Чехия в наномасштабе

Профессор Технического университета города Либерец Олдржих Ирсак – создатель уникальной технологии NanoSpider и одноименного прибора, позволившего производить нановолокно в промышленных объемах. Его имя знает каждый, кто сегодня ведет исследования в сфере применения сверхтонких волокон.

Фото: ElmarcoФото: Elmarco

NanoSpider

Над созданием установки NanoSpider группа Олдржиха Ирсака, занимавшаяся неткаными материалами, целенаправленно трудилась в течение 20 месяцев. Нано-паук проявился на свет благодаря сотрудничеству с компанией Elmarco.

NanoSpider, фото: ElmarcoNanoSpider, фото: Elmarco «Эта технология позволяет создавать высокоэффективные фильтры газообразных и жидких материалов. Нобходимо также сказать, что на материалах из нановолокон хорошо ведут себя человеческие клетки, что открывает большие перспективы в области тканевой инженерии. Кроме того, нономатериалы обладают выдающейся способностью поглощения звуков. Это интересно с точки зрения автомобильной промышленности для снижения уровня шума. В области химии такие материалы можно использовать в качестве носителей катализаторов, а в здравоохранении уже были созданы материалы, помогающие быстро останавливать кровотечение. Они способны воспрепятствовать проникновению бактерий и, одновременно, не мешают поступлению воздуха. И этот список можно было бы продолжить», – рассказывал в эфире Радио Прага профессор Олдржих Ирсак.

О нановолокнах, которые в тысячу раз тоньше человеческого волоса, ученые говорят как о материале третьего тысячелетия. Успех Олдржиха Ирсака еще больше расшиил список ученых и компаний, которые связали свои чаяния с нанотехнологиями. В сфере нанотехнологий в Чехии ведут свою работу десятки фирм и научных лабораторий. «Мы являемся одним из мировых инкубаторов, одной из стран, где развитие нанотехнологий началось», - рапортовал уже в 2015 году председатель Ассоциации нанотехнологической промышленности Иржи Кус.

Очистка воздуха и воды

С использованием нановолокон создаются новые материалы, а уже известные, благодаря наночастицам приобретают новые качества. Например, обычная краска для стен и потолков со специальной добавкой начинает выполнять не только эстетические функции. В краску добавляются наночастицы оксида титана. Когда на поверхность, обработанную подобной краской попадает солнечный свет, то все микроорганизмы, грязь, запаховые следы просто сгорают. Стена с таким покрытием очищает в помещениях воздух.

Фото: Архив VITФото: Архив VIT Фильтры из нановолокон с различными бактерицидными добавками весьма успешно применяются для фильтрации воды и крови.

В 2017 году, например, на технологической ярмарке «НаноДень» (NanoDen) в городе Пардубице была представлена уникальная система, способная превратить в питьевую воду одну из самых грязных и отвраительных субстанций. Правда, справиться с психологическим барьером и продегустировать воду, предложенную изобретателями Исследовательского технологического института Горжовиц, смог далеко не каждый. При этом какой-либо риск был исключен.

«По-моему это обычная вода – без вкуса и без запаха. В этом и заключается, вероятно, главная цель? А это действительно вода из стоков свинофермы?», – с тревогой расспрашивает репортер «Чешского Радио Регион» Петр Колош представителя Исследовательского технологического института Михала Царвана.

«Вчера наши техники изготавливали такую воду целый день. В выставленной бочке содержится примерно 20 литров», – смеется работник института, одновременно, однако, подчеркивая, что сами техники «свою воду» пить отказываются.

«Нам важно, чтобы общественность осознала, что суть проблемы – только в восприятии мозгом информации».

Михал Царван, фото: YouTube / NanoasociaceМихал Царван, фото: YouTube / Nanoasociace Если не оповещать о происхождения воды, то никто ничего не заметит, подчеркивает Михал Царван.

Проблема, которую при помощи своего оборудования стремились решить изобретатели Исследовательского технологического института, относится к числу весьма серьезных, в том числе и для Чешской Республики.

Навозные стоки животноводческих ферм в Чехии еще в 2001 году являлись вторым самым сильным источником загрязнения окружающей среды после промышленных предприятий. В настоящее время ситуация постепенно улучшается.

«До сих пор никто в мире не был способен придумать оборудование, которое эффективно могло бы фильтровать навозные стоки животноводческих ферм. Наша главная цель заключается в том, чтобы на самом серьезном примере загрязнения доказать реальность решения проблемы, например, очистки сточных вод в местах частной жилой застройки», – подчеркивает Михал Царван.

По прогнозу разработчиков, свиноферме средней величины вложения в технологию окупятся уже через 6 лет.

Восстановление мышечной ткани и нервов

4SPIN(R), фото: Contipro4SPIN(R), фото: Contipro

Следующий пример. В 2013 году чешская фирма «Contipro» на выставке в Токио представила новый лабораторный прибор, который позволяет расширить исследования способов применения сверхтонких материалов.

Прибор 4SPIN(R) дает возможность в достаточном для исследований объеме изготавливать волокно из органического вещества, которое человеческий организм не отторгает. Нановолокно – материал, толщина которого не превышает 100 нанометров. Эти волокна в 1000 раз тоньше человеческого волоса, их невозможно разглядеть невооруженным глазом или при помощи обычного микроскопа. Под силу это только микроскопу электронному.

Нановолокна можно производить из разных исходных материалов, однако, 4SPIN(R) способен изготавливать волокно с упорядоченной структурой из органического вещества, естественного для человеческого тела

4SPIN(R), фото: Contipro4SPIN(R), фото: Contipro «4SPIN(R) особенный, это единственный прибор, который производит нановолокно из гиалуроновой кислоты. Это обычный полисахарид, содержащейся в человеческой коже или внутренней части глаз. Поэтому-то он широко применяется в фармацевтическом и косметическом производстве. Вещество естественно для человеческого организма, что определяет и возможности его использования. Нановолокна, уже в силу своих размеров, могут применяться для работы на клеточном уровне. Если в человеческом теле необходимо что-либо «отремонтировать» - создавать новые ткани, например, новые хрящи, которые будут состоять из живых, ваших собственных клеток, то необходимо переходить в нанодиапазон», - говорить Томаш Папеж, пресс-секретарь фирмы Contipro, чьи специалисты сконструировали новый лабораторный прибор для производства нановолокна. Более того, устройство умеет структуру нановолокна идеально упорядочить. Если надо восстановить, например, поврежденные нервы, то такой материал подходит более всего. Нервные клетки растут, вытягиваются, но чтобы они росли в нужном направлении, допустим, при срастании конкретного нерва или мышечной ткани, их необходимо соответствующим образом направить. Для этого то, как раз годится упорядоченное нановолокно, созданное из вещества, которое тело не отторгает».

4SPIN(R), фото: Contipro4SPIN(R), фото: Contipro Аппаратуру для производства нановолокна, естественно, конструируют не только в Чехии. Однако большинство из созданных аппаратов специализированы для использования в текстильной промышленности или производства фильтрующих устройств, где предпочтительны синтетические материалы. Некоторые существующие приборы могут производить нановолокно и из органических материалов. Представленный в Токио чешский аппарат является первым, который превращает в сверхтонкое волокно гиалуроновую кислоту.

«К созданию нашего прибора мы дошли окружным путем. У нас было вещество, из которого, мы знали, хорошо было бы выпускать нановолокно, так как это открывает новые возможности его использования в медицине. Однако машины, позволяющей идею осуществить, на рынке не оказалось. Так и начался процесс раздумий, а в результате появился наш аппарат, в котором используется несколько разных запатентованных изобретений. Наше устройство мы представили в Токио лишь на рубеже января и февраля, поэтому еще не успели все опробовать. Существует несколько разных технологий изготовления нановолокна. В данном случае используется метод электроспиннинга – два электрода между которыми в сильном электростатическом поле возникает волокно. Мы к этому прибавили еще вспомогательную систему обеспечения воздушного потока, сборные электроды, позволяющие правильно упорядочить структуру и обеспечить необходимые размеры. В этом отношении мы, по сравнению с конкуренцией, исключительны», - подчеркивает пресс-секретарь Contipro Томаш Папеж.

Протезы сосудов

Фото: Техническа университета ЛиберецФото: Техническа университета Либерец

Яна Горакова, фото: Технический университет ЛиберецЯна Горакова, фото: Технический университет Либерец В 2016 ученые из Технического университета Либереца представили технологию создания протезов кровеносных сосудов. Новый вид протезов в будущем поможет отказаться от менее совершенных методов лечения и помочь восстанавлeнию органов наиболее естественным и щадящим образом.

Революционное открытие стало возможным благодаря серьезной работе международно признанных экспертов либерецкого текстильного факультета.

«Данная технология позволяет провести шунтирование сосудов, то есть операцию по перенаправлению кровотока в обход закупоренного участка артерии, и является, к примеру, хорошей альтернативой распространенному сегодня бай-пассу. В современной сосудистой хирургии протезов кровеносных сосудов используются биологические (включая протезы из собственных тканей человека или из однородного в генетическом отношении материала) и искусственные протезы. Последние в длительной временной перспективе ненадежны», – напоминает член исследовательской группы Яна Горакова, частично прорабатывавшая гипотезу в Мичиганском технологическом университете и посвятившая этой теме свою диссертационную работу. Научный труд молодой чешки был по достоинству оценен присуждением премии им. Леграна за инновацию в области текстиля, приносящую пользу всему человечеству.

Петр Микеш, фото: Технический университет ЛиберецПетр Микеш, фото: Технический университет Либерец «При использовании протезов сосудов с суженным диаметром возникает риск тромбов, который приводит к летальному исходу. Поэтому адекватных замещающих материалов для кровеносных сосудов на данный момент нет, что является большой проблемой с учетом того, что в настоящее время именно сердечно-сосудистые заболевания являются основной причиной смерти во всем мире, а не онкологические заболевания, как полагают многие», – отмечает коллега Гораковой Петр Микеш.

Главное преимущество этого материала состоит в том, что его механические свойства подобны свойствам биологических тканей. Ученые сравнивают новую "структуру" со строительными лесами, до определенного времени скрывающими процесс обновления, или предлагают представить себе микроскопический скелет, который постепенно сам рассасывается в организме.

Фото: Технический университет ЛиберецФото: Технический университет Либерец Продолжает Петр Микеш: «Процесс этого распада сопровождается васкуляризацией, запускается механизм наращивания клеток, и со временем в теле образуется новый кровеносный сосуд, что препятствует возникновению тромбов. Собственно говоря, мы таким образом лишь помогаем нашему телу ремодулировать, создать собственный орган, собственный кровеносный сосуд.»

В процессе тестирования, занявшего пять лет, чешским ученым удалось успешное выращивание новых кровеносных сосудов взамен поврежденных. Протезы из нановолокон существенно снижают риск острого тромбоза после имплантации. Опыты проводились на крысах и кроликах, и ныне продолжаются на поросятах. «Несмотря на то, что я не являюсь сторонником опытов на животных, в данном случае это – явная необходимость. Метод нельзя было сразу тестировать на людях», - сообщил Петр Микеш.

Нанолинзы

Новая разработка чешских изобретателей позволяет снижать без ущерба для зрения уровень освещения в помещениях и на транспорте. Экономия энергии, в свою очередь, уменьшает финансовые расходы, а сокращение «светового загрязнения» благотворно сказывается на здоровье человека.

Нанотехнологии стремительно меняют привычный мир – чешская компания IQ Structures создала нанолинзы, позволяющие перенаправлять лучи светодиодных ламп, что не могла бы сделать обычная оптика. Это дает возможность создавать легкие, плоские осветительные приборы любой формы, лучи которых попадают именно в то место, куда их желает направить хозяин или дизайнер интерьера.

Чешские разработки уникальны своими миниатюрными размерам и точностью, с которой можно контролировать площадь освещения, – она сужается до невероятных 10 нанометров. При этом, по словам изобретателей, подобные источники света можно производить миллионными сериями. Эти технологии востребованы производителями осветительных приборов и автомобилестроителями, которые используют их для освещения салонов автомобилей.

Фото: IQ StructuresФото: IQ Structures

IQ Structures настолько опередила другие разработки подобного направления, что у нее практически нет конкурентов, даже среди пионеров отрасли в США, Германии и Финляндии.

Вторая область деятельности компании – разработка элементов, защищающих изделие от подделки, которые хорошо различимы человеческим глазом и вместе с тем отличаются внешней привлекательностью. В получении подобных технологий заинтересованы типографии, выпускающие ценные бумаги, правительства разных стран и владельцы брендов, которые часто сталкиваются с фальсификацией своей продукции.

Наномагниты

Наномагниты, фото: ЧТ24Наномагниты, фото: ЧТ24 В 2017 году чешские ученые создали самые маленькие металлические наномагниты в мире. Их размер в тысячу раз меньше диаметра человеческого волоса. Об успехах чешской науки уже сообщил престижный журнал Nature Communications. Чем же уникален столь маленький магнит, и как он будет использоваться в практической деятельности?

Первоначально чешские ученые занимались изучением графена и его свойства абсорбировать тяжелые металлы. Графен – двумерная «решетка», целиком составленная из атомов углерода. Ее толщина – всего один атом. Когда-то ученые начали более вдумчиво изучать эти структуры, их замечательные свойства вызвали энтузиазм во всем мире. Ведь графен прочнее стали в 100-300 раз. При этом он является отличным проводником тепла и электричества. Электроны могут беспрепятственно проходить сквозь него при любом примененном напряжении, поскольку не предусмотрено каких-то определенных положений «включено» и «выключено».

Наномагниты, фото: ЧТ24Наномагниты, фото: ЧТ24 Итак, после нагревания графена получился материал, наделенный необычными магнетическими свойствами. При дальнейшем изучении оказалось, что железо там может сохраняться в виде атомов. Это было не совсем объяснимым, поскольку железо сохраняло трехмерную структуру при нормальных условиях. Обычные наноматериалы, такие, как, например, вышеуказанное железо, способны активно вступать в реакцию с другими элементами. Однако в данном случае произошло удержание отдельных, чрезвычайно маленьких наночастиц железа внутри графеновых плоскостей. Тем самым они корпускулировались, поэтому не могло произойти их окисления. Этим объясняется тот факт, почему данный материал на протяжении продолжительного времени остается стабильным. Существует ли отличие этого материала от классических магнитов, и где они могут применяться?

«Эти экспериментальные материалы имеют значительные отличия. С уменьшающимся размером появляются такие эффекты как суперпарамагнетизм, которые не являются типичными для обычного «поведения» магнитов. Спектр применения наномагнитов очень широк. Более всего возможностей мы можем найти в медицине. Этим вопросом занимаются коллеги в Оломоуце, где они тестируют различные возможности применения в этой области», - рассказывает доцент Зденек Софер из Института неорганической химии, лауреат премии Neuron Impuls 2016.

Зденек Софер, фото: Пражского химико-технологического вузаЗденек Софер, фото: Пражского химико-технологического вуза Возможности применения самых маленьких наномагнитов Если быть более конкретными, то в медицине такое вещество может использоваться в качестве индикатора, или контрастного вещества для получения достоверного изображения в области магниторезонансной томографии. Помимо того, что данный материал обладает свойствами магнита, у него еще и крайне большая поверхность, поэтому он может служить в качестве носителя катализаторов для различных химических процессов. Значительным плюсом материала является и его экономичность: после реакции его можно легко «изъять» из процесса с помощью магнита и далее – повторно использовать. Простому обывателю бывает трудно представить физически такие новые наноматериалы. Можно ли их как-то описать?

«Наномагниты и нанотрубки, в сущности, можно представить как лист бумаги, но толщиной в один атом, поэтому в нем появляется много уникальных свойств, в особенности с точки зрения электрических параметров. Также эти материалы могут, порой, демонстрировать интересные магнетические свойства. Ввиду их большой поверхности, существует возможность их применения в области экологии. Мы ведем разработки сразу в нескольких направлениях, поскольку самая эффективная область применения обнаруживается именно в ходе различных исследований. Одно из интересных направлений – изучение свойств этого материала с точки зрения электрической проводимости для использования в микроэлектронике», - говорит Зденек Софер.