Nanomateriály – jejich vlastnosti a třídění

Označení nano se užívá u materiálů, jejichž alespoň jeden rozměr měří, nebo je menší než 100 nanometrů (nm), přitom se takový materiál zároveň vyznačuje jinými vlastnostmi a charakteristikou, než měl v podobě částeček větších. Nanomateriály nejsou přitom jinou třídou materiálů. Některé takové materiály, např. sopečný prach, existovaly v přírodě trvale, jiné, uměle vytvářené, jako uhlíková čerň (carbon black) a titanový dým (fumed TiO₂) jsou známy velmi dlouhou dobu.

Jednou z možností kategorizace nanomateriálů je třídění podle jejich výroby na fyzikální a chemické. Fyzikální se dále dělí na mechanické, vznikající např. mletím a drcením, a na materiály vznikající použitím metod měnících fyzikální fázi, jako je precipitace a kondenzace. Při použití chemických metod se nanomateriál syntetizuje z výchozích materiálů, které jsou chemicky odlišné od nově vznikajících (plamenná nebo sprejová pyrolýza) a tzv. mokré chemické metody jako sol-gel, solvo thermal synthesi. Jednou z chemických metod je spalování spreje (nanospray combustion), při které vznikají nanočástice nebo nanoprachy podle uspořádání procesu spalováním spreje roztoku obsahujícího požadované látky. Přístroj umožňující tyto pochody je označován jako nanomiser.

V praxi je rozšířené používání metody označované v literatuře jako combustion chemical vapor condensation (nCCVC) a combustion chemical vapor deposition (nCCVD). Tohoto procesu bylo např. využito pro získání krycího nanotenkého filmu s charakteristickými antibakteriálními vlastnostmi, superhydrofobie a ochranny před okysličením a vlhkostí.

Nanomateriály jsou předmětem vysokého zájmu vzhledem ke svým vlastnostem, které se mohou i podstatně lišit od vlastností materiálů, ze kterých byly připraveny. Jsou to nové i jiné vlastnosti fyzikální (optické a elektronické) i chemické, např. zlato známé svou chemickou inertností se stává vysoce aktivním katalyzátorem pro oxidaci CO a H₂. Změny se mohou týkat též vodivosti (křemík se stává dobře vodivým), transparentnosti (měď je transparentní), reaktivity (hliník hoří), změny fyzikálního stavu (zlato je kapalina), a chemického chování (platina se stává katalyzátorem). Velikost částic se stává parametrem, který dovoluje vysoké rozšíření fyzikálních i chemických možností těchto materiálů.

Při získávání nanomateriálů se používají metody s plazmou, lasery apod., ale především spalování v plamenech (nanospray combustion process). To umožňuje získávat částice s velice úzkou distribucí. Roční produkce dosahuje několika megatun. Laboratorní reaktory využívající plamenné spreje obvykle získávají 10–100 g/1 hod., některá zařízení i 1 kg/1 hod.

Zajímavé uplatnění složených nanočástic bylo nalezeno u tzv. samo se sterilizujících polymerových povrchů (self-sterilizig polymer surfaces). Technologie plamenného spreje umožňuje pokrýt homogenní vrstvou 1–2 nm velkými stříbrnými nanočásticemi povrch nosiče fosforečnanu vápenatého velikosti částic 20–50 nm zakomponovaných do plastického filmu. Částice fosforečnanu jsou absorbovány mikroorganismy, následuje rozpuštění soli, čímž se uvolní tisíce stříbrných nanočástic, které způsobí jeho zánik. Tyto složené nanočástice (nanocomposites, composite nanoparticles, cerrier nanoparticles with silver nanoparticles homogeneously distributed) jsou tisíckrát účinnější jako ničitelé bakterií než konvenční stříbrné preparáty.

Použití plamenné sprejové syntetické metody dává prakticky nekonečné možnosti získávání nových složených anorganických nanočástic založených na mixování oxidů, solí, kovů, kovem krytého uhlíku, oxidem kovu krytého křemíku, kovem krytých keramických částic a mnoho dalších. Proces nCCVC je velmi vhodný pro získávání oxidů kovů a fosfátů. Látky jako LiMn1.5Ni0,5O4 a LiCoPO4 m jsou vhodné pro schopnost vysoké voltáže pro katody lithiových baterií. Například LiMn1.5Ni0,5O4 může být nabita až k 0,82–5,0 V, což představuje 25% zlepšení v uložení energie ve srovnání s běžnou lithiovou katodou.

Silný rozmach těchto látek započal již v 90. letech minulého století a rychle se rozšířil do mnoha moderních technologií včetně energie a elektroniky pro svoje výjimečné vlastnosti rozdílné od stejných materiálů, ale ve větších celcích. Nanočástice se vyznačují mimořádně velkým povrchem vzhledem k objemu. Se zmenšováním velikosti se mění i objevují nové vlastnosti materiálů. Například částice krystalického BaTiO₃ mají kubickou strukturu na povrchu, jinak jsou tetragonální. Při zmenšování velikosti částic se část kubické fáze zvětšuje až fáze tetragonální kompletně vymizí při přechodu BaTiO₃ do nanovelikosti. Tím se mění magnetické vlastnosti tohoto materiálu. Změna může být docílena též změnou teploty (na 120 °C). Teploty, při nichž dochází ke změnám, mohou být měněny také částečnou náhradou jiným kovovým oxidem. Takové látky se využívají při výrobě polovodičů, tranzistorů a piezoelektrických přístrojů.

Vedle mnoha biomedicínských aplikací nalezly nanočástice široké pole využití v regenerativním lékařství. Jde o využití inertních částic nebo částic magnetických, jimiž byly označeny sledované buňky. Výsledky pokusů ukazují, že regenerační pochody velmi záleží na charakteru povrchů, na kterých probíhají a jejichž ztvárnění vhodnými nanočásticemi tyto pochody výrazně zlepšuje spolu s užívanými DNA technologiemi. Užitím magnetu lze buňky obsahující magneticky aktivní nanočástice orientovat žádaným způsobem, popř. sdružovat.

Literatura: KAUSTIK, P. Selection of methods used to create of nanomateria. Mat. Matters, 2010, 4, č. 1, s. 1; HALIM, S. C., GRASS, R. N., STARK, W. J. From oxide to salt and metal nanoparticles. Mat. Matters, 2010, 4, č. 1, s. 2–7; BALEMA, V. Different application of nanomaterials. Mat. Matters, 2010, 5, č. 2, s. 30; VENUGOPAL, G., HUNT, A., ALAMGIR, F. Nanomaterials. Mat. Matters, 2010, 5, č. 2, s .42–47; CORCHERO, J. L. et al. Nanoparticle assisted tissue surgery. BioTech int., 2010, 22, č. 2, s. 13–16.

Prof. MUDr. Antonín Nauš, DrSc