Magyar szabadalom: kuktában főtt nanoanyag

Öntisztító üveglap, kopásálló PVC-padló, pehelykönnyű versenybicikli - csak néhány a ma már jól ismert nanoszerkezet, a titanát-nanocső potenciális alkalmazásai közül. Magyar kutatók egy olyan új eljárást fejlesztettek ki, melynek segítségével ipari méretekben állítható elő ez a nanoanyag.

A nanocsövek - a nanoszerkezetek jellegzetes képviselői - parányi, szőnyegszerűen feltekeredett, henger alakú objektumok. Átmérőjük a hajszál vastagságának ezredrésze (azaz néhány nanométer - a mértékegységekhez lásd keretes írásunkat), hosszuk ennek több tíz- vagy százezerszerese is lehet. A feltekeredett nanoszőnyeg szövetét néhány atomi réteg alkotja csupán. Az első és legtöbbet kutatott nanocsőszerkezet, melyet éppen húsz éve fedeztek fel, szénatomokból áll. Azóta több szervetlen vegyületből is előállították a parányi, kvázi egydimenziós struktúrát, e család oszlopos tagja a titán-dioxidból készült titanát-nanocső.   

Miért jó?

A csövecskék sajátos méretviszonyaiból, geometriai szerkezetéből adódóan a nanocsövekből felépülő anyag egyedi mechanikai, termikus és elektromos tulajdonságokkal rendelkezik. Ezek számos ipari alkalmazásban kihasználhatók - különösen igaz ez a titanátcsövekre, ahol a sajátos morfológia csak tovább erősíti a titán-dioxid kémiai szerkezetéből következő, már korábban is ismert előnyeit.

   
A titanát-nanocsövekről készített transzmissziós elektronmikroszkópos felvételek jól mutatják, hogy a csövek 100-150 nm hosszúságúak és ~5-8 nm átmérővel rendelkeznek (balra). A nanocsövek réteges, feltekeredett struktúrájúak (jobbra)

A titanátszerkezet leghasznosabbnak ígérkező tulajdonsága, hogy kicsiny mérete és az ebből adódó viszonylag nagy fajlagos felülete, illetve egydimenziós struktúrája miatt mechanikailag rendkívül stabil. Ez alkalmassá teszi a szerkezetet arra, hogy műanyagokban töltőanyagként használják fel a mechanikai tulajdonságok, keménység, szakítószilárdság, kopásállóság javítására. "Olyan ez, mint a vasbeton: ha a betonba vasreszeléket kevernénk, nem történne semmi. De ha betonacél betétek formájában tesszük bele a vasat, úgy a mechanikai tulajdonságok látványosan javulnak" - mondja dr. Kukovecz Ákos, a Szegedi Tudományegyetem Alkalmazott és Környezeti Kémiai Tanszékének docense. Az egydimenziós struktúra további előnye, hogy alkalmas átlátszó felületek, üveglapok kezelésére, hálószerű bevonására is anélkül, hogy az átteresztett fény mennyiségét lényegesen csökkentené.

A titanát-nanocsövek réteges szerkezetüknek és felszíni kémiájuknak köszönhetően sajátos ioncserélő tulajdonsággal is bírnak. E tulajdonságot kiaknázva vizek lágyítása vagy nem kívánatos ionok (pl. nehézfém-ionok) eltávolítása is megoldható velük. Továbbá e tulajdonság segítségével módosítható a nanocső szerkezete, és ún. szuperhidrofób anyagok hozhatók létre. Ezek a víztaszító nanoszálak hasonlóan működnek, mint ahogy a lótuszvirágok levelei megtisztítják önmagukat - a módosított titanát-nanocsövekkel különböző víz- és koszlepergető anyagok, felszínek, borítások alakíthatóak ki.

Lótuszvirág levelére kerülő vízcseppek (balra), módosított titanát-nanocső rétegre kerülő vízcsepp (jobbra)

Emellett a titán-dioxid félvezető, ennek köszönhetően a titanátcső különböző szenzorok (pl. a gépjárművekben használatos lambdaszonda) alapanyagaként is szolgálhat. Továbbá fotokatalitikus (fény hatására bizonyos kémiai reakciókat inicializáló) tulajdonsága miatt a nanocső bizonyos körülmények között képes a vízből hidrogéngázt fejleszteni, s ezt az egyik ígéretes alternatív energiaforrásnak tartják.
Az első titanát-nanocsövet tíz éve állították elő, s laboratóriumi körülmények között azóta is többféle eljárással gyártják és kísérleteznek vele. Ahhoz azonban, hogy a felhasználásával előállított termékek a fogyasztói polcokra kerülhessenek, nagy mennyiségben kell elkészíteni. Ehhez nyújthat segítséget az a magyar kutatók által kifejlesztett eljárás, melynek nagyüzemi használatát a jövő hónaptól kezdheti meg egy magyar, tudományos műszereket forgalmazó cég.

Kuktában főtt nanoszál

A Szegedi Tudományegyetem és a Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közalapítvány által szabadalmaztatott eljárás egy továbbfejleszetett változata az 1990-es évek vége óta használt ún. hidrotermális átkristályosítás módszernek. Az eljárás lényege, hogy a titán-dioxid alapanyagot lúgos vizes oldatba teszik, majd több napon keresztül magas hőmérsékleten és nyomáson tartják. A titán-dioxid a folyamat végére felveszi az ebben a termodinamaikai állapotban stabilis konfigurációját, a nanocső szerkezetet. "Az eljárás ahhoz hasonlítható, mint amikor kuktában főzünk" - magyarázza Kukovecz, aki részt vett a fejlesztésben. A módszer előnye, hogy az alapanyagot 100%-os hatékonysággal, maradékanyag nélkül alakítja át a kívánt nanocső-fázisba, a legnagyobb eredmény pedig az, hogy az eljárásban használt anyagok és a végtermék volumene nagymértékben növelhető, tehát a módszer alkalmas a titanát-nanocső nagy mennyiségű előállítására.

Nanocső nagy mennyiségben

A titanát-nanocső ipari méretű előállítása februártól indulhat meg: a tudományos innovációval foglalkozó Auro-Science Kft. az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében nyert el pályázatot az eljárás üzemesítésére. "Jelenleg 1 kg/hét ütemben folyik a termelés, de mihelyst a kapacitások készen állnak, átállunk a 100 kg/nap adagra" - mondja dr. Soós Miklós, a cég vezetője.

A cég az alapanyag előállítása mellett titanát-nanocső alapú termékek fejlesztésében is részt vesz. Már folynak a kísérletek, melyek a kopásálló PVC-padlót, az öntisztító festékeket, illetve üveglapot tesztelik. A cég továbbá tárgyalásban áll sportszergyártó vállalatokkal is, amelyek nanocsövekkel megerősített szénszálas alapanyagból gyártanának kerékpárt, vitorlást és más sportszereket - ugyanis így sokkal könnyebb anyagból készülhetne a kellő szilárdságú sportszer. Az Auro-Science emellett nanoezüst-részecskéket tartalmazó, antibakteriális hatású kompozitokkal is foglalkozik (lásd korábbi cikkünket). "A nanotechnológia egy nagyon jó irány az innováció szempontjából. Olyan terület, ahol komoly szellemi tőkével, de nem túl nagy mennyiségű alapanyag felhasználával fontos eredményeket lehet elérni" - mondja Soós.

Rengeteg tapasztalatot kell még gyűjteni

A nanotechnológia rendkívüli tempóban fejlődik, a nanotermékek mostanra betörtek a fogyasztói piacra is: például kozmetikai cikkek, ruhák készülnek nanorészecskék felhasználásával. Mindamellett, a parányi részecskék élettani, környezeti hatásáról egyelőre keveset tudunk. A mai egészségvédelmi előírások nagy része a termékek kémia összetételére vonatkozik csupán, s ebből a szempontból a nanotermékek nem jelentenek újdonságot. Egyes szakértők szerint azonban a nanorészecskék különleges mérete és tulajdonságai olyan veszélyeket rejthetnek, amelyek nem következnek a kémiai szerkezetből, s amelyeket nem láthatunk előre.

A környezeti és fiziológiai hatásokat vizsgáló kísérletek néhány éve indultak be. Úgy tűnik, hogy a háztartásokban használt nanotermékekből a részecskék - elsősorban a szennyvízzel - a környezetbe kerülnek. Jelenleg még nem ismert, hogy ezek milyen mértékben juthatnak be az emberi szervezetbe, de valószínű, hogy a nanorészecskék a légzés és étkezés során, valamint a bőrön felszívódva is a testünkbe kerülhetnek. "A nanotechnológia alig húszéves tudomány, ipari alkalmazása csak az utóbbi években indult el. A tételes szabályozás a jövő zenéje" - mondja dr. Varsányi Magda, a Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közalapítvány Anyagtudományi és Technológiai Intézetének tudományos tanácsadója. "Rengeteg tapasztalatot kell még gyűjtenünk, hogy részletesen lássuk a hatásokat."

Mi a nanotechnológia?

A "nano" görög eredetű szó, jelentése törpe. 1 nanométer (nm) = 10^-9 méter, azaz a nanométer a méter egymilliárdod része. A nanotechnológia olyan eljárásokkal dolgozik, melyeknek segítségével ilyen apró objektumokat lehet előállítani. A nanotechnológia legfontosabb vívmánya, hogy általa képesek vagyunk az anyagot lényegében atomonként, molekulánként összerakni, s ilyen módon különleges tulajdonságú anyagokat tudunk előállítani: megkarcolhatatlan autófestéket, szabályozható fényáteresztésű napszemüveget, antibakteriáis hatású csempefugát stb.

Gömöri Márton