Nanoštruktúrovaný povrch

Nanoštruktúrovaný povrch je substrát, ktorého typické vlastnosti vychádzajú z rozmerov nanoobjektov alebo nanočastíc o veľkosti v rozsahu 1-100 nm. V niektorých prípadoch sa tento limit môže prekročiť v závislosti od požadovaných vlastností materiálu.

Vlastnosti

Nanočastice alebo nanoobjekty tvoriace nanoštrukturované povrchy alebo materiály sú zaujímavé z viacerých dôvodov:
1. ponúkajú nové a špecifické vlastnosti:

plazmónová rezonancia
zosilnenie signálu
povrchová separácia látok
katalytická funkcia
adhézna funkcia
magnetické vlastnosti
optické vlastnosti

2. dovoľujú zlučovať klasické a kvantové vlastnosti
3. umožňujú spájanie klasických a biologických odvetví materiálnych vied.

Zmáčavosť

Je všeobecne známe, že štruktúra povrchu ovplyvňuje fyzikálne a chemické vlastnosti daného materiálu. Ako príklad uvediem zmáčavosť, vlastnosť povrchu materiálu, s ktorou bežne prichádzame do kontaktu. Zohráva nezastupiteľnú úlohu v prírodných dejoch ale aj v technických disciplínach. Barthlott et al. sa od roku 1990 zaoberajú štúdiom lotosového listu, ktorého štruktúra umožňuje dokonale vyčistiť svoj povrch. Kvapky vody sa menia na guľôčky, čo umožňuje vysokú hydrofobicitu takéhoto povrchu. Tento fenomén je známy aj ako lotosový efekt. Za tento efekt sú zodpovedné mikrometrové bunky pokryté voskovitými nanokryštálmi.

Na obrázku je zobrazená adhézia a) kvapky vody na hladkom povrchu b) nanoštrukturovanom povrchu c) mikro/nanoštrurovanom konkrétnom povrchu lotosového kvetu. Ako vidíme, nanoštrukturovaný povrch vždy vytvára väčší kontaktný uhol θ ako hladký povrch, čím zvyšuje hydrofobicitu povrchu, pretože energia kvapky vody vzrastá počtom interakcií medzi molekulami vody a povrchom materiálu. Treba poznamenať, že efekt nie je závislý iba od veľkosti jednotiek povrchu a kombinácia mikro- a nanorozmerov nie je podmienkou. Opis a bližšie spoznanie javu neskôr viedlo k vytvoreniu umelých nanoštrukturovaných povrchov. K výhodám povrchov využívajúcich lotosový efekt patrí hlavne jednoduché čistenie a údržba, antibakteriálne vlastnosti a v neposlednom rade dlhšia životnosť materiálu.

Príprava

Existujú dva hlavné spôsoby, ktoré sú bežne používané na prípravu nanoštrukturovaných povrchov. „Bottom-up“ (zdola nahor) metóda používa techniky molekulovej syntézy, koloidnej a polymérnej chémie a súvisiacich spôsobov na vytvorenie povrchov v nanometrovej škále. Metóda „Top-down“ (zhora nadol) využíva rôzne spôsoby litografie na vytváranie vzoru materiálu. Táto technika je náročnejšia na laboratórne vybavenie, no jej rozlíšenie je značne vyššie, ako je rozlíšenie predchádzajúcej metódy.

Využitie

Prvou možnosťou využitia efektu lotosového listu je impregnácia C6 fluorokarbónov ( na 6 atómov uhlíka pripadá 13 atómov fluóru) na textil, ktorý následne vykazuje vysokú nepremokavosť. Na takýchto povrchoch sa nečistoty zachytávajú len veľmi ťažko a väčšinu z nich stačí jednoducho opláchnuť prúdom vody. Môžeme teda hovoriť o prirodzenej samočistiacej funkcii. Takto ošetrené tkaniny nepotrebujú časté pranie, stačí ich prať pri nízkych teplotách, čo šetrí energiu a je ekologické.

V stavebníctve sa nanopovrchy používajú na mechanickú ochranu povrchov fasád, ktoré chránia pred starnutím, mechanickým poškodením alebo poveternostnými vplyvmi. Realizácia fasád s nanopovrchmi sa ďalej koná pre ich čistiace, optické alebo špecifické izolačné funkcie. Samočistenie sa uskutočňuje pomocou spomínaného efektu lotosového listu alebo pomocou fotokatalýzy, kde sa nanoštrukturovaný povrch tvorený titán dioxidom aktivuje UV žiarením a vyzráža nečistotu, ktorá je spláchnutá vodou v podobe zrážok. Medzi optické funkcie povrchov možno zaradiť anti-zahmlievací efekt, pri ktorom titán dioxid vytvára na zrkadlových, plastových alebo sklenených povrchoch veľké množstvá energií, ktoré znižujú príťažlivosť vlhkosti.

V medicíne sa vrstva nanočastíc oxidu využíva ako kontrastná látka pre vyšetrenie pomocou nukleárnej magnetickej rezonancie, konkrétne oxidy železa sú určené pre vyšetrenie pečene. Opaľovacie ochranné krémy s oxidom zinočnatým vytvárajú vrstvu, ktorá odráža UV žiarenie.

Užitočnosť nanoštrukturovaných povrchov sa stáva čoraz viac samozrejmá pre mikrofluidné zariadenia ako citlivé a snímacie komponenty v technológii Lab-on-a-chip (laboratórium na čipe), kde analytický čip malých rozmerov je schopný rýchlo analyzovať chemické zloženie kvapaliny pretekajúcej mikrokanálikmi. Taktiež sa preto skúma integrácia takýchto povrchov do mikrofluidných zariadení pre zdokonalenie výkonu spomínaného systému. Ako príklady môžeme spomenúť CNT (uhlíkové nanotrubičky) upravené elektródy v kapilárnom elektroforéznom mikročipe pre detekciu hydrazínu, fenolu, purínu a aminokyselinových zlúčenín. Medzi ďalšie príklady patria niklové nanodrôtiky pre ich citlivosť a separáciu, vertikálne germániové nanodrôtiky pre biologické snímanie a ZnO pre meranie pH v mikrofluidnom čipe.

Referencie

ROSEI, F. 2004. Nanostructured surfaces: challenges and frontiers in nanotechnology. In Journal of Physics: Condensed materials. 2004, vol. 16 (17), p. 1373.
ORIŇÁK, A. – ORIŇÁKOVÁ, R. – FEDORKOVÁ, A. 2012. Nanotechnológie. Košice: Univerzita Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach, 2012. 13-16 s. ISBN 978-80-7097-958-7
SCHMID, G. 2008. Nanotechnology. Volume 1: Principles and Fundamentals. Wiley-Vch, 2008. 36-39 s. ISBN 3527317325, 978-3527317325
http://www.khsova.cz/01_aktuality/nanotechnologie.php?datum=2009-03-18 Archivované 2016-03-04 na Wayback Machine (jún, 2013)
KIM, J. – PARK, I. Facile and controlled integration of functional nanostructures in microfluidic device. 14th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences 3 - 7 October 2010, Groningen, The Netherlands. Book of abstracts, p.1931-1933.
http://www.4-construction.com/sk/clanok/pouzitie-nanotechnologii-vo-fasadach-budov/ Archivované 2013-02-18 na Wayback Machine (jún, 2013)
http://www.svetoutdooru.cz/prehledove-tabulky/svet-technologickych-inovaci/^{[nefunkčný odkaz]} (jún, 2013)