Je všeobecne známe, že zlúčeniny uhlíka s kyslíkom, vodíkom a dusíkom sú na Zemi najrozšírenejšie organické molekuly. Nachádzajú sa takmer vo všetkých živých organizmoch.
V podobe potravín, ale napríklad aj liečiv zabezpečujú životné procesy ľudí. Navyše sú dôležitým fosílnym zdrojom energie a tvoria podstatu mnohých materiálov, ako sú textil, koža, drevo, kaučuk či plast. Je preto pochopiteľné, že sa v každodennom živote, vo vede aj v technológiách venuje zlúčeninám uhlíka zaslúžená pozornosť.
Uhlíkové materiály
S výnimkou diamantu a sadzí stál samotný, s iným prvkom nezlúčený uhlík, donedávna mimo pozornosti výskumníkov. Tú prebudili až nepórovité uhlíkové vlákna ako súčasť kompozitov s polymérovou, prípadne kovovou matricou. Poskytujú konštrukčné materiály s vynikajúcimi mechanickými vlastnosťami, ktoré zásadným spôsobom ovplyvnili letectvo, lodiarstvo, ale aj výrobu športových potrieb či zbraňových systémov. Najnovšie sa záujmu tešia aj špecifické uhlíkové štruktúry ako vláknité nanorúrky, guľovité buckminsterfulerény, dvojrozmerný grafén a ich zlúčeniny.
Osobitné miesto medzi uhlíkovými materiálmi zaujímajú pórovité systémy, ktoré sú schopné na svojom vnútornom povrchu zhromažďovať, sorbovať rôzne látky, napríklad škodlivé ióny ťažkých kovov vrátane rádioizotopov. V budúcnosti budú pravdepodobne tiež uskladňovať dioxid uhlíka a zdroje energie, ako je napríklad vodík.
Mikropórovité vlákna
V našom príspevku sa venujeme zdanlivo jednoduchej štruktúre uhlíka, mikropórovitým uhlíkovým vláknam. Tie sa skladajú z valcovitých alebo ploských útvarov s priemermi 10 až 20 µm rôznej dĺžky. Nachádza sa v nich množstvo mikropórov s efektívnou veľkosťou okolo 0,5 nm. V praxi sa rôzne aktívne látky, od liečiv po chuťové prísady a od urýchľovačov chemických reakcií až po zložky výbušnín, používajú vo forme tuhých častíc. Tie sú tým účinnejšie, čím majú väčší aktívny povrch vztiahnutý na ich hmotnosť, čiže čím sú menšie. Hovoríme o mikro- a nanočasticových materiáloch.
Ideálne sú nanočastice s priemermi menšími ako 500 nm. Ich aplikácia v technologických procesoch však naráža na významné problémy. Vo voľnom stave ich možno po použití len ťažko oddeliť od prostredia, v ktorom dočasne plnili svoju úlohu. Ich filtrácia je veľmi náročná, pretože kladú veľký odpor toku plynov a kvapalín. Nanočastice rozptýlené v kvapaline v gravitačnom poli Zeme takmer nesedimentujú a je potrebné použiť účinné odstredivky.
Východiskom sú materiály, v ktorých sú nanočastice aktívnych látok umiestnené na vhodnom nosiči. Výsledné heterogénne kompozity umožňujú praktické využitie veľkého povrchu nanočastíc na rôzne fyzikálne i chemické akcie.
Unikátny spôsob výroby
V Ústave polymérov SAV sme vytvorili originálne heterogénne kompozity, ktoré sú tvorené nanočasticami umiestnenými na povrchu uhlíkových vláken. Do ich mikropórov sa nevmestia voľné molekuly bežných anorganických i organických zlúčenín. Zhluky atómov a molekúl aktívnych látok vo forme nanočastíc však možno uložiť na vonkajšom povrchu vláken. Ten bude dekorovaný nanočasticami aktívnej látky. Veľký reakčný povrch nanočastíc ostane zachovaný a problémy s ich odstránením z reakčného prostredia sa výrazne obmedzia.
Vhodné mikropórovité uhlíkové vlákna sme získali kontrolovanou karbonizáciou celulózy. Pri karbonizácii celulózy, ktorá je tvorená atómami uhlíka, kyslíka a vodíka, sa stráca až asi 80 % pôvodnej hmoty, čo je ekonomicky nevýhodné. Zistili sme však, že ak sa k východiskovej celulóze pridá vhodná, uhlík obsahujúca látka, celkový výťažok karbonizácie zmesi nie je jednoduchý súčet výťažkov karbonizácie zložiek, ale zvýši sa. Dôvod tohto koordinačného javu zatiaľ nie je známy, no výsledný efekt má zaujímavý ekonomický význam. Proces prípravy mikropórovitých uhlíkových vláken sme patentovali.
Odstraňovanie škodlivín z vody
Prvým použiteľným heterogénnym kompozitom opísaného druhu je materiál tvorený aktívnymi nanočasticami hydroxidu železitého uloženými na povrchu mikropórovitých uhlíkových vláken. Hydratovaný Fe(OH)3 je známy svojou schopnosťou viazať jedovaté ióny ťažkých kovov aj prírodné rádionuklidy – a tým ich odstraňovať z pitnej i úžitkovej vody.
Kompozit testovali vo Výskumnom ústave vodného hospodárstva (VÚVH) a zistili jeho vysokú účinnosť. Spôsob prípravy kompozitu s hydroxidom železitým sme patentovali spoločne s pracovníkmi VÚVH. Oba patentované know-how prevzala od Ústavu polymérov SAV formou nevýlučných licencií švajčiarska firma AquaTECH.
Mikropórovité uhlíkové vlákna pripravené z celulózových prekurzorov použili vo svojom výskume pracovníci Fyzikálneho ústavu SAV, Ústavu makromolekulární chemie AV ČR, Katedry nukleárnej chémie PrF UK, tureckej Yalovskej univerzity aukrajinskej Univerzity Ivana Franka. Výsledky štúdia záchytu škodlivých iónov, originálnych katalyzátorov, biosenzorov, dvojitých uhlíkových materiálov – kombinácie karbonizovanej celulózy a polyanilínu tvoria podklad 14 karentovaných publikácií, ako aj deviatich vyžiadaných prednášok na medzinárodných konferenciách.
Mikropórovité uhlíkové vlákna môžu niesť rôzne aktívne látky a zodpovedajúci výskum poskytuje rozsiahle vedecké i aplikačné príležitosti.
Dušan Berek, Ivan Novák
Ústav polymérov SAV v Bratislave
