CZ   EN

Konference NANOSMAT-5, Reims,  18. - 21. 10.  2010

Ve dnech 18. - 21. října 2010 proběhla v kongresovém centru Remeše, Francie, konference NANOSMAT-5, věnovaná nanotechnologiím zaměřeným na povrchy a jejich úpravy . Navazovala na předchozí ročníky, uspořádané v Portugalsku (2005, 2007), ve Španělsku (2008 a 2009) a poprvé byla uspořádána ve Francii. Zúčastnilo se jí přes 300 delegátů z 53 zemí, bylo předneseno 174 přednášek a publikováno 550 abstrakt původních prací. Konference si vytýčila úkol vytvořit síť vědců, výzkumných pracovníků a pracovníků průmyslu z oblasti nanotechnologie materiálů a povrchů, uspořádáním setkání na výměnu zkušeností a znalostí. Organizační tým řídili Dr. Nasar Ali, Velká Británie a Prof. Jean Ebothe, Francie. Organizátoři ocenili mimořádně početnou a úspěšnou účast delegátů, zejména z pořadatelské země, jejíž doprava byla v těchto dnech imobilizována rozsáhlými stávkami.

V předprogramu konference proběhla soutěž mladých vědeckých pracovníků o nejlepší přednášku a nejlepší poster, slavnostně vyhlášená při recepci druhého dne konference.

Konference dokumentovala velikou šíři oborů, ve kterých nanotechnologie otevřela nový přístup k poznatkům a k novým technickým řešením. Ukázala na perspektivy, které se otvírají nanotechnologickým pohledem, prostupujícím prakticky všechny přírodní vědní oblasti.

V plenární části vystoupil laureát Nobelovy ceny Prof. Dr. Jean-Marie Lehn z University of Strasbourg s tradiční, ale stále vizionářskou přednáškou na téma „Generation of functional nanostructures : the self-organisation approach“. Provází cestou od supramolekulární chemie, která vytváří nové funkční struktury, založené na nekovalentních vazbách mezi kovalentními molekulami, přes programově vytvářené nanostruktury až po samovolně řízené (self-assembling) postupy, kde nositelem základních informací jsou kódy, uložené ve výchozích molekulách. Takové struktury se mohou samy rozpoznávat a jsou schopny se dynamicky přizpůsobovat a podle zákonů chemie a termodynamiky a „darwinisticky“ optimalizovat.

Přednášky konference rozdělené do následujích tématických okruhů probíhaly paralelně ve třech sekcích:

1.      Nanokompozitní materiály a nátěry

2.      Nanotoxikologie a nanobiotechnologie

3.      Nové struktury a nanostrukturované materiály

4.      Nanomedicina

5.      Bezpečnost v nanooblasti a projekt NANOSECURE

6.      Mikro a nano uhlíkové struktury

7.      Povrchové úpravy a tenké filmy

8.      Nanomagnetismus

9.      Katalýza

10.  Nanoenergetika a palivové články

11.  Nanočástice

V dalších odstavcích jsou některé postřehy chemického technologa z této zajímavé konference. Pro konferenci NANOSMAT-5 nebyl vydán tištěný a evidovaný katalog. K dispozici účastníkům je pouze přehled abstrakt a plný text pouze některých přednášek v elektronické formě.

Nanomateriály

Využití nanomateriálů nebo konvenčních materiálů s přídavkem nanočástic je dnes už velmi široké. Zajímavé jsou aplikace nanotrubic, ať už uhlíkových nebo přírodních halloysitových, které naplněné účinnými látkami mohou sloužit jako nosiče léčiv či biocidních látek s prodlouženým účinkem nebo naplněné lepidly pro hmoty, schopné samy zacelovat povrchy materiálů (1).

Nano-bioaktivní skla (NBG) jsou kvalitní materiály pro povrchové vrstvy implantátů pro své biointegrační vlastnosti a povrchovou odolnost,avšak špatně drží na povrchu kovových slitin. Výrazné zlepšení umožnily kompozitní povrchy NBG skel s TiO2 (2) .

Pro konstrukci implantátů se úspěšně používá slitina TiAl4V pro svou nízkou toxicitu, chemickou odolnost a příznivé mechanické vlastnosti, upravené i mechanickou úpravou povrchu. Při zkouškách s Ringerovým roztokem, simulujícím tělní tekutiny, se ale ukázalo, že dochází během prvních hodin při tělní teplotě k leptání a rychlému zjemňování povrchu, což může ovlivnit biointegraci (3).

Nanobiotechnologie a nanomedicína 

řeší vztahy živých organizmů a dalších látek, kterým nanorozměr dává nové vlastnosti. Nanotechnologie v  lékařství otvírá nová uplatnění v tkáňovém inženýrství. Studovány jsou buněčné reakce na umělé povrchy. Pochopení interakcí mezi nanostrukturami tkání a látek, které k nim přistupují, umožňují přizpůsobovat např. povrchové úpravy implantátů pro přístup proteinů hojivého procesu, a to při respektování odlišností jednotlivých tkání, naopak omezovat adhezi toxických mikroorganizmů, či působit přímo baktericidně. Využitím kmenových buněk lze dále přispět k tvorbě nových tkání (4). Nové materiály pro konstrukce implantátů a náhrad tělních tkání jsou kombinace POSS + PCU poly(karbonát + urea)urethan. POSS jsou nové hybridní materiály, chemicky na rozhraní mezi silikony a oxidem křemičitým, s funkčními skupinami, umožňujícími kompatibilitu s řadou polymerů. Zvyšují mechanickou a tepelnou odolnost. Ve srovnání s PTFE se dosáhlo dvojnásobného zvýšení trvanlivosti. Zvýšení biointegrace, kde dalším cílem bylo stimulovat kmenové buňky z krevního oběhu k vytváření endotheliální vrstvy na vnitřním povrchu implantátů, se dosáhlo další povrchovou úpravou RDG proteiny (5).

Nanovlákna z bioresorbovatelného materiálu PLGA s povrchovou úpravou kyselinou fusidovou mají zvýšený účinek při hojení ran (6).

V povrchové úpravě léků je výzkumné pole stále a progresivně velice rozevřené. Studována je doprava léků na cílená místa v organizmu, jejich průstup buněčnými membránami, ovlivněný funkčními skupinami na povrchu, hydrofilitou. Sledováno je řízené postupné uvolňování léků uzavíraných do obalových vrstev, tvořených vhodnými polymery nebo využívajících dutinových nanostruktur, např.  nanotrubic (7).

Stabilizace nanočástic léků, původně nerozpustných ve vodě, se podařilo dosáhnout ve vodné suspenzi současným přidáváním biodegradabilních polyelektrolytů a proteinů do tvořící se nanodisperze léčiv. Nanodisperze se vytváří dispergací (top-bottom technologie) nebo srážením z roztoku (bottom-up) (1).

Prokázala se unikátní schopnost nanodiamantů přímo aktivovat růst neuronových buněk na svém povrchu, který nebylo nutno upravovat adhezivními proteiny (8).

Povrchové úpravy a tenké vrstvy

 Povrchové úpravy různých materiálů (pracovní plochy, textilie, nástroje, povrchy implantátů) proti infekcím se stávají velmi aktuálními vzhledem k rostoucím problémům s výskytem stále odolnějších druhů bakterií i dalších mikroorganizmů, a to zejména v lékařské praxi, která řeší stále aktuálnější problémy nozokomiálních infekcí, ale i v běžném životě při zacházení s pitnou vodou, ošetřování veřejných prostor a j. Povrchové úpravy mohou bakterie likvidovat nebo jen bránit jejich adhesi k ochraňovanému povrchu. Použití klasických dezinfektantů umožňuje krátkodobou ochranu.

Pro trvalou ochranu jsou stále zdokonalovány úpravy s fotokatalytickým účinkem, úpravy, využívající těžké kovy, nově i úpravy, využívající poznatky imunitních reakcí v živých organizmech.

Na antimikrobiální úpravu textilií bylo úspěšné použití chitosanu po jeho stabilizaci UV vytvrzením na vlákně (9).

Stříbro a ionty stříbra jsou výraznými antimikrobiálními látkami, účinnějšími než oxid titaničitý, inhibují bakteriální enzymy. Přechodem do nanorozměru se násobně zvyšuje účinnost částic stříbra. Koloidní disperze stříbra lze připravit redukcí stříbrných iontů v prostředí vodných roztoků organických polymerů. Zajímavý je postup , urychlený současným ozařováním UV-světlem, při kterém dochází i k zjemňování Ag částic (10). Účinného přídavku nanočástic stříbra do matrice TiO2 se dosáhlo sol-gel postupem z Ti-ethoxidu za přítomnosti dusičnanu stříbrného a kalcinací , kdy současně s krystalizací anatasu nastala i redukce na elementární stříbro (11).

U nanočástic je zvlášť třeba sledovat uvolňování iontů Ag do okolního prostředí , které je nežádoucí jako u všech iontů těžkých kovů (12).

Bezpečnost v nanooblasti a projekt NANOSECURE

S novými poznatky a lákavými perspektivami nanotechnologie se aktuálně vynořují otázky bezpečnosti. NANOSECURE je integrovaný EU FP-6 projekt za účasti 23 společností z 8 zemí, zaměřený na detekci a detoxifikaci výbušnin, narkotik a válečných jedů, rozšiřovaných vzduchem. Řada přednášek byla z okruhu řešitelů projektu. Úspěšná řešení byla právě podmíněna nanotechnologickým přístupem v rozpoznávání molekul, kterým se tak otevírají nové cesty analytické chemie. Nové výsledky se týkají látek, stabilizujících acetylcholinesterázu proti účinkům neurotoxických bojových látek (13). Aktuálním úkolem, zajímajícím navrhovatele a uživatele veřejných budov, je detekce toxických látek a jejich likvidace v ovzduší interiérů. Detekce má zajistit odlišení nebezpečného stavu od běžné hladiny polutantů. Jde o nebezpečné koncentrace oxidů dusíku, uhlíku, ozonu,  VOC (zejména BTEX), formaldehydu a acetaldehydu, změkčovadel, dále plísní, bakterií, a velmi malých částic (14).

Oxid titaničitý, sol-gel systémem nanesený na Al-substrátu a UV světlo jsou velmi účinné pro detoxifikaci těkavých organických látek (15).

Funkční úpravy povrchu, tvorba katalyticky působících nanovrstev

Trvalý zájem je o fotokatalýzu, zejména o vrstvy, aktivní ve viditelném světle.

Zajímavé výsledky přináší stále studium vlastností samotného TiO2 a jeho krystalických modifikací. Vedle ALD (Atomic layer deposition) metod je studována sol-gel metoda zejména pro dobrou reprodukovatelnost a řiditelnost síly vrstev. Závěrečná kalcinace rozhoduje o přeměně amorfní modifikace přes anatasovou na konečnou rutilovou. Amorfní struktury mají nejmenší částice ale nízkou fotokatalytickou schopnost. Nicméně ji mají a jsou studovány pro možnost přípravy povrchových úprav s trvalým mírným fotokatalytickým účinkem. Zvýšeného funkčního povrchu a fotokatalytické účinnosti se dosáhlo přípravou nanotrubic a nanovlákenTiO2 alkalickou hydrotermální přeměnou TiO2 prášku při překvapivě nízkých teplotách 200 - 350oC (16, 17). Anatasová i rutilová struktura jsou každá samostatně i ve vzájemných směsích účinné při fotokatalyticých oxidacích, ale významně se liší aktivitou při redukci CO2., studované z hlediska možnosti skladovat energii. Anatas vede k redukci na metan, zatímco rutil, který při vyšších kalcinačních teplotách vzniká ve větších částicích, vede pouze na oxid uhelnatý (18).

Řada příspěvků se zabývala vrstvami TiO2 s dopanty z řad těžkých kovů, dále uhlíkem i aniontovými typy, titanáty nebo nitridy. U kationtových dopantů nelze očekávat zvýšení fotoaktivity ve viditelném světle pouze od posunu absorpce světla k vyšším vlnovým délkám. Vždy jde o interakci s vlivem krystalové struktury a dalších fyzikálně chemických parametrů (19). Úprava nitridací má perspektivu v relativně snadné přípravě, např. kalcinací nanočástic TiO2 v prostředí amoniaku, kde teplota řídí výslednou nanostrukturu (20). Zajímavý byl příspěvek o vlivu stechiometrického poměru kyslíku a dusíku ve výsledném směsném oxidu na fotokatalytickou účinnost. Nestechiometrický přídavek umožňoval vyšší obsazení dusíkem a výraznější posun absorpce k vyšším vlnovým délkám (21). ALD je výhodná metoda nanášení nanovrstev TiO2 na podklady s OH-skupinami na povrchu . Je schopná samoregulace nánosu, katalyticky aktivní vrstvy vytváří již od 250oC. Metodou lze připravovat i uhlíkové nanotrubice (22).

Oxid wolframový je známý jako fotokatalyzátor, schopný aktivace denním světlem. Jeho účinek lze dále zesílit nanočásticemi platiny (23).

Zajímavá byla informace o výrobě keramických porézních přepážek pro katalytické a UV – reaktory, opatřené nanovrstvami TiO2 a vzácných kovů, s možností připojení elektrod (24).

Nanotechnologie zásadně ovlivňuje účinnost dalších heterogenních katalyzátorů. Pro spalování biolihu E-85 byl vyvinut substrát Ce-Zr oxidů sol-gel metodou, dopovaný platinou, který vykázal shodnou účinnost jako HHC 5557 při podstatném snížení reakční teploty (25). Nanočástice zlata na nosičích ze směsných oxidů Al a Cu, Zn, Co, Mn, Fe, Mg jsou účinnými katalyzátory oxidace. Umožnily snížení reakční teploty oxidace CO (26).

Nanočástice

Nanodiamanty se dostávají do popředí zájmu pro své mimořádné vlastnosti, které se očekávají od diamantů, nanorozměry jim však dávají nové vlastnosti, které makrodiamanty nemají, které jsou dnes předmětem intenzivního výzkumu. Nanodiamanty se vyrábějí detonační technologií z vybraných výbušnin (hexogen, TNT, redukční činidla) dnes už v tunových množstvích. Nanodiamanty nejsou zcela chemicky jednotné, mají příměsi kovových solí, mají na povrchu chemické skupiny, které ovlivňují jejich chování. Výrobci usilují o jejich vyšší čistotu. Nanodiamanty se uplatňují jako aditiva do kompozitních materiálů i jako částice, které lze opatřit chemicky aktivními substituenty. Uplatňují se jako biokompatibilní, avšak s dosud plně nejasnými vedlejšími účinky (např. iniciace volných oxidačních radikálů). Díky vysokému specifickému povrchu až 400 m2/g mají vysokou absorpční schopnost, využitelnou v chromatografii, absorpcí amoniaku řádově roste jejich relativní permitivita, využitelná pro senzory na jeho detekci. Funkční skupiny na ně lze navázat, např. OH-skupiny Fentonovou oxidací (Fe 2+ H2O2) a zvýšit tak biokompatibilitu pro povrchovou úpravu implantátů a antioxidační schopnost (27, 28, 29). Filmy, obsahující nanodiamanty i další uhlíkové nanostrukturované částice (DLC – diamond like carbon) a technologie jejich přípravy jsou sledovány pro jejich mimořádné vlastnosti – tvrdost, chemická odolnost, biokompatibilita, nízký koeficient tření, nepropustnost (30).

Uhlíkové nanočástice jsou nositeli redukčních vlastností a jsou schopny podporovat účinek antioxidantů a bránit tak poškozování tkání oxidačními radikály. Např. uhlíkové částice, připravené metodou RF CVD (Radiofrequency Chemical Vapour Deposition) prokazatelně aktivovaly účinky antioxidantů – kyseliny askorbové, glutathionu, tercbutyl-4-hydroxyanisolu (31).

Velká pozornost je věnována uhlíkovým nanostrukturám. Plošné struktury, založené na sp-2 orbitalové konfiguraci, vytvářejí sítě, které se mohou uplatnit jako rovné plochy - graphen, nanotrubice nebo další fullereny. Mají extrémní elektrickou vodivost, jsou transparentní, mají schopnost poutat atomy dalších prvků, které jim propůjčují katalytické vlastnosti, mechanickou tvrdost, biokompatibilitu, baktericidní účinky. Uhlíkové nanotrubice jsou nadějné jako zpevňující přísady pro porézní křehké oxidové materiály (32, 33, 34).

Účast na konferenci a zpracování informací bylo finančně zajištěno z grantu MŠMT LA10016 „Eurosep“

 

 

Odkazy na přednášky a postery
  1. Lvov Y., Louisiana Tech. University, Ruston, LA, USA .
  2. M. Nasr-Esfahani, Islamic Azad University, Iran.R.
  3.  Drevet, ISERM UMR-S 926, URCA, Reims, BP 138 Cedex 02, Francie.
  4. Webster tj., Center for Biomaterials for Healthcare, Brown University, Providence, USA.
  5. Seifalian A.M., University College, Londýn.
  6. Aloufy A, University of Alexandria, Egypt.
  7. Mark DeCoster, Louisiana Tech University, USA.
  8. Edgington R., London Centre for Nanotechnology, University College, Londýn.
  9. Monica Periolatto.
  10. Sharifian-Esfahani A., Islamic Azad University, Iran.
  11. Maryam Hosseini Zori, Institute for Colorants, Paint and Coatings, Tehran, Iran.
  12. V. Zaporojtchenko.
  13. Wright Neil P., C-tech Innovation, Velká Britanie.
  14.  Gunnarsen L., Danish Building Research Institute, Aalborg University, Dánsko.
  15. Fitzpatrick Paul, C-Tech Innovation Ltd, Velká Britanie.
  16. Supothina S., National Metal and Materials Technology Center, Pathumthani, Thajsko.
  17. Leo Bey Fen, University of Malaya, Kuala Lumpur, Malaysia.
  18. Rahimnejad s., Islamic Azad University Teheran, Iran.
  19. Santos A.R., Universidado da Beira Interior, Portugalsko.
  20. Seong Sik Shin, Seoul National University, Seoul, Republika Korea.
  21. Trenczek-Zajac A., Faculty of Materials Science and Ceramics, University of Science and Technology, Krakov, Polsko.
  22. Pore V., Univerzita Helsinky, Finsko.
  23. Murata A., Aoyama Gakuin University, Japonsko.
  24. Thorstensen B., projekt Nanosecure, Firma Keranor, Oslo, Norsko.
  25. Gaálová Jana, Ústav chemických procesů AVČR, Praha.
  26. Carabineiro Sónia A.C., projekt Nanosecure, Universidade do Porto, Portugalsko.
  27. Spicyn D.V, A.N.Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry RAS, Moskva.
  28. Dolmatov V.J., JSC Diamond Centre, Saint-Petersburg, Rusko.
  29. Mitura K., Solarska K., Institute of Materials Science and Engineering,Technical University of Lodz, Polsko.
  30. Pucha V.E., National Technical University Charkov, Ukrajina.
  31. Niemiec T., Warsaw University of Life Sciences, Polsko.
  32. Gulbiński W., Koszalin University of Technology, Koszalin, Polsko.
  33. Pham T.A., Pukyong National University, Busan, Korejská Republika.
  34. Série příspěvků Mazandaran University, Babolsar, Iran.     

  

Mikropur, s.r.o.,  22. 11. 2010                                                                 Ing. Meda Přidalová

                                                                                                                        Ing. Jiři Přidal, CSc.