O studium bioniky mají zájem i liberečtí strojaři
Proděkanka Fakulty strojní Technické univerzity v Liberci (FS TUL) doc. Ing. Dora Kroisová, Ph.D., je fascinována dokonalostí přírodních struktur a možností využití přírodních materiálů, včetně biologického odpadu. Bionikou - tedy studiem živých systémů a aplikací získaných znalostí do technické praxe - se zabývá více než deset let a učí ji na liberecké Fakultě strojní. Nedávno získala se svými kolegy mezinárodní patent na technologický postup získání oxidu křemičitého z odpadních rýžových slupek. Hovoříme s ní nejen o jejím vědeckém úspěchu, ale i o tom, co ji v přírodě inspiruje k vědecké práci:
Technologie získávání nanočástic čistého biogenního oxidu křemičitého získala patent v Česku a v Japonsku. V čem je tato technologie přínosem?
Rýžové slupky jsou jedním z největších celosvětových zemědělských odpadů. Jejich produkce dosahuje řádově stovek milionů tun. Slupky se obvykle likvidují vhazováním do řek, nebo ještě hůře spalováním, které silně znečišťuje ovzduší. Mohou se ale stát zdrojem nanočástic biogenního, tedy přírodní cestou vznikajícího oxidu křemičitého. Tyto nanočástice se standardně vyrábějí synteticky a používají se v různých průmyslových odvětvích - v potravinářském jako složka snižující hrudkovitost sypkých látek, přidávají se do kosmetických přípravků pro snížení tekutosti, slouží jako plnivo do plastů a využívají se i při výrobě automobilových pneumatik. Oxid křemičitý, respektive křemík, mimo jiné pozitivně ovlivňuje stav kostí, cév, vlasů a nehtů. V přírodní neboli biogenní formě jej dokáže naše tělo lépe vstřebat než syntetickou formu. Je proto škoda likvidovat bez užitku zdroj tak užitečné přírodní sloučeniny. Naše metoda je jednoduchá a energeticky méně náročná než výroba syntetického oxidu křemičitého. Jedná se o jednostupňový proces rozkladu rýžových slupek v mikrovlnném reaktoru za přítomnosti anorganických kyselin, při kterém odpadají mezistupňové manipulace s materiálem. Získáme tak 20nm částice oxidu křemičitého, které jsou analogické komerčním produktům, jakými je například Cab-O-Sil. Kdyby se slupky přestaly pálit, byl by to velký přínos i pro životní prostředí ve státech, kde se rýže pěstuje, a samozřejmě z globálního pohledu pro nás všechny.
Můžete nám ten proces trochu více přiblížit?
Mikrovlnný reaktor - mineralizátor - je principálně podobný mikrovlnné troubě. Mikrovlnný ohřev zkracuje rozkladný proces na nezbytně dlouhou dobu a je vysoce účinný. Organická fáze se rozkládá a anorganická zůstává. Zjednodušeně: slupky vložené do reaktoru se zalijí anorganickou kyselinou, například kyselinou dusičnou, a reaktor se uzavře. Proces běží asi hodinu včetně náběhu, vlastního rozkladu a chlazení. Při něm se rozloží celá organická část slupky a zůstane jen anorganická, to jsou nanočástice čistého oxidu křemičitého. Doprovodné ionty, které byly ve slupce také přítomné, se odstraní současně s organickou fází.Mikrovlnný reaktor – mineralizátor – je principálně podobný mikrovlnné troubě. Mikrovlnný ohřev zkracuje rozkladný proces na nezbytně dlouhou dobu a je vysoce účinný. Organická fáze se rozkládá a anorganická zůstává. Zjednodušeně: slupky vložené do reaktoru se zalijí anorganickou kyselinou, například kyselinou dusičnou, a reaktor se uzavře. Proces běží asi hodinu včetně náběhu, vlastního rozkladu a chlazení. Při něm se rozloží celá organická část slupky a zůstane jen anorganická, to jsou nanočástice čistého oxidu křemičitého. Doprovodné ionty, které byly ve slupce také přítomné, se odstraní současně s organickou fází.
Vy jste tuto metodu odzkoušeli v laboratoři, jaké jsou její šance na uplatnění v praxi?
Více než rok pracoval náš tým v laboratoři na univerzitním Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace, kde jsme měli k dispozici mikrovlnný reaktor s možností rozkladu malého množství slupek. Pro využití v praxi by byl samozřejmě potřebný podstatně větší a výrazně dražší reaktor, který by najednou rozkládal objemy slupek na úrovni krychlových metrů. A protože se pracuje s kyselinou dusičnou, bylo by nutné výrobní proces ekologicky pečlivě zabezpečit, což by přineslo další náklady. Je to technologicky náročné a to už není úkol pro univerzitu, ale pro renomované firmy, případně to může být výzva pro vládní programy. Mám určité pozitivní signály, že získávat čistý biogenní kysličník siřičitý se zdá být pro velké producenty rýže zajímavé. Ale dělat nějaké závěry je předčasné.
Vy jste se ale s prvním úspěchem nespokojila a ve výzkumu pokračujete?
Ano, vycházím z toho, že vše, co v přírodě vzniká, také zaniká, tedy je – naší terminologií – biodegradovatelné. Zabývám se nyní technologií, při které lze získat biogenní oxid křemičitý přirozenou, tedy pomalejší, ale ekologicky méně zatěžující biologickou cestou. Věřím, že tato cesta bude úspěšná, ale o podrobnostech zatím nechci mluvit.
Necháváte se inspirovat přírodními strukturami i v další své vědecké práci. Co vás tak fascinuje?
Příroda je nesmírně inspirativní, nacházíme v ní kompozity, solární panely, technické konstrukce, nanostruktury, ve vodě nesmáčivé i samočisticí povrchy, povrchové vrstvy zajímavé z hlediska odrazu světla atd. To vše je využitelné v technických aplikacích. Navíc jsou všechny struktury samozřejmě biodegradovatelné.
Můžete uvézt nějaký příklad?
Stačí se podívat mikroskopem. Úžasné jsou struktury mořských živočichů. Na schránce mořského ježka jsou na kloubech zasazené a přírodními polymery přichycené velice zvláštní ostny s žebry, které poskytnou této nízkohustotní struktuře specifické mechanické parametry. A navíc se jedná o geniálně odlehčenou a současně velmi pevnou strukturu z uhličitanu vápenatého. V přírodě se totiž na rozdíl od naší výroby nehýří materiálem. Příroda nás inspiruje také při výrobě kompozitních materiálů. Skvělým příkladem jsou krovky brouků. Například krovka střevlíka je tvořena vrstvami vláken, jde vlastně o složitý a geniálně fungující kompozitní systém, ve kterém jsou chitinová vlákna vrstvena, vzájemně propojována a spojována přírodním polymerem – proteinem. Nebo slunéčko sedmitečné. Každý z nás ho měl na prstě a možná si všiml, že když roztáhlo křídla, měla je větší než červené krovky. Je to skutečně geniální technické řešení na úrovni jednotek mikrometrů. Jemné křídlo se pod krovku složí do tenkého „faldíku“ – na obdobném principu je založen třeba skládací deštník. Povrch křídla a vnitřek krovek je opatřen jemnými chloupky, mezi nimi se vytvoří vzduchová vrstvička, a proto tyto dva povrchy k sobě nepřilnou, jako třeba mikrotenový sáček v obchodě.
Další unikátní „technická“ řešení můžeme najít i v rostlinné říši. Vezměme si třeba obyčejnou sítinu rozkladitou, která roste snad v každém příkopě. Bílá hmota, kterou najdeme uvnitř jejího stonku, vypadá jako polystyren. Pod mikroskopem však uvidíme geniální vyztužující strukturu připomínající něco jako kola od vozu, která přecházejí jedno do druhého v ploše i v prostoru. Podobné struktury vidíme na mostech a také třeba na Eiffelově věži. Na co technici přicházejí, existuje v přírodě už dávno.
Takže příroda je založena na vláknech a kompozitech? Ty už ale lidé také vyrábějí.
Vlákna jsou ve všech rostlinných i živočišných systémech a lidem chvíli trvalo, než pochopili, že je musí poskládat určitým způsobem a pod určitým úhlem. A stále máme rezervy: vyrábíme sice vlákna – třeba uhlíková nebo skelná –, ale na rozdíl od přírody umíme vyrobit jen vlákna, která mají kruhový průřez. U živočichů a rostlin vidíme však také vlákna o obdélníkovém nebo čtvercovém průřezu. Taková vlákna k sobě lépe doléhají a lépe se poskládají. Lidé také vyvíjejí biodegradovatelné materiály, zatímco příroda už to má vyřešené.
Příkladů máte mnoho. Na čem pracujete, čím se nyní necháváte inspirovat?
Momentálně se ve výzkumu věnuji ve vodě nesmáčivým povrchům. Inspiraci hledám v květech a listech rostlin, které dokonale odpuzují vodu. Klasickým příkladem jsou květy růže, listy jetele, listy lichořeřišnice atd. Struktury na jejich povrchu jsou tvořeny nejrůznějšími útvary, většinou se jedná o chloupky, destičky, tyčinky i duté trubičky, často o rozměrech stovek nanometrů. Jsou těsně vedle sebe a mezi nimi je vzduch. Taková struktura nedovolí, aby se na květu nebo listu vytvořil vodní film, který by zpomalil proces fotosyntézy a vytvořil prostředí pro růst plísní. Na vodorovném povrchu se kapka vody udrží, a jakmile se květ jen trochu nakloní, kapka se skulí dolů a vezme s sebou i případné nečistoty. Nesmáčivé povrchy by určitě našly uplatnění v různých technických zařízeních, ale třeba také při konstrukci střech. Prostě všude tam, kde voda a prach škodí.
A jak jste ve svém bádání daleko?
Mně se konkrétně podařilo vytvořit z plastu repliku nesmáčivého přírodního povrchu. Připravujeme ale podání patentu, proto zatím o podrobnostech nemohu mluvit. Ten povrch je zajímavý i z hlediska odrazu světla, které se od něj, stejně jako od skutečného květu, téměř neodráží. Rostliny totiž dokážou dopadající světlo využít pro svůj vývoj a růst. Tato fakta vědci už dlouho zkoumají, protože kdyby se na takovém principu podařilo vyrobit fólie, mohla by se zvýšit účinnost slunečních panelů využívajících sluneční energii a současně by byly samočisticí.
Na liberecké Fakultě strojní máte nově akreditovaný předmět biomimetika, který navazuje na předmět bionika. Myslíte, že právě strojaři budou mít o takový předmět zájem?
Od začátku, co učím na fakultě strojní bioniku, se setkávám s velkým zájmem studentů všech technických oborů. Od září se díky podpoře děkana fakulty budu tento nově akreditovaný předmět učit v rámci nového navazujícího magisterského studijního programu Technologie plastů a kompozitů. Smyslem kompozitů je spojit výhody více materiálů tak, aby konečný výsledek měl co nejlepší vlastnosti. Člověk vytvořil mnoho kompozitů, ale příroda jich s jednoduchostí a grácií, při normální teplotě, tlaku a z několika základních chemických prvků stvořila nepřeberné množství. Vše je postaveno na slunečním záření, vodě a základních biologických procesech, bez potřeby nákladných technologických postupů i následné recyklace.
Můžeme se studenty třeba zkoumat nízkohustotní biodegradovatelné struktury, procesy biodegradace, povrchové struktury a jejich napodobování, testovat optimální úhel při navíjení uhlíkových vláken atd. Z vlastní zkušenosti mohu říci, že mladí lidé vnímají svět kolem sebe již trochu jinak než my. Jsou skvělí a otevření a nejsou lhostejní k tomu, co tady bude za pár let. Jsou nakloněni aplikacím biologických struktur do technické praxe a to je dobře. Když člověk zjišťuje, co všechno je v přírodě možné, leccos mu dochází a získává nové inspirující pohledy i v oblasti techniky.