Faradayova práce na kolloidních suspenzích vedla k závěru, že ve své podstatě vytvořil materiály, které dnes definujeme jako nanopartikly v rozmezí 1–100 nm. Tento pionýrský výzkum je považován za jednu z prvních vědeckých studií týkajících se materiálů na nanoměřítku, přičemž termín „nanopartikly“ byl zaveden až dvě století po jeho objevu. Je zřejmé, že Faradayova práce měla dlouhotrvající vliv na rozvoj nanotechnologií.

Proč jsou nanopartikly považovány za tak důležité? Jak se velikost částice zmenšuje, celkový povrch všech částic se zvětšuje a vlastnosti vnějšího povrchu začínají dominovat výkonnostním a charakteristickým vlastnostem materiálu. Pro lepší pochopení si lze představit analogii se skupinou lidí. Pokud bychom postavili 100 lidí do kruhu a požádali je, aby vystrčili ruce ven, byli bychom schopni vidět pouze ruce těch, kteří stojí na okraji kruhu. Když bychom však tuto skupinu rozdělili na 25 menších skupin po čtyřech lidech a opět požádali, aby vystrčili ruce, viděli bychom nejen ruce těch, kteří byli na okraji, ale i těch, kteří byli dříve uvnitř kruhu. Tento příklad ukazuje, jak zmenšení velikosti částic v podstatě znamená, že více „rukou“ – tedy povrchových atomů – se stává přístupnými pro reakci s okolním prostředím.

Nanopartikly jsou tvořeny z několika molekul a jejich vlastnosti mohou být navrženy přímo na molekulární úrovni. Stejně jako bychom mohli „vytvořit molekulární ruce“ nebo „molekulární nohy“, nanopartikly umožňují design specifických molekulárních funkcí. Tento proces je možný díky velikosti částic, která zajišťuje, že vliv molekulárních funkcí bude mít dominantní vliv na vlastnosti materiálu. Jak klesá velikost částice, roste poměr povrchové plochy k objemu. U nanopartiklů je tento poměr výrazně vysoký, což znamená, že značný počet atomů je umístěn na povrchu, nikoli ve středu částice. Tento fakt má zásadní význam pro jejich jedinečné fyzikální, chemické a mechanické vlastnosti.

Nanopartikly, které mají velikost nižší než 20 nm, začínají vykazovat kvantové efekty, které nejsou viditelné u makroskopických materiálů. V těchto materiálech se začínají projevovat jevy, které se nedají popsat klasickou fyzikou a jsou definovány kvantovou teorií. Nanomateriály tedy mohou vykazovat zcela odlišné vlastnosti než jejich makroskopické protějšky. Například, neprůhledné látky mohou stát transparentními (nano-oxid železitý), inertní materiály se mohou stát katalyzátory (platina), kovy se mohou chovat jako kapky kapaliny, přičemž si uchovávají svou krystalovou strukturu, a izolanty se mohou stát vodiči (křemík).

Nanomateriály mají různé rozměry, přičemž zatímco nanopartikly mají trojrozměrné sférické struktury, známý nanomateriál grafen představuje dvourozměrný materiál. Jiné nanomateriály, jako jsou uhlíkové nanotrubice (CNT) a nanocelulóza, mají trubkovitou formu s vysokým poměrem délky k průměru trubky. Tyto materiály vykazují velmi vysoké aspekty poměru (délka děleno průměrem trubky).

Diskuse o nanopartikulích obvykle zahrnuje primární částice, což jsou nejmenší, nedělitelné jednotky materiálu. Primární částice mohou mít různé geometrické tvary, například kulovité, kubické nebo tyčovité. Při aglomeraci několika primárních částic v oblíbené krystalové struktuře dochází k vytvoření agregátů. U agregátů je celkový specifický povrch menší než součet povrchů jednotlivých částic, protože některé oblasti původních částic jsou při shlukování skryté. Pokud byly agregáty vytvořeny, je téměř nemožné je znovu rozdělit na primární částice, protože termodynamické síly jsou příliš silné.

Mechanické vlastnosti materiálů vycházejí z vlastností hmoty, které jsou obvykle definovány agregovanými a aglomerovanými částicemi. V agregátech a aglomerátech je stále možné pohybování, což znamená, že existuje elasticita. Na rozdíl od toho primární částice poskytují inherentní mechanické vlastnosti materiálu. U primárních částic neexistuje elasticita, což znamená, že nejvyšší mechanické vlastnosti jsou dosažitelné, když je materiál ve své primární formě. V rámci primárních částic může dojít k deformaci pouze uvnitř samotné částice, což vyžaduje mnohem více energie.

Jednou z klíčových aplikací nanopartiklí je jejich integrace do různých systémů, včetně povlaků, plastů a kompozitů, což vede k vývoji nových materiálů s vylepšenými funkcionalitami. Například mezinárodní malířská společnost PPG vyvinula Ceramiclear®, automobilový čirý lak s vynikajícími vlastnostmi odolnosti proti poškrábání. Tento povlak obsahuje nanopartikly kovového oxidu, které mají velikost přibližně 10–15 nm a poskytují vynikající udržení lesku, vynikající odolnost proti poškrábání a odolnost vůči počasí. I když přidání částic do povlakového systému obvykle vede ke zvýšení mechanických a odolnostních vlastností, často to bývá na úkor estetiky povlaku. V případě Ceramiclear® je velikost částic pod indexem lomu světla, což znamená, že neovlivňují lesk povlaku.

Přítomnost nanopartiklí v materiálech, jako je boehmit (Al2O3), může vést k projevům tvrdosti a houževnatosti. Boehmitové nanopartikly byly použity v kombinaci se sol-gel chemií k vytvoření jednoho z prvních úspěšných hybridních systémů, což je kombinace organické a anorganické chemie. Tento systém ukázal, jak lze kombinovat oba světy k vytvoření vysoce funkčních materiálů.

Jak zlepšit vlastnosti povlaků: využití nanomateriálů a optimalizace formulací

Nanotechnologie v oblasti povlaků nabízí široké spektrum možností pro zlepšení jejich výkonu, zejména v oblasti elektromagnetického stínění a odolnosti vůči opotřebení. Významným směrem je využívání nanomateriálů, jako jsou karbonové nanotrubice (CNT) a grafen, které nejen že zlepšují elektrickou vodivost povlaků, ale také významně přispívají k jejich mechanickým vlastnostem. Tyto materiály mají vynikající vodivost, což umožňuje lepší interakci s elektromagnetickým zářením, čímž se zvyšuje odrazivost povlaků. Když elektromagnetické záření narazí na povrch, dochází k interakci s elektrony materiálu. U vodivých materiálů mohou elektrony volně pohybovat, absorbovat a následně vyzařovat záření. Grafen a CNT, díky své vysoké vodivosti, zvyšují celkovou vodivost povlaku, což umožňuje lepší absorpci a opětovné vyzařování elektromagnetické energie. Výsledkem je vyšší odrazivost, což znamená, že více vln je odraženo, než absorbováno. Tímto způsobem se zlepšuje nejen účinnost elektromagnetického stínění, ale i fyzikálně-mechanické vlastnosti výsledného kompozitu.

Dalším přínosem je zlepšení permeability (µr) povlaků pro elektromagnetické vlny. Nanomateriály, jako jsou nanopartikule oxidu železa (Fe₃O₄) a kobaltového ferritu (CoFe₂O₄), mají vysoké inherentní hodnoty permeability, a jejich zařazením do matrix povlaku je možné efektivně zvýšit relativní permeabilitu (µr) povlaku. Takové povlaky nejen zlepšují elektromagnetické vlastnosti, ale také mechanickou a korozní odolnost. Zajímavým trendem je rovněž snaha o optimalizaci formulace povlaků za účelem zajištění jejich vysoké odolnosti vůči mechanickému poškození, což je kladeno na první místo při aplikacích, kde je nutné zajistit dlouhodobou ochranu povrchu.

Pokud jde o zlepšení odolnosti proti poškrábání a opotřebení, velkou roli hraje optimální volba materiálů, a to jak v oblasti výběru plnidel, tak i v zajištění dostatečné tvrdosti povlaku. Zavedení tvrdých materiálů, jako je silikát, alumina nebo titania, do složení povlaku výrazně zvyšuje jeho tvrdost a odolnost proti poškrábání. Tato plniva působí jako zpevňující činidla, která zvyšují mechanickou pevnost povlaku a zabraňují pronikání abrazivních částic.

Příprava podkladu je dalším klíčovým faktorem. Hladký a rovnoměrný povrch podkladu snižuje pravděpodobnost vzniku a šíření škrábanců. Techniky přípravy povrchu, jako je leštění nebo chemické leptání, mohou účinně zlepšit hladkost povrchu, což je nezbytné pro dosažení optimální přilnavosti mezi povlakem a podkladem. Speciální předúpravy povrchu, jako je použití adhezivních promoterů nebo sol-gelových konverzních povlaků, zajišťují silnou adhezivitu a tím i lepší odolnost proti mechanickému poškození.

Procesy, jako je tepelná nebo UV tvrdnutí povlaku, mohou významně zlepšit hustotu zpevnění polymeru, což má přímý vliv na zvýšení odolnosti proti poškrábání a opotřebení. Optimalizace chemických reakcí při vytvrzování umožňuje dosažení požadované mechanické pevnosti a odolnosti proti opotřebení, což je zvláště důležité pro aplikace v průmyslových a automobilových odvětvích.

Pro zvýšení odolnosti povlaků vůči opotřebení se často používají speciální tvrdé povlaky, které zajišťují ochranu proti poškrábání a dalším mechanickým vlivům. Tyto povlaky jsou obvykle tvořeny anorganickými materiály nebo hybridními kombinacemi anorganických a organických složek. Nejběžnějšími materiály pro tyto povlaky jsou křemičité nebo titanové oxidy. Takové povlaky nacházejí uplatnění ve výrobě optických zařízení, v automobilovém průmyslu nebo v elektronice, kde je kladen důraz nejen na mechanickou odolnost, ale i na vizuální vlastnosti, jako je optická čistota nebo transparentnost.

Povlaky na bázi nanokompozitů, které obsahují nanočástice tvrdých materiálů, jako je silika nebo zirkonia, představují účinný způsob, jak zlepšit odolnost vůči poškrábání. Nanočástice slouží jako zpevňující agens, které rozptylují napětí a zabraňují lokalizovaným deformacím. Díky této struktuře jsou povlaky odolnější vůči mechanickému poškození, což je činí vhodnými pro použití v náročných aplikacích, kde je požadována vysoká odolnost a dlouhá životnost.

Endtext

Jaké jsou výhody a perspektivy aplikací nanocelulózy a nanomateriálů v moderní technologii?

V posledních letech se nanocelulóza stala jedním z nejvíce studovaných materiálů díky svým vynikajícím mechanickým, optickým a bariérovým vlastnostem. Její přítomnost v různých typech kompozitních materiálů a nano-hybridních systémech výrazně zlepšuje jejich výkon a přidává nové funkční vlastnosti. Nanocelulóza, především ve formě nanovláken, poskytuje neuvěřitelnou pevnost a stabilitu, což je ideální pro aplikace v obalových materiálech, textiliích, stavebnictví i elektronice.

Významným trendem je její použití v ekologických aplikacích. Tento materiál je biodegradabilní, což znamená, že na rozdíl od mnoha syntetických polymerů nezatěžuje životní prostředí. Různé typy nanocelulózy, například nanocelulóza vyrobená oxidačním procesem TEMPO, vykazují vynikající schopnosti v oblasti průhlednosti a bariérových vlastností, což z nich činí ideální materiál pro použití ve filmových materiálech, které mají chránit před vlhkostí a jinými nežádoucími vnějšími vlivy.

Využití nanocelulózy se však neomezuje pouze na jednoduché aplikace. Spojení s dalšími materiály, jako jsou nanočástice oxidu titaničitého (TiO₂) nebo kompozity s nanomateriály z grafenu, může vést k vytvoření materiálů, které nejen zlepšují mechanické vlastnosti, ale také nabízejí funkce, jako je samočistící povrch nebo zlepšení odolnosti proti UV záření. Kromě toho bylo prokázáno, že nanocelulóza v kombinaci s bio-polymery zlepšuje procesy v různých technologických aplikacích, včetně vodní filtrace a odstraňování nečistot z odpadních vod.

Významným směrem, který by neměl být opomenut, je i výzkum využití nanocelulózy pro výrobu nové generace materiálů pro flexibilní elektroniku. Spojení tohoto materiálu s nanostrukturovanými vrstvy, například grafenovými kompozity, může vést k výraznému zlepšení elektrických a mechanických vlastností, což může přinést novou vlnu inovací v oblasti nositelné technologie.

Kromě nanocelulózy se významně prosazují i jiné typy nanomateriálů, jako jsou nanočástice oxidu křemičitého nebo grafen, které se používají pro zlepšení vlastností polymerních vrstev, cementových kompozitů nebo skleněných materiálů. Nanomateriály, přítomné v polymerních nátěrech nebo kompozitech, mají často schopnost zvyšovat odolnost proti opotřebení, což je kladně vnímáno v oblasti automobilového průmyslu, letectví a stavebnictví, kde je potřeba materiálů s vynikající dlouhověkostí a odolností.

Důležité je také pochopit, že nanomateriály nejen přinášejí inovace, ale zároveň kladou důraz na bezpečnostní a ekologické standardy. Vzhledem k jejich mikroskopickým rozměrům mohou některé materiály vykazovat potenciální toxicitu, pokud nejsou správně aplikovány nebo recyklovány. Tato oblast výzkumu se stále vyvíjí, a proto je nutné věnovat pozornost studiím zaměřeným na bezpečnostní aspekty nanomateriálů.

Důležitou součástí této problematiky je i otázka recyklovatelnosti a udržitelnosti nanomateriálů. Vzhledem k rychlému rozvoji průmyslové výroby je nezbytné najít efektivní metody recyklace a zajištění, že použití těchto materiálů nebude mít dlouhodobé negativní dopady na životní prostředí. V současnosti probíhá řada studií zaměřených na výrobu recyklovatelných kompozitů, které by měly být schopny udržet své výjimečné vlastnosti i po recyklaci.

Další aspekt, který je potřeba zohlednit, je rozvoj metod pro výrobu nanocelulózy, které by byly dostupné a ekologické. K tomu se používají různé přírodní zdroje, jako je dřevo nebo odpadní rostlinné materiály, které lze efektivně přeměnit na hodnotný nanomateriál. Taková výroba nejenže přispívá k nižší spotřebě fosilních paliv, ale také podporuje využívání obnovitelných surovin.