchová vrstva krystalickou strukturu, jež o vlastnostech také rozhoduje. Vrstvy se na materiály nanášejí v prostředí nízkých tlaků (vakuum) pomocí elektrických výbojů s vysokou hustotou nabitých částic. Říká se tomu výbojové plazma.
KONTROLA MOTORŮ SOUČÁSTKAMI ZEVNITŘ? V Plzni se v posledních letech zkoumají metody vytváření nových materiálů, jako jsou například nitridy na bázi křemíku, bóru a uhlíku, které jsou oxidačně odolné a mimořádně teplotně stabilní za teplot až 1700 °C. „Umožní to vyrábět vysokoteplotní elektronické součástky, které bude možné používat třeba přímo uvnitř nové generace leteckých motorů, kde mohou kontrolovat, či spíše aktivně řídit jejich funkce. Tepluodolný povlak lze také nanášet na lopatky plynových turbín v zařízeních pro výrobu energie nebo v leteckých motorech. Pak by v nich šla zvýšit teplota, a tím i jejich účinnost. Lze uvažovat také o jejich využití k ochraně povrchů kosmických dopravních prostředků a optických systémů,“ jmenuje možnosti využití Jaroslav Vlček a doplňuje, že tyto materiály již byly úspěšně testovány ve Výzkumném centru Amerických leteckých sil v Daytonu a zájem o ně nedávno projevily i výzkumné laboratoře firmy IBM v Albany. Další důležitou specializací plzeňských vědců je výzkum a vývoj nových plazmových zdrojů pro depozici vrstev a modifikaci povrchů. V posledních třech letech se jim podařilo vyvinout novou metodu pro velmi rychlou depozici oxidových a oxynitridových vrstev. Řešení bylo v roce 2013 zaregistrováno jako společný evropský patent Západočeské univerzity a firmy Trumpf Hüttinger, která se Západočeskou univerzitou podepsala exkluzivní licenční smlouvu o průmyslovém využití tohoto patentu. Na konci roku 2013 metodu úspěšně testovali v amerických výzkumných laboratořích firmy Wintek, která je předním světovým výrobcem dotykových panelů a displejů pro mobilní telefony. Zásadní předností plazmových technologií je vytváření unikátních tenkovrstvých materiálů při poměrně nízkých teplotách substrátů (podložek). V hustém výbojovém plazmatu totiž dochází k podstatnému zvýšení reaktivity plynů a k vytvoření dostatečného množství iontů, které bombardují vrstvy během jejich růstu, a tak jim dodávají energii.
ELEKTRONICKÉ SYSTÉMY NA PLASTOVÝCH FÓLIÍCH Tento výzkum se podle profesora Vlčka využije například v takzvané flexibilní elektronice. To znamená, že funkční vrstvy bude možné nanést třeba na papír nebo plastové fólie – když se podaří zvýšit odolnost těchto vrstev proti vzniku trhlin při jejich ohybu. Této problematice se plzeňští vědci úspěšně věnují. „Tyto elektronické systémy bude možné složit i zmuchlat. Dokážu si třeba představit solární článek na fólii, která se může kdykoli srolovat a přenést jinam,“ říká dále Jaroslav Vlček. Další užití může mít depozice vrstev za nízkých teplot v lékárenství a potravinářství. Zatím totiž neexistuje levný, ohebný a průhledný obal, který by nepropouštěl kyslík ze vzduchu. Přidáním tenkých vrstev na polymerové obaly lze však prostoupení nežádoucích látek téměř zabránit. Průhledné obaly by pak umožnily prodloužit trvanlivost výrobku až několikanásobně, tak jako kovové konzervy. Velké možnosti využití má nový způsob depozice oxidových vrstev v optice. Některé tímto způsobem nanášené látky, jako například oxid titaničitý, navíc vykázaly silný samočisticí a antibakteriální účinek. Tento účinek je důsledkem vzniku radikálů OH a O2 minus. „Tyto radikály jsou silnější než peroxid vodíku nebo chlór. Stačí přítomnost vlhkosti ze vzduchu a ultrafialové záření, které je součástí třeba slunečního svitu, a dokáží rozložit nejen organické nečistoty, ale také některé bakterie,“ popisuje výsledky výzkumu Jaroslav Vlček s tím, že využití těchto vlastností tenkovrstvých materiálů je nepřeberné.
ROZKLAD VODY SLUNEČNÍM SVĚTLEM Aplikační možnosti se nabízejí například u karoserií automobilů. Díky tenkovrstvým materiálům se na nich nebudou držet organické nečistoty. Přidá-li se navíc fotohydrofilicita, tedy vlastnost, kdy voda vytvoří souvislou vrstvu, nebude nutné, aby měla auta stěrače. Samočisticí vrstvy lze dále použít na osvětlovací tělesa nebo stěny, které se hodně znečišťují a těžko omývají. Například v silničních tunelech se kvůli organickým nečistotám za tři měsíce sníží svítivost těles až o 15 %. Protože se tunely těžko čistí, jsou tam předimenzované světelné lampy. To však není nutné. Stačilo by občas tunel osvítit ultrafialovým světlem a lampy či stěny se samy očistí. Podobné by to mohlo být třeba se stěnami nebo i s nástroji na operačních sálech v nemocnicích, kde by tenké antibakteriální vrstvy a ultrafialové záření nahradily peroxid vodíku nebo jiné dezinfekce. A stejně by samočisticí materiály fungovaly i v interiérech letadel, kde se v přítomnosti pasažérů dodnes rozstřikují například pesticidy. Cílem mnoha výzkumných týmů na světě je posunout fotoaktivitu nových materiálů do oblasti viditelného světla, a tak maximálně využít slunečního záření s téměř polovinou energie dopadající na zemský povrch z této oblasti světla. Výzkum v Plzni je zaměřen na přípravu vrstev na bázi oxynitridu tantalu, jehož elektronová struktura je vhodná pro využití slunečního záření k přímému rozkladu vody na vodík a kyslík. Tenkovrstvé materiály se už dnes používají například ve skleněných oknech mrakodrapů. Umožňují jednostranně odrážet vybrané spektrum záření. V chladných oblastech tak pomáhají držet teplo uvnitř staveb a v teplých krajinách je naopak nevpouštějí dovnitř. Známá je také antireflexní vlastnost vrstev, která zabraňuje světelným odrazům od skla. Využívá se například u skel armádních dalekohledů. Další důležitou aplikací jsou povlaky na tělních implantátech, jako jsou šrouby, umělé klouby, ukotvení umělých zubů nebo i součásti pro cévní chirurgii. Zde se nejčastěji používají materiály na bázi uhlíku, titanu nebo zirkonia, které jsou biokompatibilní, tedy slučitelné bez vedlejších účinků s lidským organismem. Plazmové technologie lze využít snad ve všech oblastech průmyslu. Směřují k novým možnostem vytváření tenkovrstvých materiálů, k úsporám surovin, financí a energie i k ochraně životního prostředí. Pro to vše je výzkum nových tenkovrstvých materiálů považován nejrozvinutějšími světovými zeměmi za strategický a jsou do něj vkládány obrovské prostředky. „Jsem velmi rád, že materiálový výzkum se stal vedle výzkumu v oblasti informačních technologií druhým základním směrem v našem novém Evropském centru excelence, které je budováno s masivní finanční podporou Evropské unie,“ dodává Jaroslav Vlček
Ing. Martin Nozar, Ph.D. Manažer pro marketing a obchodní aktivity Výzkumné centrum NTIS