Univerzita chystá patent na přípravu železa pro čištění vody

Podivuhodný svět nanočástic a nanotechnologií

Oblast nanotechnologií je bezesporu jednou z nejperspektivnějších vědních disciplín současnosti a dá se říci, že Univerzita Palackého drží i v tomto směru pomyslný krok se světem. Má podanou přihlášku k patentu na přípravu železa pro čištění vody, a pokud vše dobře dopadne, tak v příštích letech bude možné čistit podzemní vodu novým způsobem - prostřednictvím nanočástic železa. Bude to metoda ekonomicky výhodná a k životnímu prostředí šetrná. Co jsou to nanočástice? Co jsou to nanotechnologie? A proč jsou tak výjimečné? I na tyto dotazy odpověděl Žurnálu UP před časem prof. Miroslav Mašláň, vedoucí Katedry experimentální fyziky PřF UP a Centra pro výzkum nanomateriálů UP.

Nanočástice, nanotechnologie – co si pod těmito pojmy má člověk představit?

Obecně se za nanočástice považují částice menší než sto nanometrů. Sto nanometrů je desetina mikrometru, desetitisícina milimetru. Klasickou optickou mikroskopií je neuvidíte. Dají se však zobrazit prostřednictvím jiných mikroskopických technik. Nanotechnologie jsou pak technologie, jež nějakým způsobem buď vytvářejí  nebo operují s nanoobjekty či využívají tyto struktury. Materiály vyrobené s jejich pomocí pak mohou nalézat široké uplatnění - od automobilového průmyslu přes oděvnictví až po medicínu. Přimícháním  nanočástic do běžných látek  mohou materiály totiž získat úplně nové vlastnosti, a tedy i možnosti využití.

A Univerzita Palackého bude mít v této oblasti patent...

Již jeden český národní patent vlastní. Tento se týká negativní kontrastní látky pro zobrazování metodou nukleární magnetické rezonance. Dále máme podanou přihlášku k získání patentu na přípravu nanočásticového železa pro čištění vody. Proces se poněkud zdržuje, museli jsme okleštit patentové nároky, neboť důkladný mezinárodní průzkum ukázal, že mnohé nároky již patentovat nelze. V současné době tedy pracujeme na přípravě patentu na úrovni EU, a i když tato jednání trvají i několik let – zkoumá se celá řada faktorů – věřím, že se nám podaří tento patent získat během roku.

Hovoříte o patentu na přípravu železa pro čištění vody. Jakou souvislost s tím mají nanočástice, které jsou považovány za tak úžasné?

 Úžasné jsou proto, že mají jiné vlastnosti než částice větších rozměrů. Představte si jednu velkou částici, která se skládá z atomů. Na povrchu se nachází atomů méně, uvnitř více. Je důležité říci, že ty atomy, které se nacházejí uvnitř částice, jsou vázány silami ze všech stran a chovají se jinak než ty na povrchu, které jsou vázány pouze zčásti. Už to samé ovlivňuje jejich vlastnosti. Změny nastanou poté, kdy částici začnete zmenšovat, čímž se počet atomů na povrchu začne v poměru k celku zvyšovat. Čím je částice menší, tím více je atomů na povrchu a zvyšuje-li se počet atomů na povrchu, začne se částice jako celek chovat odlišně.

A nyní k našemu patentu. Jak známo, čisté železo má redukční účinky, má snahu zoxidovat a oxidují především atomy na povrchu. Tato činnost je znatelná pouhým okem, neboť materiál vytváří rezavou slupku, a tím chrání kov uvnitř. Chrání jej tím, že si bere kyslík a vznikají oxidy železa. Budete-li částice železa  zmenšovat, bude se více atomů vyskytovat na povrchu této částice. A tyto atomy budou oxidovat. Popsanou činností se celá částice zahřeje, až se v konečné fázi (cca při 70–80 nanometrech) stane pyrolytickou, tedy shoří. Takto to funguje na vzduchu. Ve vodě si čisté železo vezme kyslík v rozpuštěné podobě. A vyskytuje-li se ve vodě nějaká organická látka, železo pracuje následovně: Pro svou oxidaci má snahu vytrhnout z této organické látky kyslík. Když jej vytrhne, daná látka se jako celek změní, rozloží se. Tímto způsobem je možné rozkládat organické sloučeniny, tedy nejen čistit vodu.

Ale vyrobit nanočástice železa k čištění vody nestačí. Je důležité zajistit jejich dostatečnou migraci. Tomu se napomáhá pomocí tzv. surfaktantů. Představte si vrt, do něhož nalijete vodní suspenzi nanočástic. Pokud budou částice velké, sednou na dno vrtu a nikam dál se nedostanou, pokud budou dostatečně malé budou se ve vodě vznášet a mohou migrovat horninovým prostředím. Nám se podařilo najít takové technologie, které migraci zajistí. A umíme připravit takovou látku nejen v laboratoři, ale i zavést její výrobu.

A co se stane, když kyslík ve vodě rozpuštěný nebude?

Nanočástice železa začnou vodu rozkládat, bude z ní unikat vodík. Čím budou nanočástice menší, tím bude vývin vodíku intenzivnější.

Takže vlastně vytvoříte jakousi vodíkovou baterii a vodík můžete energeticky využít.

Ano, ale pravděpodobně poněkud drahý zdroj energie, kterou jsme potřebovali na výrobu nanočástic železa.

Vodu lze čistit různými způsoby. V čem metoda čištění železem bude mít výhody?

U čištění povrchových vod existuje celá řada technologií. Čištění podzemních vod, o kterých se ve vztahu k nanočásticovému železu hovoří, je však složitější. Buď použijete chemikálie nebo vodu odčerpáte. Většina technologií, které se dnes k čištění podzemních vod používají, jsou buď ekonomicky náročné nebo ekologicky nešetrné. Jsou nešetrné k mikroflóře a k mikrofauně prostředí, zahubí prostě všechno. Železo je pro životní prostředí přijatelné, neboť mikroflóra i mikrofauna přežívá. A navíc, když do země dáme malinko železa navíc, vůbec nic se v konečném důsledku nestane.

Jak dlouho se možnostmi nanočástic železa zabýváte?

Někdy před třemi lety se na nás obrátili kolegové z Technické univerzity v Liberci s prosbou, že by potřebovali zanalyzovat materiál, který dovezli z USA. V této návaznosti jsme přišli na to, že bychom podobný materiál mohli vyrobit i tady. Později jsme k tomuto cíli směrovali některé projekty. Např. program Nanotechnologie pro společnost podpořen  AV ČR, věnovaný sanačním technologiím a mj. přípravě železa, byl projekt, jehož hlavním řešitelem byli právě kolegové z TU v Liberci, my jsme byli spoluřešitelé.

Takže impulzem věnovat se nanočásticím železa byli kolegové z Liberce?

Ne, zajímal jsem se o tuto oblast již dříve. Asi před deseti lety se na mne s prosbou obrátil Ing. František Grambal, který tehdy působil na Katedře anorganické chemie PřF UP. Ptal se, jestli by si jeden diplomant nemohl u mne něco změřit. Mimochodem, onen diplomant je dnes kolega z katedry doc.  Radek Zbořil. Nanočásticemi oxidů železa jsme se začali zabývat asi před deseti lety, za tu dobu jsme v této oblasti získali dva národní patenty, máme podáno několik dalších přihlášek, vynálezů a publikovali jsme v této oblasti určitě více než padesát původních vědeckých článků.

Proč se o aplikaci nanočástic železa pro čištění podzemních vod hovoří až v posledních letech?

Víte, do jisté míry se částice železa používaly k tomuto účelu i dříve. Už před léty se totiž k čištění podzemní vody přistupovalo i tak, že se vybagroval kus zeminy a do vzniklé jámy se nasypal písek s částicemi železa, železnými pilinami. Tedy s částicemi, jejichž rozměry byly řádově stovky mikrometrů. Jejich účinnost však byla malá a nemigrovaly v horninovém prostředí. Problémem bylo, že nebyl nikdo, kdo by byl schopen dostatek nanočásticového železa vyrobit. Možností přípravy je samozřejmě celá řada. Je však různě ekonomicky náročná a ekonomika hraje jednu z určujících rolí při využití čehokoliv nového.

S kým spolupracujete?

Kdybych to vzal z hlediska republiky, tak nejvíce s Ústavem fyziky materiálů AV ČR v Brně, s Centrem pokročilých sanačních technologií TU v Libereci, Přírodovědeckou fakultou MU v Brně, Ostravskou univerzitou a samozřejmě s výrobními a privátními sektory. Spolupracovali jsme s Prechezou a.s. v Přerově, jež vyrábí pigmenty, Farmakem a.s. v Olomouci. Příkladem současné spolupráce jsou například prostějovská firma Medihope, s. r. o., která se věnuje zobrazování pomocí nukleární magnetické rezonance, H+A EcoCZ s.r.o. Olomouc, kde spolupracujeme na vývoji reaktorů pro úpravu vod (s aplikací nanočásticového železa).

Pokud bych měl hovořit o spolupráci se zahraničím, tak bych musel jmenovat celou řadu výzkumných a vzdělávacích institucí, např. NSRC Demokritos v Aténách, Florida Institute of Technology, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Georgia Institute of Technology, atd.

Výsledky dlouholeté práce jste mj. prezentovali na nedávné mezinárodní konferenci Euronanoforum 2009. Pražského setkání se účastnilo na 800 odborníků. Co jste prezentovali konkrétně?

Na úrovni EU jsme chtěli naši práci představit jako celek. Univerzita Palackého tedy představila Regionální centrum pokročilých technologií a materiálů, jehož vznik se chystá prostřednictvím operačního programu Věda a výzkum pro inovace. V rámci konference jsme se pokusili ukázat šíři našeho výzkumu, tedy nejen výsledky bádání na bázi oxidu železa, ale i jiné výsledky, které  se snažíme uplatnit v medicíně. Připomínám, že UP má na úrovni ČR mj. patent na tzv. negativní kontrastní činidlo pro vyšetřování střevního traktu. Uvedené činidlo pro zvýšení kontrastu se využívá při zobrazení nukleární magnetické rezonance.

Co říkáte na tradované tvrzení, že nanotechnologie výrazně ovlivní život příštích dvaceti let?

Nanotechnologie, nanočástice jsou tak trochu  módní slova. Fyzikové a chemikové pracují v oblasti nanosvěta již dlouho, i když nepoužívali pojmy s předponou nano-. Názornou ukázkou je např. oblast vývoje fotografických materiálů firmy Kodak 30. let minulého století. Technologie přípravy fotografických vrstev bychom dnes totiž směle mohli zařadit mezi nanotechnologie. A považte, kdo v současnosti fotografuje na klasický film? Ano, výrobky s novými vlastnostmi ovlivní život člověka, ale stejně tak ovlivňuje život člověka např. rozvoj elektroniky. K jakési euforické mediální atmosféře bych rád řekl následné: Skončilo období nadšení nanotechnologiemi. Zjistilo se, že celý proces není až tak jednoduchý. Nyní se nacházíme v období, kdy začíná postupný, už střízlivější, nárůst zájmu. Z hlediska převratných myšlenek, aplikací, využití nanotechnologií jsme na začátku. Všechny nynější vůdčí myšlenky jsem totiž slyšel už před třemi lety, je třeba se je snažit důslednou a postupnou prací uskutečnit.

Často se také hovoří o nebezpečí související s nanotechnologiemi. Dovedete si představit, v čem by mohlo reálně spočívat?

Základní stavební kameny dané částice změní po svém zmenšení do nanometrických rozměrů vlastnosti částice jako celku. A jestliže jednotlivé stavební kameny i celek mohou mít na něco vliv, budou mít tento vliv i v pozměněné podobě. V pozměněné podobě mohou být využity chytře, mohou být však i zneužity. Ostatně jako všechno. Nebezpečí podle mne hrozí s každou novou technologií.

Přirozeně, jestliže do vzduchu vypustím nanočástice čehokoliv a tento vzduch budu dýchat, tak nějaký vliv to na mne mít asi bude. Když horník pracuje v dole a nadýchá se prachu, má respirační problémy. Proto využívá ochranné pomůcky. Při výrobě nanočástic tedy bude nutné mít také ochranné pomůcky. Je však pravda, že nanočástice jsou menší než částice uhelného prachu. Jsou tak malé, že mohou prostoupit buněčnou stěnou. Při jejich velikosti se mohou dostat přes nosní nerv do mozku. A je pravda, že z hlediska zdravotních rizik je tato oblast tzv. pole neorané. Je těžké v tuto chvíli stanovit nějaké limity. Vzniknou časem.

Důležité je však vědět, že mnohé záleží nejen na rozměru, ale i na chemickém složení. Jedná-li se o inertní nebo reaktivní materiál. U železa totiž  problém vdechnutí jednoznačně nehrozí, protože než ho vdechnu, tak shoří. A navíc, není vůbec jednoduché, aby tady jen tak nanočástice poletovaly. Každý, kdo s nimi pracuje, totiž ví, že je problém udržet je od sebe. Jen tak mimochodem, víte, kde je nanočástic nejvíc?

To opravdu nevím… Vím ale, že už dnes existují výrobky ovlivněné nanočásticemi...

Nejvíce jich poletuje v cigaretovém dýmu. A lidé kouřili, kouří a chtělo by se říci kouřit budou ...

Ano, výrobky s nanočásticemi jsou již dnes na trhu. Např. koloidní stříbro, které si dnes můžete koupit v lékárně. Ví se, že nanočástice stříbra mají antibakteriální účinky...

Ptala se M. Hronová, foto -mo-

---

Prof. Miroslav Mašláň, CSc., vedoucí Katedry experimentální fyziky PřF UP působí mj. v Centru pro výzkum nanomateriálů. Je koordinátorem projektu Regionálního centra pokročilých technologií a materiálů PřF UP, jenž je připravován v rámci evropského operačního programu Věda a výzkum pro inovace. Hlavní oblastí odborného zájmu prof. M. Mašláně je Mössbauerova spektroskopie a její aplikace v mineralogii a chemii, především při studiu částic oxidů železa. Prof. M. Mašláň se zabývá také metodikou mössbauerovských měření a konstrukcí spektrometrů a detektorů. Věnuje se také automatizaci fyzikálních měření a převodníkům fyzikálních veličin na elektrické. Je zakladatelem vědecko-technického parku UP, řešitelem 11 projektů s úhrnnou dotací nad 160 milionů korun. V letech 2000–2005 zastával funkci prorektora pro záležitosti vědy a výzkumu UP. V průběhu letošního podzimu jej Akademický senát UP navrhl ke jmenování rektorem UP pro funkční období 2010–2014.

---