Česko-kanadské týmy spolupracují ve výzkumu nanovlákenných materiálů vhodných pro výrobu recyklovatelných filtrů nejen vody, ale i jiných kapalin, schopných zachytit mikroplasty.
Spolupráce v oblasti výzkumu zaměřeném na využití nanovlákenných materiálů pro technické aplikace je hlavní náplní spolupráce mezioborových vědeckých týmů Technické univerzity v Liberci (TUL) s kanadskou University of Waterloo, patřící mezi špičkové světové univerzity. Pro liberecké vědce je zásadní, že kanadská univerzita dosahuje velmi dobrých vědeckých výsledků ve využívání aditiv na přírodní bázi, pomocí nichž je možné funkcionalizovat nanovlákenné nosiče připravené na TUL. Kromě filtrů se v rámci výzkumu tato aditiva přidávají také do nanovlákenných filtračních membrán a nosičů (scaffoldů), které vyvinuli a patentovali liberečtí akademici.
Zahraniční spolupráci s univerzitami v Kanadě iniciovala liberecká fakulta strojní a podle děkana fakulty docenta Jaromíra Moravce patří toto partnerství mezi její dlouhodobé strategické cíle. Zakládá se na letité vazbě TUL a Conestoga Polytechnic, jejímž děkanem a současně velkým podporovatelem byl profesor Tony Martínek, absolvent fakulty strojní, který v roce 1967 do Kanady emigroval. Krátce po listopadu 1989 nabídl své alma mater poradenskou pomoc a zprostředkoval rovněž výměny akademiků a studentů. Kromě výuky a výměnných stáží ale bylo v plánu fakulty rozvíjet spolupráci také ve vědě a výzkumu.
„V květnu 2022 inicioval tým docenta Jana Valtery z Katedry textilních a jednoúčelových strojů zapojení do sítě N4SNano (International Network for Sustainable Nanotechnology). Současně jsme navázali spolupráci s University of Waterloo, a to i s podporou Generálního konzulátu ČR v Torontu, pod vedením paní Evy Libs Bartoňové, a následně jsme vzájemnou spolupráci prohlubovali. V roce 2022 nás navštívil profesor Sushanta Mitra a ve své přednášce představil výzkumné oblasti na kanadské univerzitě. Během své dvouměsíční stáže se do výzkumu zvlákňování střídavým proudem (AC electrospinning) zapojil i kanadský doktorand James Cheon. Jeho školitel Dr. Michael Tam potom na naší fakultě vedl několik seminářů na odborná témata z oblasti nanomateriálů. University of Waterloo patří k nejprestižnějším univerzitám v Kanadě i mezi špičkové univerzity světa se širokou škálou zaměření v oblasti strojírenství a techniky,“ uvedl děkan FS TUL docent Jaromír Moravec s tím, že tato spolupráce se posunula v loňském roce na vyšší úroveň.
Liberecká univerzita zaujala vysokou úrovní výzkumu nanotechnologií
Zástupci University of Waterloo (UW) při návštěvě Liberce v závěru roku 2022 potvrdili, že v popředí zájmu spolupráce této špičkové zaoceánské instituce s libereckou univerzitou je především oblast nanotechnologií a nanomateriálů. S profesorem Sushantou Mitrou, který se ve svém výzkumu zaměřuje na inovace v udržitelných nanomateriálech pro pokročilé inženýrské aplikace, už tehdy hovořili liberečtí výzkumníci o možnostech společných výzkumných projektů. A tato myšlenka dostala v loňském roce reálnou podobu.
„Při naší návštěvě v červnu 2023 jsme v Kanadě představili výsledky našeho výzkumu materiálů a na místě jsme asistovali při testování filtrů a úpravě testovacího zařízení. Proběhla i jednání o budoucí spolupráci a hovořili jsme o konkrétních tématech společného výzkumu. Na University of Waterloo a Technické univerzitě v Liberci se také zrodil studentský tým, který se zaměřuje ve svém výzkumu především na přípravu nanovlákenných materiálů s krystalickou nanocelulózou vhodně modifikovanou pro účinné filtrační či antibakteriální aplikace,“ uvedl proděkan FS TUL docent Jan Valtera.
Nanocelulóza může zvýšit účinnost filtračních materiálů
Spoluprací s Kanadou posouvá liberecká univerzita podle docenta Valtery vlastní výzkum nanovlákenných materiálů na mezinárodní úroveň a společný výzkum vykazuje výrazné synergické efekty. Zatímco se kanadská univerzita zabývá přípravou a modifikací nanocelulózy s využitím jejich unikátní technologie, v Liberci se zaměřují na výrobu vinutých filtrů a vrstev, které jsou tvořeny nanovlákny s obsahem modifikovaných částic krystalické nanocelulózy.
„Nanovlákenné membrány se dnes ve filtrech používají běžně. My ale zkoumáme vliv nanocelulózy na zvýšení jejich účinnosti, přičemž pro přípravu nanovlákenných nosičů využíváme vysoce produktivní technologii zvlákňování střídavým proudem,“ upřesnil docent Valtera.
Kanadské vědce také zaujala technologie libereckých kolegů na výrobu vinutých filtračních svíček. Jejich základem je perforovaná dutinka, na kterou se navíjí v několika vrstvách nanovlákenná příze. Na závěr je možné cívky ještě opatřit ochranou klecí. Co se týče základní dutinky, může jít o komerční verzi se standardními rozměry, ale v případě potřeby si liberečtí výzkumníci pomocí 3D tisku vyrábějí dutinky vlastních rozměrů a v současné době česko-kanadský tým zkoumá efektivitu nanopřízí s obsahem nanocelulózy, navinutých na perforované dutinky.
Vlastní patentovaná technologie
Nanovlákenné příze se vyrábějí na funkčním patentově chráněném prototypu stroje, který zkonstruoval vědecký tým profesora Jaroslava Berana z katedry textilních a jednoúčelových strojů Fakulty strojní s týmem profesora Davida Lukáše z katedry chemie Fakulty přírodovědně-humanitní a pedagogické TUL. Jedná se o využití lineárního kompozitního materiálu s obsahem nanovláken vyrobených zvlákňováním roztoků polymerů střídavým elektrickým proudem. Linka na zvlákňování polymerních roztoků technologií AC electrospinningu získala už v roce 2017 zlatou medaili na Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně v kategorii Inovační zpracovatelská technologie a v roce 2019 vzbudila velký ohlas v Barceloně na veletrhu textilních strojů ITMA. Liberečtí vědci pro nový způsob zvlákňování tehdy použili místo jehly nebo kapiláry bezjehlovou elektrodu.
„Při procesu zvlákňování vznikne takzvaná nanovlákenná vlečka připomínající vodu ze sprchy nebo kouř z ohně, unášený ‚elektrickým větrem‘,“ přiblížil tehdy nový postup profesor David Lukáš. Jádrová příze se odvíjí z cívky a prochází zvlákňovací komorou, kde dochází k ovíjení nanovlákenné vlečky kolem jádra, poté se v sušicí a fixační zóně odpaří zbytková rozpouštědla, dochází k tepelné fixaci nanovláken a ke zvýšení adheze nanovlákenné vrstvy na jádrové přízi pomocí zákrutového ústrojí. Nová technologie je chráněna několika patenty v ČR a v zahraničí.
Směrem ke 100% nanovlákenné přízi bez jádra
Vývoj se v této oblasti na liberecké univerzitě ale posunul kupředu, a to ke 100% nanovlákenným nitím, které neobsahují jádro. Je to výsledek více než osmileté intenzivní výzkumné práce, ke kterému významně přispěla podpora klastrové organizace Nanoprogres. Způsob jejich výroby spočívá v tom, že „rodící se“ nanovlákna z polymerního roztoku jsou rozptýlena ve vzduchu a z úseků nanovláken s opačnou elektrickou polaritou vzniká již zmíněná nanovlákenná vlečka, se kterou lze mechanicky manipulovat.
„Nanovlákenná vlečka ale ještě není konečným vítězstvím na cestě k tvorbě nitě. Nanovlákna mají vysokou přilnavost k jakémukoliv povrchu, takže udělit zákrut nanovlákenné vlečce, která může mít i tvar rukávce stoupajícího v okolním vzduchu, je nemožné. Hledali jsme proto metody, jak s nanovlákennou hmotou manipulovat, a podařilo se nám do nanovlákenné hmoty přenést krouticí mechanický moment,“ vysvětluje profesor David Lukáš a připomíná, že na univerzitě byla první linka na výrobu 100% nanovlákenné příze vyrobena také za podpory již zmíněné klastrové organizace Nanoprogres.
Poprvé byla představena loni v červnu na Mezinárodním veletrhu textilních strojů ITMA v Miláně, kde vzbudila velkou pozornost.
„Linka je unikátní tím, že je výrazně produktivnější než zvlákňování stejnosměrným proudem, protože umožňuje produkci příze/niti o rychlosti 15 m/min. Je proto vhodná pro výrobu větších sérií a roli zde také hraje nižší cena výrobků. Jedná se o jediné doposud popsané zařízení, které vyrábí pomocí střídavého elektrického proudu 100% nanovlákennou přízi na poloprovozní úrovni. Oprávněně se domníváme, že naše metoda je velmi robustní pro tvorbu takové příze ze širokého spektra různých polymerních materiálů,“ popisuje unikátní technologii profesor David Lukáš.
Výhodou 100% nanovlákenných nití bez jádra je podle docenta Valtery to, že se nejedná o kompozitní materiál a celý objem nitě je možné využít pro konkrétní funkci.
Zúročení v Kanadě
Zkušenosti s nanovlákennými materiály a výsledky své výzkumné práce nyní zúročují liberečtí vědci společně s kanadskými týmy ve výzkumu zaměřeném na účinky krystalické nanocelulózy. Ta se do nanovlákenného materiálu vyrobeného na liberecké univerzitě přidává tak, že se rozpouští ve zvlákňovacím roztoku.
„Vzorky nanovlákenných struktur s přidanou krystalickou nanocelulózou posíláme do Kanady k následným testům účinnosti. Je to oboustranně výhodné a zkvalitňuje to společný výzkum. Kanadská univerzita má k dispozici laboratoře pro přípravu nanocelulózy v potřebném množství i možnosti přípravy různých typů modifikací nanocelulózy a disponuje i potřebným zařízením pro analýzu materiálu, na kterých pracují i naši studenti. Z naší strany to je materiálový a částečně technologický výzkum,“ konstatuje docent Valtera s tím, že v Liberci dokážou vyrábět a navíjet dostatečně pevné 100% nanovlákenné nitě a společně s kanadskými kolegy pak ověřují aplikace těchto nití pro filtraci.
„A protože nemáme zatím žádnou dotaci, pracujeme s cenově dostupnými polymerními materiály, jako je například polyvinyl butyral (PVB). Jde nám o to, abychom ověřili různé nanovlákenné struktury s přidanou krystalickou nanocelulózou pro filtrační účely. Takové filtry by mohly zachycovat i mikroplasty, které se uvolňují do odpadních vod třeba při praní textilu. Zároveň ale řešíme i to, aby se z filtrů nanovlákna a mikroplasty neuvolňovaly. Obojí je velká výzva a důležitý úkol z hlediska ochrany životního prostředí,“ přibližuje výzkumný záměr docent Valtera a dodává, že další zásilka filtrů odešla z Liberce do Kanady před Vánoci.
Unikátní zařízení na navíjení svíček
Ke stroji na výrobu nanovlákenného materiálu je napojeno unikátní zařízení vyvinuté na fakultě strojní, které slouží k přesnému navíjení cívek nanovlákennými nitěmi.
„Navíjet se může kompozitní i čistá nanovlákenná příze. Navíječ je přímo integrován do stroje, takže odpadá případný proces převíjení. Vzniklé cívky pak kromě klasického textilního využití lze s výhodou používat k filtraci kapalin nebo plynů ve formě takzvaných filtračních svíček,“ přibližuje technologii člen výzkumného týmu Ing. Petr Žabka, Ph.D.
Zdůrazňuje, že je potřeba, aby nedocházelo k odírání příze, a proto se nepoužívají standardní rozváděcí elementy, ale příze je vedena v kladkách. Další významná změna oproti běžným navíječkám spočívá v motorickém přítlaku cívky na opěrný válec. To je důležité k dosažení požadované tvrdosti návinu. Všechny parametry je možné při navíjení průběžně měnit, takže lze řídit strukturu i návinu.
„Díky nanovlákenné struktuře můžeme filtrovat i velice malé částice. Hlavní roli přitom hraje zejména velký povrch nanovláken. Pokusy s různými aditivy, v tomto případě s nanokrystaly celulózy, nám potvrzují, že lze dosáhnout více než 99% retence i u částic menších než mikrometr,“ konstatuje doktor Žabka.
Dodává, že kromě spolupráce s University of Waterloo už o navíjecí zařízení a filtrační produkty projevily zájem české firmy v rámci klastru Nanoprogress, se kterými dlouhodobě fakulta strojní spolupracuje.
Nejen filtry
Kanada je silná dřevařská velmoc a existuje tam rozsáhlá základna pro zpracování biomasy, zejména celulózy, což je vlastně odpad při zpracování dřeva. Je ho velké množství a jeho efektivní využití stojí v popředí zájmu Kanady, kde je zároveň velký tlak na ochranu životního prostředí. S tím souvisí i zájem o využití vlastností nanocelulózy. A tím, že University of Waterloo vyvinula unikátní technologii přípravy a modifikace nanocelulózy, dostává výzkum zaměřený na její využití nové dimenze.
„Využití nanocelulózy je zajímavý výzkumný záměr a my máme předpoklady ho společně vyřešit. Důležité je, že vyrobená nanocelulóza je na přírodní bázi, je recyklovatelná a nezatěžuje životní prostředí. Naším cílem je vyrobit takový filtrační materiál, ze kterého bude možné po nasycení odpadními látkami zachycené látky řízeně uvolnit a znova použít,“ říká docent Valtera.
A podle profesora Davida Lukáše, který se dlouhodobě věnuje tkáňovému inženýrství a zejména léčbě kožních onemocnění a poranění, má funkcionalizovaná nanocelulóza potenciál uplatnit se také v této oblasti. Vědci z liberecké technické univerzity už zaznamenali úspěch při vývoji vhodných materiálů a struktur scaffoldů. To jsou materiály, které budou sloužit jako lešení pro pěstování tkáňové kultury buněk lidské chrupavky (chondrocytů).
Scaffold neboli substrát se osází buněčnou kulturou daného pacienta a vypěstuje se na něm mimo tělo jeho vlastní plnohodnotná tkáň. Z obecného hlediska to může být jakákoliv tkáň: kostní, nervová, chrupavka nebo jaterní buňky.
Ze studií na 2. lékařské fakultě již dříve vyplynulo, že buňky se nejlépe pěstují na nanovlákenných vrstvách, k jejichž přípravě používají vědci metodu zvlákňování střídavým proudem.
„Role funkcionalizované nanocelulózy spočívá v tom, že by měla podpořit proces hojení při léčbě kůže. Přesněji řečeno podpořit množení buněk, jejich migraci a také zabránit kolonizaci scaffoldu germem (například bakteriemi). A my náš výzkum zaměříme na potenciál krystalické nanocelulózy k dosažení alespoň některých z uvedených cílů. Není to jednoduchá záležitost, funkcionalizační látka totiž zpravidla ovlivňuje zvláknitelnost směsného polymerního roztoku. Musíme proto počítat s celou sérií experimentů typu pokus omyl, aby se takový zvlákňovací roztok vyladil,“ nastiňuje profesor Lukáš.
Ing. Ondřej Friedrich (FS TUL) a Muhammad Shahidul Islam z University of Waterloo při prvotním testování vzorků filtračních svíček pro záchyt mikročástic rozpuštěných v kapalině
Ve hře je i mezinárodní projekt
Česko-kanadská spolupráce zatím probíhá pouze s využitím mobilitních programů obou univerzit, podpory ze strany jednotlivých pracovišť, a především nadšení zapojených studentů a vědců. Vědecké týmy spolupracují také v rámci pravidelných on-line jednání. Na základě těchto aktivit a publikačních výstupů se fakulta strojní společně s dalšími zapojenými fakultami TUL rozhodly podat přihlášku na kreditovou mobilitu pro Erasmus, aby mohly v příštím období financovat výměnné stáže studentů i akademiků.
„Usilujeme také o podání mezinárodního projektu, který by nám i případným průmyslovým partnerům umožňoval v tomto výzkumu a v dalším rozvoji česko-kanadské spolupráce pokračovat,“ konstatuje docent Valtera.
Foto: TUL