Nanohydrodynamika

Trpaslík – starořecky nanos, latinsky nanus – obvykle představuje mýtickou bytost malého vzrůstu žijící v tajemných prostorech za hranicemi známého světa. Nano-hydrodynamika, díky své předponě, evokuje podobnou spojitost tekutin (plynů nebo kapalin) s malými neobvyklými prostory.  Tato spojitost se začala poznávat teprve v 90. letech minulého století, kdy vznikala nová věda - nanotechnologie zaměřená na tvorbu a využívání technologií v měřítku řádově nanometrů. V širším pohledu je pak nanotechnologie definována jako manipulace s hmotou, kde je alespoň jeden její rozměr velikosti od 1 do 100 nanometrů (1 nm = 10−9 m). Následně se nanotechnologie rozšířila do mnoha vědních oborů včetně hydrodynamiky. Vznikla nanohydrodynamika, jiná hydrodynamika zásadně se lišící od hydrodynamiky klasické. Ta analyzuje a popisuje chování tekutin v strukturách s charakteristickým rozměrem umožňujícím pohlížet na tekutiny jako na spojité prostředí, aniž by se uvažovala jejich molekulární podstata. U nanohydrodynamiky je tomu přesně naopak. Tato je spojena s tokovými oblastmi o velikosti nanometrů a tekutiny pohybující se v těchto oblastech nelze modelovat jako pohyb spojitého prostředí, protože rozměry oblastí jsou řádově shodné s rozměrem molekul tekutiny. Tím je nanohydrodynamika skutečně jiná a ve vzdálenější budoucnosti, jak se zatím spekuluje, nepůjde jen o zaměření na analýzu a předpověď toku molekul nanostrukturami, ale přímo vytváření prostředí pro spojování molekul a molekulární “výrobu” jejich nových uspořádání.

Nanohydrodynamika

Klasická hydrodynamika rozvíjená už od 17. století studuje pohyb tekutin působením vnitřních a vnějších sil v prostorech představitelných rozměrů. Její použití umožňuje řešení širokého spektra vědeckých a inženýrských zadání spojených např. s předpovědí počasí, tokem mořských proudů, návrhem tvaru letadel a automobilů, pohybem krve v lidském těle či prouděním páry lopatkami parních turbín. Nanohydrodynamika, jiná hydrodynamika, studuje pohyb tekutin v prostředích rozměrově srovnatelných s velikostí jejich molekul. Pohyb v takových prostředích je ovlivňován především velmi malou interakcí molekul tekutiny s povrchem tokové oblasti. Tato skutečnost se využívá při vývoji nanoporézních membrán z uhlíkových nanotrubic např. pro odsolování mořské vody nebo odstraňování CO2 ze zemního plynu z ekologických důvodů. Zajímavostí je, že průtok tekutiny těmito membránami je o několik řádů vyšší, než by předpovídala klasická hydrodynamika.

Analýza proudění tekutin v oblastech, kde střední volná dráha molekul plynu (řádově několik desítek nanometrů) nebo vzdálenost mezi molekulami kapaliny (řádově nanometry) je srovnatelná s charakteristickým rozměrem oblasti (průměr kanálů, pórů), vychází z popisu pohybu soustavy molekul s určitou kinetickou energií. K modelování se používá metoda molekulárně dynamické počítačové simulace založená na numerické integraci soustavy pohybových rovnic pro jednotlivé molekuly. K rychlému hodnocení experimentálně měřených průtoků nanostrukturami se pak používají semiempirické vztahy odvozené pomocí molekulárně dynamické simulace. Pro popis prostupování plynů nanofluidiky jsou to různé difuzní rovnice a pro popis průniků kapalin se používají modifikované integrované průtokové závislosti zahrnující vliv malé vzdálenosti molekul kapalin a jejich silné vzájemné interakce.

Nanofluidika

Z důvodu stále nových nanotechnologických možností a postupů při výrobě protékaných nanostruktur získává nanohydrodynamika na významu a možnostech využití. Nové technologické tokové struktury o velikosti řádu nanometrů, nazývané nanofludika, tvořené nanokanály a nanopóry, přinášejí nové poznatky, které vyplývají z interakce tekutiny a stěny nanofluidik. Chemicky upravené povrchy nanofluidik umožňují vytvářet technologicky výhodné polární vazby a aktivní interakce s tekutinami. Elektricky nabité povrchy jsou vhodné pro separaci molekul nebo převod mechanické energie z proudících molekul na elektrickou energii. Pro biotechnologické a diagnostické lékařské aplikace jsou hromadně vyvíjena zařízení nazývaná laboratoře na čipu (anglicky lab-on-a-chip), která sdružují několik laboratorních analýz v jednom integrovaném obvodu (čipu). Výhodou těchto nanofluidik je, že vyžadují jen velmi malý objem analyzované tekutiny a jejich použití je možné i na místě akutní potřeby a ne jen v centrálních laboratořích. Takto se laboratoře na čipu uplatňují ve standartních diagnostických vyšetřeních, ale také při epidemiích a vyšetřeních velkého množství vzorků. Při diagnostice uvolněných buněk z tkání v krvi lze např. zjistit různá stadia vývoje rakoviny a případně sledovat postup léčebného procesu.

Výroba speciálních nanofluidik a laboratoří na čipu není snadná a vyžaduje přesnou výrobní techniku a zařízení.  Postupuje se tzv. metodou shora-dolů od vytváření kanálků a zářezů do skla, křemíku nebo různých polymerů pomocí fotolitografie, leptání nebo odlévání. Nejmodernější zařízení používají iontový paprsek k vyřezávání složitějších nanofluidik. Opačná metoda výroby zdola-nahoru sestavuje tokovou oblast nanofluidik ze základních komponent jako jsou živé buňky nebo polymerní nanočástice tištěním na speciálních tiskárnách. Nanofluidika jsou také vyráběna z uhlíkových nanotrubic jejich různou chemickou funkcionalizací a uspořádáním. Při výzkumech nanofluidik, na kterých se podílí Ústav pro hydrodynamiku, byla právě tato metoda k výrobě nanofluidik v Centru polymerních systémů Univerzity T. Bati ve Zlíně použita. Nanofluidika ve tvaru zapletených vrstev uhlíkových nanotrubic byla získána vakuovou filtrací suspenzí nanotrubic. Velikost nanokanálů v porézních strukturách s různou porozitou byla řízena chemickou funkcionalizací nanotrubic. Současně byly vlastnosti nanofluidik upravovány přidáním uhlíkových vláken, černého uhlíku nebo nanočástic stříbra.

Výzkum s podílem Ústavu pro hydrodynamiku

Ve spolupráci čtyř výzkumných pracovišť ze tří zemí byl studován průtok chemických par různé polarity lesem uhlíkových nanostěn s různými průměrnými vzdálenostmi (viz obr.1A). Cílem výzkumu bylo určit vliv polarity a adsorpční rychlosti par na změny elektrické vodivosti lesa nanostěn.

Obrázek 1. Pohled na les nanostěn zhora (A) a z boku (B). (Nanostěny a snímky byly připraveny na spolupracujícím japonském pracovišti na Nagoia University).

Ve spolupráci dvou výzkumných pracovišť byly připraveny membrány ze zapletených uhlíkových nanotrubic o průměrné velikosti nanopórů 24 nm a zkoumán vliv elektrického napětí membrán na rychlost průniku chemických par různé polarity. Zjištěný vliv polarity par a napětí membrán má význam pro selekci pronikajících par a řízení rychlosti průniků.

Obrázek 2. Pohled na membránu (A), pohled na povrch membrány z propletených uhlíkových nanotrubic (B) a řez membránou o síle 50 µm (C). (Membrány byly připraveny na spolupracujícím pracovišti Centrum polymerních systémů Univerzity T. Bati ve Zlíně).

Ve spolupráci tří výzkumných pracovišť ze dvou zemí byly zkoumány podmínky podélného průtoku epoxidového monomeru vrstvou zapletených uhlíkových nanotrubic. Byl měřen časový průběh průtoku, vlivy tlakového spádu a vytěsňování vzduchu tekutinou. Vrstva nanotrubic byla součástí vrstveného kompozitu a po polymeraci sloužila jako plně integrovaná senzorová vrstva měřící průběžně deformaci kompozitu.

Publikace:

Slobodian, P., Říha, P., Olejník,  R., (2018). Electrically-Controlled Permeation of Vapors Through Carbon Nanotube Network-Based Membranes. IEEE Transactions on Nanotechnology 17, 332-337.

Slobodian, P., Lloret Pertegás, S., Říha, P., Matyáš, J., Olejník, R., Schledjewski, R., Kovář, M., (2018). Glass fiber/epoxy composites with integrated layer of carbon nanotubes for deformation detection. Composites Science and Technology 156, 61-69.

Slobodian, P., Cvelbar, U., Říha, P., Olejník, R., Matyáš J., Filipič, G., Watanabe, H., Tajima, S., Kondo, H., Sekine, M., Hori, M., (2015). High sensitivity of carbon nanowalls based sensor for detection of organic vapours. Royal Society of Chemistry: Advances 5, 90515–90520.

Kategorie Dlaždice.