Kapitola I:Nanotechnologie a nanomateriály pro dopravu (ČÁST 1)

V posledních letech dochází k výraznému vývoji nových materiálů a technologií, přičemž tento rozvoj vede ke zvyšování technologického potenciálu ve všech oblastech průmyslu. K těm nejvýznamnějším oblastem, ve kterých lze zaznamenávat nárůst nových materiálů, patří prokazatelně oblast dopravy (obzvláště automobilového průmyslu), elektrotechnického, elektrochemického, potravinářského a textilního průmyslu. Je známo, že rozvoj v automobilovém průmyslu roste velmi dynamicky a je tak jedním z nejsilnějších průmyslových odvětví.
Sledování trendů a vlivu nových materiálů v dopravě je ve většině případů směřováno do oblasti automobilového a  leteckého průmyslu, doprava železniční je oblastí minoritní. Nezanedbatelnou oblastí je rovněž oblast nových materiálů přispívajících k pohonným obnovitelným zdrojům pro dopravu. Pozornost bude věnována dopravě automobilové, zmíněné budou rovněž poznatky z dopravy letecké.
Zatímco do osmdesátých let minulého stolení byly v automobilovém průmyslu preferovány materiály na bázi železa (resp. vysokopevnostní oceli), hliníku, hořčíku a jejich slitiny, jsou až do současnosti upřednostňovány kompozitní materiály, niklové slitiny a nové materiály (označované jako „high-tech“ materiály). Do skupiny nových materiálů jsou řazeny materiály kovové, keramické nebo polymerní - plasty, nezanedbatelnou skupinou materiálů jsou rovněž slitiny titanu – obzvláště slitiny s tvarovou pamětí (angl. shape-memory alloy). Tyto nové materiály výraznou měrou ovlivňují spotřebu pohonných hmot, vedou ke snižování hmotnosti vozů či zvyšování bezpečnosti, ale také odolávají korozi, jsou odolné vůči oxidaci za vysokých teplot anebo odolné vůči opotřebení [1].
S rozvojem nových výrobních technologií a metod jsou do dopravy (automobilového a leteckého průmyslu) začleňovanány rovněž progresivní nové materiály, které se opírají mj. o rozvoj v oblasti nanotechnologií a nanomateriálů. V této souvislosti jsou stále více preferovány plastové materiály, resp. polymerní materiály. Dle současných studií lze těmito materiály nahradit značnou část ocelových částí vozů, kdy lze v běžných vozech nahradit na nosných a karosářských částech vozu až 50 % ocelového materiálu za materiál plastový, který vykazuje stejnou pevnost a kvalitu, ale váží mnohonásobně méně.

1.1 Nanomateriály a jejich vlastnosti
Pojem „nanotechnologie“ je používán jako společný pojem, který zahrnuje různé obory nanovědy a nanotechnologie [2]. Nanotechnologií je souhrnně označován výzkum a technologický vývoj na atomové, molekulární nebo makromolekulární úrovni, v rozměrech 1 - 100 nm. V oblasti dopravy a dopravního inženýrství jsou však častěji formulovány termíny nananomateriály, resp. strukturované nanomateriály.
Nanomateriály jsou takové materiály, jejichž nové vlastnosti jsou určeny charakteristickými znaky (částice, klastry/shluky, dutiny) o rozměrech mezi 1 - 100 nm, přinejmenším v jednom směru. Z hlediska strukturního členění lze nanomateriály dělit dle jejich dimenzionality na (Obr.1.1) [3]
1) jednorozměrné (1D) - reprezentující nanovrstvy, tenké filmy, povlaky;
2) dvojrozměrné (2D) – typické pro nanodrátky, nanotrubice, nanovlákna;
3) trojrozměrné (3D) - charakteristické  pro nanočástice, nanoprášky nebo kvantové tečky.

Obr. 1.1:Dimenzionální členění nanomateriálů a jejich příklady [3].

Nanostruktura je základním prvkem nanomateriálů. Stavební jednotky nanomateriálů jsou definovány vlastnostmi jako je rozměr, tvar, atomová struktura, krystalinita, mezifázové rozhraní a chemické složení. Mezi strukturované nanomateriály patří fullereny, nanotrubice, tenké filmy/nanovrstvy, kvantové tečky, nanokompozity, fotonická krystalová vlákna apod. [4].

Obr. 1.2:Uhlíkaté nanostrukturované materiály: a) fullereny, b) nanotrubičky.


Typickými trojdimenzionálními nanomateriály jsou nanočástice. V oblasti strukturovaných nanomateriálů se využívají především nanočástice ve formě nanoprášků. Jejich typickými představitely jsou např. oxid titanu, zirkonia, železa, hliníku a zinku (TiO2, Fe3O4, Al2O3, ZrO2 a ZnO), které nachází své uplatnění např. v kosmetických krémech, pleťových vodách a opalovacích krémech. Rovněž výrobci skel využívají TiO2 v podobě nanočástic pro optimální zatmavení skla. Nanočástice oxidu železa (Fe2O3) se používají jako základní přísada do rtěnek a líčidel, lze je také použít pro detoxikaci kontaminovaného území [5,6].
S počátkem éry nanotechnologií a nanomateriálů jsou od  90. let minulého století spojovány uhlíkaté nanomateriály, fullereny a trubičky, které zahájily koncepci nanotechnologií. Fullereny jsou molekuly tvořeny šedesáti atomy uhlíků (C60) uspořádanými pravidelně na povrchu jedné společné koule. Z Obr.1.2a) je patrné, že vazby mezi atomy uhlíku vytváří na povrchu koule vzor jako u fotbalového míče. Současně s fullereny byly také připraveny fullereny válcového tvaru, které jsou označovány jako uhlíkaté nanotrubky  (nanotrubičky). Nanotrubice mají téměř v celém objemu stejnou tloušťku a mohou být jednovrstvé (angl. single walled nanotube – SWNT, Obr.1.2b) nebo vícevrstvé (multiwalled nanotube – MWNT). Jejich modul pružnosti se blíží teoretickému modulu, vyplývajícímu z energie vazby mezi uhlíky, tedy 1 TPa, pevnost v tahu je předpokládána až 200 GPa). Mají schopnost zachycovat velké objemy plynů, iontů, vyztužovat polymerní vlákna. Jsou schopny vést elektrický proud a teplo. Mohou se chovat jako polovodiče, což je využíváno hlavně k miniaturizaci výpočetní techniky a zvýšení rychlosti počítačů. Tvoří jeden z nejperspektivnější materiálů, který mají nanotechnologie k dispozici [7,8]
V oblasti elektrotechniky a povlakového inženýrství jsou na části nástrojů a materiálů nanášeny nanostrukturní vrstvy / povlaky / filmy. Nanostrukturní vrstvy představují skupinu jednodimenzionálních strukturovaných nanomateriálů. Ve většině případů jsou tvořeny dvěma fázemi, koncentrovanámi do malých oblastí, jejich typická velikost je cca 100 nm nebo menší. Nanovrstvy mají za cíl chránit nástroje a namáhané materiály před oděrem, opotřebením, korozním anebo oxidačním působení. Pro tento účel se používají např. vrstvy z uhlíku, jenž mají senzorické vlastnosti, nanostrukturované polymerní filmy např. blokový kopolymer polyakrylové kyseliny a polycinnamoyloxyethylmethakrylátu. [5,6].
Nanokompozitní materiály jsou obecně definovány jako materiály složené ze dvou nebo více různých složek, z nichž alespoň jedna se v materiálu vyskytuje ve formě částic o velikostech jednotek až desítek nanometrů. Většinou se jedná o nanočástice aktivní látky (tj. látky se zajímavými magnetickými, elektrickými a jinými vlastnostmi) rovnoměrně rozptýlené v matrici. Jeden ze slibných bodů v současném rozvoji v materiálovém výzkumu je design a příprava organicko-anorganických nanokompozitů, které výrazně navyšují a současně poskytují nové vlastnosti materiálů, které neexistují u individuálních organických a anorganických materiálů. Nanokompozity jsou děleny do několika podskupin dle složení materiálů: nanokompozity na bázi kovů (tj. kov/kov, kov/keramika, kov/intermtalikum a kov/sklo), keramické nanokompozity (oxid/oxid, tvořící skelné keramiky, neoxid/neoxid) a polymerní nanokompozity (polymer/sko, polymer/keramika, polymer/neoxid a polymer/kov) [9,10].
Velká pozornost je v současnosti věnována přípravám nanokompozitů, interkalací organických částic do anorganických hostitelských materiálů. Strategický vývoj je upřednostňován v oblasti polymerních anorganických kompozitů. Jako anorganické složky jsou využívány trojdimenzionální struktury jako jsou zeolity; dvojdimenzionální vrstevnaté složky jako jílové minerály (montmorillonity, kaolinity), kovové oxidy (V2O5, MoO3), fosforečnany (α-Zr(HPO4)•H2O, VOPO4•2H2O), fosforitany (Na(UO2PO4)•nH2O), chalkogenidy (CdPS3); a jednodimenzionální materiály jako (Mo3Se3-)n řetězy a klastry.
Polymerní nano/kompozity jsou systémy, kde je k polymeru přidáno plnivo za účelem zlepšit některé z fyzikálně mechanických vlastností nebo snížit cenu. Plniva, která jsou přidávána k polymerům, kladně ovlivňují řadu charakteristik plněné polymerní matrice v porovnání s neplněnými polymery, např. snižují hořlavost. Hlavním důvodem studia a přípravy polymerních nanokompozitů je jejich velký aspektní poměr (tj. 10 - 1000), který umožňuje dosáhnout stejného nebo i lepšího účinku úpravy vlastností na rozdíl od běžně používaných kompozitů.
Vlastnosti nanokompozitů se odvíjejí jednak od složení, ale zároveň také velikosti částic, jejich morfologie a uspořádání. Kompozitní nanomateriály mají velmi široké použití, např. ukládání informací, magnetické chlazení, ferofluidy, zobrazovací metody v medicíné, různé senzory, elektromechanické a magnetomechanické měniče, antiseptická vlákna atd. [9].
1.1.1    Vlastnosti nanomateriálů pro dopravu
O vlastnostech nanomateriálů rozhoduje nejen chemické, ale i strukturní složení. Pokud je alespoň jeden rozměr struktury materiálu v rozměrové oblasti 10-9 – 10-7 m, objevují se významné změny ve vlastnostech tohoto nanomateriálu ve srovnání s podobnými materiály, složenými ze struktur o  větší velikosti [4].
Nanomateriály, resp. nanočástice, ve srovnání s „běžnými“ částicemi vykazují v primárním pohledu hlavně odlišné fyzikálně-chemické vlastnosti, ke kterým patří např. změna barvy (zlaté nanočástice jsou červené, Obr.1.3), tepelné chování, mechanické vlastnosti - pevnost, rozpustnost, vodivost anebo katalytickou aktivitu.

Obr. 1.3: Barevné změny zlata ve formě: a) zlatého plechu [11], b) nanočástic [12].
Nejvýznamnější vliv na chování nanočástic má změna poměru povrch/objem. Objem se s velikostí snižuje, ale podíl atomů na povrchu částic se zvyšuje. Z tohoto důvodu převažují povrchové vlastnosti nanočástic nad vlastnostmi objemovými. Této vlastnosti se v převážné míře využívá k modifikaci povrchu materiálu.
K jedněm z nejznámějším přínosům nanotechnologií, resp. nanomateriálů, které využívají vlastností strukturně modifikovaného povrchu patří lotosový efekt. Inspirací pro vznik těchto materiálů byly mimo jiné povrchové vlastnosti listů leknínu, který díky svému povrchu (Obr.1.4) se chová extrémně hydrofobně [13], která vycházející z jeho mikro- a nano-skopické struktury povrchu.

Na základě tohoto efektu jsou v současnosti materiály ošetřovány a zpracovávány vrstvami složenými z nanometrických částic a vrstev (např. teflonu, ZnO, TiO2 apod.), které formují hydrofobní povrchy o následujících vlastnostech: samočisticí, antibakteriální, nepřilnavý, snadno udržitelný (např. textilie všeho druhu), ochránící proti škrábancům, zvyšují a prodlužují hygienickou čistotu nebo odolávají povětrnostním vlivům [14,15].

Obr. 1.4: Lotosový efekt : a) nanopovrch leknínových listů [13], b) příklad nanometricky ošetřeného hydrofobního povrchu.

1.2    Nanotechnologie v dopravě
Automobilová doprava je v současnosti nejčastěji sledovaným a vysokým srovnávacím měřítkem v průmyslové vyspělosti jednotlivých států. Pouze několik států má vyvinutý stabilní a prosperující automobilový průmysl a udává směr nových trentů. Mezi tyto státy patří hlavně Japonsko, Korea, Indie, Německo a Spojené státy. Právě majoritní automobilové společnosti těchto států udávají významné trendy v rozvoji a aplikaci nových materiálů, resp. nanomateriálů.
Automobily jsou charakteristickým znakem rozvoje z důvodu více jak stoletého procesu jejich neustále se rozvíjejích prvků nejenom vzhledových, ale také funkčních. Nové automobily nejsou tak rozdílné jako prototypy např. nových televizorů nebo telefonů, které rovněž zaznamenávání enormní vývoj v posledních několika letech. Je zjevné, že enormní změny v těchto prototypech jsou spojovány s minimalizací.
Obecné příklady je možné sledovat na Obr.1.5. Je zjevné, že v dopravě je pozornost minimalizace zaměřována hlavně na jedlivé díly (součásti) dopravních prostředků. Běžný uživatel svou pozornost při prvním náhledu zaměřuje na koncepci designu exteriéru a interiéru. Další hodnotící kritéria se však běžně soustřeďují na materiály, které se velikostně pohybují na úrovni několika desítek centimetrů (brzdné destičky, typ potahu sedadla, motor, karosérie, zapalovací svíčky apod.).
Současným průkopníkem v oblasti minimalizace je TATA Nano automobil od indické automobilové společnosti, který jako jeden z mála zaznamenává minimalizaci v celkové velikosti automobilu, hmotnosti, která pomáhá maximalizovat výkon na jednotku spotřebované energie. Jeho výkon je řízen speciálně konstruovanými elektronickými systémy řízení motoru. A to aniž by docházelo ke snižování konfortu cestujících a bezpečnostních norem (nově koncipované  deformační zóny, bezpečnostní pásy, silné sedadla a kotevní úchyty) [16].
Rozměrová škála 1 – 10-5 m představuje v dopravním průmyslu velkou propast, ve které se nachází pouze soustavy materiálů tvořící řídící celky v dopravě. Jednotlivé dílčí celky lze sledovat až podkročemím nižší z mezí.
Odvrácenou stranou minimalizace, resp. možností využití nových technologických metod k analýzám materiálů souvisejících s dopravním průmyslem, bylo zjištění, že jako vedlejší produkt dopravy (hlavně brždění – vznikají jemné a ultrajemné částice a výfukové plyny je rovněž obsahující) je vznik zněčišťujících látek, které velkou měřou přispívají ke vzniku smogové situace ve velkých městech. Pevné částice vznikající v dopravě zahrnují částice jemné i hrubé frakce, které se odlišují svým složením, ale i mechanismem vzniku. Zatímco hrubé frakce částic vznikají převážně v okolí frekventovaných silnic a jsou důsledkem spalování nafty a mechanických otěrů povrchů, které zahrnují obrušování povrchu vozovek, pneumatik, brzdových destiček anebo cyklickým vířením částic deponovaných na povrchu vozovky. Naopak jemné frakce částic vznikají ve spalovacích prostorech konverzí polutantů z plynů do částic nukleací v atmosféře [17]. Právě vznik pevných částic (ve většině případů manometrických částic organického a anorganického původu) jsou odvrácenou stranou vzrůstající produkce částic z průmyslu a dopravy, obzvláště silniční. V této souvislosti jsou kladeny na dopravní prostředky vysoké nároky. Ty do jisté míry také splňuje TATA Nano automobil, který  díky vysoké účinnosti paliva zajišťuje, že automobil má nízké emise oxidu uhličitého [16,18]. Jedním z možných řešení pohonu je elektrická energie, solární energie nebo vodík [19,20].

Obr. 1.5: Nanoměřítko v dopravě, doprava v nanoměřítku [21-25].

Mezní hranicí mikro a nanomateriálů pro dopravu je elektronika, která nyní ovlivňuje všechny vědní obory, přičemž významné postavení mají v tomto světě mikro a nanosenzory, mikro (MEMS) a nanomechanické systémy (NEMS). Pod pojmem senzor si lze představit konvertor či detektor fyzikální veličiny (poloha, rychlost, zrychlení, síla pole, koncentrace látky), která je převáděna na elektrickou energii (signál).
MEMS nezahrnují jen oblast elektroniky, ale rozumějí se jimi i jakákoliv jiná zařízení v rozměrech řádu mikrometrů (10-6 metru). MEMS již pronikly do technologické praxe – nelze si bez nich představit např. airbagy v autech, hlavy pevných disků a spoustu dalších komponent pro výpočetní elektroniku nebo měřicí techniku. Někdy se považují MEMS a nanotechnologie za jednu oblast. Jindy se oddělují – kvůli odlišné technologii výroby, odlišným funkcím, vlastnostem a jiným potenciálním aplikacím. Pomocí přístrojů na bázi MEMS lze manipulovat i s některými nanosystémy, NEMS (Nano Electro Mechanical Systems) [24].

Obr. 1.6: Mikroroboti vs. nanostroje [24].

Ústředním pojmem MEMS jsou transducery (převodníky elektrické energie na mechanický aj. fyzikální pohyb či fungující opačným směrem – první případ se nazývá aktuátor či motor, druhý a opačně směřující je senzor, čidlo). Cílem je integrace elektronických a komunikačních obvodů (mozek) s mikrosenzory (čidla) a výkonnými členy (ruce a nohy), případně i s vlastními mikrozdroji energie. Výsledkem má být inteligentní mikrosystém – mikrorobot, který si dobře rozumí s okolním prostředím (Obr.1.6) [24].
V oblasti mikroelektromechanických systémech (MEMS) se rozvíjí kvalitativně nové generace senzorů, které reprezentují technologie ve výrobě součástek umožňující realizovat kromě vrstevnatých struktur běžných v mikroelektronice také miniaturní, mechanicky pohybující se části. MEMS se odkazují na mikroskopická zařízení, které jsou charakteristické délkou menší jak 1 mm, ale ne více jak 1 mm  a kombinují elektrické a mechanické prvky. Nanoelektromechanické systémy (NEMS) odpovídají nanoskopickým zařízením, jejichž délka je menší jak 1 m a rovněž jsou tvořeny elektrickými a mechanickými prvky. V případě překryvu těchto rozměrových škál, kdy funkční složky dosahují jak mikro- tak nano- rozměrů nebývají tyto systémy jasně charakterizovány, pouze označovány jako MEMS/NEMS (Obr.1.7) [26,4,27].

Obr. 1.7: MEMS/NEMS [28-30]: a) nanopinzeta jako optický detektor, b) oscilátor.

V případě dopravy je nutné nahlížet na problematiku nanotechnologií, resp. nanomateriálů ze dvou stran:
1)    nanotechnologie - nanomateriály v dopravě;
2)    doprava v nanotechnologiích – nanomateriálech.
Rozdíly v jednotlivých náhledech jsou nastíněny v následujících kapitolách.
 

1.2.1    Nanomateriály v automobilovém průmyslu
Nanomateriály sehrávají klíčovou úlohu v automobilové výrobě, obzvláště v oblasti doplňkových a nebo náhradních dílů. Z materiálového hlediska jsou preferovány nanokompozity, povlaky a laky, nanokatylyzátory, nanodiperze a nanoaditiva v lublikantech, pohonných hmotách a chladících kapalinách. Nezanedbatelnou skupinou jsou ovšem také nanočástice kovů či speciální nanometrické fólie. Tedy materiály, které umožňují díky svým „novým“ vlastnostem zajistit nové postupy pro využití vedoucímu ke snížení emisní náročnosti provozu (moderní katalyzátory), zvýšení odolnosti mechanického porušení materiálu (nanoplniva kompozitních materiálů, nátěrové vrstvy odolné vůči poškrabání) anebo nanomateriály přispívající k získání nových / obnovitelných zdrojů energie (fotovoltaika) apod. Detailní příklady využití různých typů materiálů a nanomateriálů, jejich oblast využití v automobilovém průmyslu lze sledovat na Obr.1.8.
 

Obr. 1.8:Automobilové aplikace nanomateriálů a z nich plynoucí vlastnosti.

Nejslibnější aplikace nanotechnologií (obzvláště nanomateriálů) v automobilovém průmyslu lze spatřovat v [31]:
-    implementaci nových nanomateriálů s definovanou strukturou, např. uhlíkatých nanotrubičkách nebo fullerenech;
-    zlepšení mechanických, tepelných a designových vlastnostech plastů;
-    nátěrech odolávajících opotřebení a korozi a tvořících permeační bariéry;
-    chladicích kapalinách s lepšími tepelně izolačními vlastnostmi;
-    kovových slitinách s vyšší mechanickou pevností;
-    pájecích materiálech s dobrou odolností nebo nižší teplotou zpracování;
-    bateriích pro vozidla na elektrický pohon a palivové články s vylepšenou energetickou kapacitou;
-    automobilových senzorech s nano-snímacími prvky, nanostroje aj.
Nanočástice a nanoprášky jsou typy strukturovaných nanomateriálů, které nalézají uplatnění rovněž v automobilovém průmyslu. Díky jejich vysokému povrchu jsou vhodnými materiály hlavně pro katalytické procesy, které výrazně snižují emise nebezpečných látek znečišťujících životní prostředí. Doposud byly jako výborné katalyzátory využívány částice platiny. Bylo zjištěno, že nanočástice platiny jsou nejenom finančně levnější, ale hlavně jejich účinnost je až o 50% vyšší. Jako slibné se rovněž jeví platinové kompozity. Obdobně magnetické nanočástice jsou slibnými materiály v dopravě v oblasti tlumičů, resp. v případě tlumení nárazů. Magnetické kapaliny jsou tvořené z magnetických nanočástic v tekuté suspenzi. V závislosti na velikosti nanočástic může kapalina na základě změny magnetického pole měnit svou viskozitu, čímž výraznou měrou přispívá k aktivnímu tlumení. Některé magnetické kapaliny mohou přetransformovat do téměř pevného stavu, čímž lze dynamicky měnit „tuhost“ tlumícího efektu. Díky tlumičům s magnetickými kapalinami obsahujícími nanočástice lze dosáhnout velmi plynulou jízdu, která tak zvyšuje komfort řidiče [32].
Nanokompozitní materiály v automobilovém průmyslu lze rozdělit do tří základních skupin [33]:
1)    kompozitní materiály vystužované nanoplnivy (často minerálními nanoplnivy) s využitím pro kontrukční díly;
2)    kompozitní materiály vystužované přírodními vlákny (často lněná vlákna) pro vnitřní aplikace;
3)    kompozitní materiály vystužované uhlíkatými vlákny a uhlíkatými nanotrubičkami, využívané pro strukturní části (podlahových karosérií, příčných nosníků, surové karosérie, otvorů apod.
Nejčastější skupinou jsou nanokompozitní materiály s polymerními matricemi. K těmto materiálům patří např. kaučukové nebo polymerní nanokompozity. Automobilový průmysl ověřuje možnosti využití polymerních nanokompozitů na výrobu dílů, které mají malou hmotnost a přitom velkou pevnost (resp. mechanickou odolnost) [34].
Unikátní vlastnosti nanokompozitů (obzvláště polymerních) jsou využívány hlavně pro přípravu nové generace nátěrových hmot. V případě nátěrových hmot a povrchových úprav lze použitím nanoplniv očekávat zlepšení odolnosti proti poškrábání, zlepšení tepelné odolnosti, vzrůstu tvrdosti, zlepšení oděruvzdornosti, zlepšení bariérového efektu, zvýšení odolnosti proti UV záření, snížení koeficientu tření na povrchu úpravy, snížení hodnoty expanzního koeficientu, snížení prostupnosti vůči kapalinám, snížení hořlavosti. Je tak možné ovlivnit nejen životnost materiálu, ale také zvýšit aplikační možnosti těchto materiálů [35].
Povrch je hodnocen jako „obálka“ makroskopického objektu, která tvoří hranici mezi základním materiálem a okolím. Povrch objektu určuje jeho vzhled a tvoří rozhraní mezi dvěma fázemi. U velkých objektů s malým poměrem povrchu k jeho objemu jsou fyzikální a chemické vlastnosti povrchu určeny především vlastnostmi základního materiálu. U malých objektů s velkým poměrem jsou jejich vlastnosti výrazně ovlivněny povrchem. Funkční vlastnosti povrchu nejsou závislé jen na vnější vrstvě, která tvoří rozhraní, ale také na oblasti směřující pod povrch. Nanonátěry mohou plnit i širokou paletu nových funkcí mimo obvyklou ochranu. Použití superhydrofobního povrchu připraveného díky nanomateriálů, otevírá cestu k vytvárení snadno čistitelných produktů [36].
Materiály (nanomateriály) pro nátěrové hmoty vykazují silnou hydrofobnost či anitibakteriální účinky, případně schopnost za určitých podmínek (např. po UV ozáření) rozkládat nečistoty na tyto povrchy uchycené [37]. Jedná se o nanomateriály, které jsou schopné za určitých podmínek regenerovat či jinak opravit samy sebe, případně jinou látku. Velmi často se s tímto účelem používají polymery.
Nanonátěry mají mnoho aplikací, jenž využívají nových funkčních vlastností (mimo obvyklou ochranu) jako jsou nanobarvy, okna a postranní stěny, které jsou tvořeny nanočásticemi. Ty filtrují sluneční paprsky, kouř a jiné polutanty atmosféry [39]. Dalším pozitivním vlivem lotosového efektu je schopnost uzavření miniaturních otvorů. A to se právě využívá v oblasti lakování, konkrétně při výrobě čirých laků – nanolaků. Ty vytvoří na povrchu karoserie nanostrukturu a takto ošetřené povrchy pak mají ochranné účinky a vyžadují mnohem méně údržby. Nespornou výhodou nanolaků je vysoká chemická a mechanická odolnost (např. proti kyselým dešťům, poškrábání atd.). Laboratorní i praktické testy prokazují minimálně 3x vyšší odolnost proti poškrábání a o 40% vyšší lesk [40].

Obr. 1.9:Příklad působení vodní kapky na povrch ošetřený a) 5 mm částicemi a b) 1nm nanočástice [38].

Rovněž v oblasti skel a jejich následné povrchové úpravy nachází nanotechnologie stále větší a větší uplatnění. První výsledky aplikace nanomateriálů na bázi anorganicko-organických hybridních polymerů Ormocer u ISC, resp. Nanomer z INM byly vystavovány již na prvním ročníku veletrhu Materialica v roce 1998. Uvedené materiály, tvořící vrstvy tenké jen desítky až stovky nanometrů, sloužily pro ochranu plastových lup a brýlových skel před poškrábáním [41,43]. Pokrytím povrchu skla nanočásticemi SiO2, platiny nebo nanovrstvami diamantu nedochází díky přítomnosti nanočástic ke srážení vody na skle nebo vypařování alkoholu z povrchu. Povrch tak zůstává stále suchý a „nepotí se “. Speciální vlastnost takto upraveného skla se využívá např. pro skla automobilů, brýlí či u koupelnových zrcadel [42-44]. Toto řešení má ale jednu velkou nevýhodu - na rozdíl od kapek vody (Obr.1.9), olejové částice zůstávají velmi dobře na povrchu, a za jistých podmínek mohou vlivem elektrostatického náboje zůstávat přichyceny i ostatní nečistoty, především prachové částice. Tuto hydrofobní úpravu je také nutné po určitém čase pravidelně obnovovat.
Poslední z uvedených úprav povrchu skel využívající nanotechnologie je super-hydrofobní úprava skla (upravenou produktem NANO-WIPE). Způsob nanometricky upraveného povrchu se jeví jako nejideálnější v případě odpuzování nečistot, ale nese s sebou jisté nevýhody, které zatím zabraňují praktickému použití. Největší nevýhodou super-hydrofobní úpravy je nedostatečné propouštění světla. V dnešní době je možné vyrobit tenké průsvitné vrstvy, ale nikoliv průhledné. Také je zde problém se stabilitou výsledné vrstvy s ohledem na to, jak je slabá [40,45].
Zvláštní skupinou materiálů se samoopravnou schopností jsou antikorozivní samoopravné vrstvy, které by mohly nahradit toxický chrom používaný k zvýšení odolnosti materiálu proti korozi. Jedná se o povrchový film tvořený nanopolymery a inhibitorem zpomalujícím průběh koroze. Pokud dojde ke korozi, je tato zkorodovaná část nahrazena právě polymerem (Obr.1.10) [43].
V posledních letech se ale ukazuje, že při vývoji samočisticích skel lze přece jen využít nejen chemických, ale i fyzikálních vlastností nanočástic křemíku. Michael Rubner a Robert Cohen z Technologického institutu v Massachusetts (MIT) pokryli skla střídavými vrstvami nanočástic křemíku a molekul speciálního polymeru. Mezi nimi zůstávají dutinky, do kterých se nasává voda jako do houby. Když se póry zaplní, voda stéká pryč z okraje skla. Povrch se nezamlžuje ani nad hrncem s vroucí vodou [44].
V současné době je rovněž soustředěna pozornost na rozvoj vrstevnatých (Ti, Al)N systémů s vysokým obsahem Al pro zlepšení odolnosti vůči oxidaci za vysokých teplot a tzv. nanovrstev s vysokou houževnatostí. Idea vytváření nanovrstev, tedy vrstev tvořených soustavou velmi tenkých vrstev s tloušťkami odpovídajícími atomárním mřížkám, je obecně motivována vlastnostmi multivrstev. Pokud se dodrží podmínka přesné a konkrétní tloušťky jednotlivých vrstviček, ovlivní se krystalografická struktura vrstev a dosáhne se výrazně zvýšené tvrdosti vrstvy [45] .
K jedněm z nejvíce vyvinutý příkladů využití nanotechnologií v automobilovém průmyslu zahrnuje produkce barev, které jsou tvořeny manometrickými nanočásticemi a prášky. Tyto speciální barvy jsou používány hlavně na laky automobilů. Ty vytváří specifický povrch, který automaticky zaceluje sám sebe kdykoli je poškrábán nebo poskvrněn nějakým cizím tělesem nebo barevným defektem - skvrnou. Tento produkt pracuje s barvou uvolňující barevné nanočástice, které se automaticky rozprostřou a zakryjí poničenou plochu [46].

Obr. 1.10: Nahrazení zkorodované části polymerem [42,47].

Dnešní čiré laky, které se skládají z organických molekul, mají dlouhé uhlíkové řetězce. Nanolaky vyvinuté v roce 2002 firmou DaimlerChrysler však obsahují anorganické křemíkové částice. Tyto jsou vázány organickými polymery a mohou být, díky svým velikostem, hustě propojeny. Takto hustě propojené částice jsou příčinou zvýšené tvrdosti a také odolnosti proti poškrábání a dalším nepříznivým vlivům počasí. Kromě ochrany proti mechanickému poškození mohou tyto nanolaky hrát také důležitou roli v ochraně proti procesům chemickým, jako je například koroze. Mohou vytvořit „obal“, chránící proti vodě a chemikáliím. Tento „obal“ může být navíc vyroben přesně na míru požadavkům zákazníka a může tak představovat komplexní ochranu karoserie auta do různých extrémních podmínek. Do budoucna již firmy pracují na takzvaném samoobnovitelném nástřiku. Drobné šrámy, škrábance a poškození na původním laku automobilu by pak už nemusely být důvodem k nákladným opravám a přestříkáváním velké části karoserie, ale nanokapsle, nastříkané na okraj poškozeného místa, vyloučí katalyzátor, který reaguje s původním nátěrem a drobné kapičky funkčního polymeru poté vyplní a uzavřou šrám. Dojde tak k „samoopravě“ a obnoví se ochrana karoserie proti korozi [42,47].
Souhrnně lze konstatovat, že v oblasti nových trentů v dopravě lze shledávat dva základní směry využití nanomateriálů, nanomateriálů na bázi nanokompozitů a nanonátěrů (nanolaků a filmů). Aplikace těchto nanomateriálů však představuje i mnohá úskalí ve vztahu k zákazníkovi, výrobcům nebo distributorů automobilů. Tabulka 1.1 a 1.2 nastiňuje možné pozitivní a negativní účinky těchto materiálů v automobilovém průmyslu.

1.2.2    Nanomateriály v leteckém průmyslu
Také v oblasti leteckého průmyslu představují obrovský potenciál nové materiály, resp. nanomateriály. V této souvislosti je přínos těchto materiálů zvažován ve dvou časových horizontech: krátkodobém a dlouhodobém. V krátkodobém horizontu lze s využitím nanomateriálů předpokládat:
a) nižší hmotnosti materiálů a získání vyjímečných mechanických struktur založených na nanokompozitech, obzvláště využívaných pro proměnlivé/různorodé prostředí jako jsou vysoké teploty;
b) vylepšené a menší systémy pro kontroly založené na mikrosystémech, na „chytrých“ nanomateriálech a nebo na úložných ovládacích prvcích pro aplikace on-line monitorování, samokalibrace a samoregulace;
c) teplotní a mechanické ochranné vrstvy s vyjímečnými tribologickými vlastnostmi pro motory nebo brzdící části založené na nanostrukturoaných materiálech;
d) filtrace, mytí a absorpce nežádoucích složek získných z aerogelů.
U dlouhodobých aplikací jsou předkládány aplikace založené na strategicky ovládaných nanomateriálech, které budou imitovat přírodu nebo na bázi molekulárních nanotechnologií. Za předpokladu, že všechny tyto možnosti budou přinášet reálné produkty a povedou k nových technologiím budou moci překonat:
a) technické požadavky kladené na tyto materiály,
b) splňovat přísné předpisy a standardy související s leteckou dopravou,
c) cenu,
d) budou muset být produkovány v dostatečně velkém množství.
V roce 2005 byly zahájeny realizace projektů vědecko-výzkumných aktivit (CEEX programu) věnovaných nanotechnologiím a nanomateriálů pro leteckou dopravu. V rámci těchto projektů je hlavní pozornost věnována vývoji třech typů kompozitních materiálů založených na uhlíkatých (uhlíkaté nanotrubičky), zirkoniových (ZrO2) a keramických nanometrických aditivech.
V případě letadlových konstrukcí nanokompozity reprezentují velmi progresivní řešení. Obzvláště materiály pro vysoké teploty, mezi které patří nanokompozity na bázi uhlík-uhlík byly jako první vyvíjeny a použity v kosmických technologiích (jako individuální komponenty a rakety, vozítka pro zpětný návrat,  prostory raketoplánů a brzd na obložení a materiály brzdných disků pro civilní a armádní letadla).
Dalšími perpektivními materiály v letecké dopravě jsou nanokompozity a kompozitní gradientní materiály se zirkoniovými mikro a nanostrukturovanými aditivy (ZrO2). Vlastnosti těchto materiálu jsou využívány v převážné míře pro materiály určené pro tepelnou izolaci (ochranu).
Třetí skupinou jsou skupiny kompozitních materiálů s nanoaditivy keramických matric, které reprezentují potenciálně jedinečné řešení pro kryty anténních radarů nadzvukových letadel.
Polymerní kompozity, resp. nanokompozity hrají klíčovou úlohu v obou dopravních oblastech jak letecké dopravy, tak automobilové. Polymerní nanokompozity jsou využívány hlavně díky své nízké ceně, snadné technologické přípravě a velkému spektru vlastností, jenž jsou schopny poskytnout. Jako aditiva jsou pro polymerní matrice využívány dvojdimenzionální nanomateriály, ke kterým patří uhlíkaté nanotrubičky, modifikované struktury jílových minerálů, uhlíkatá nebo skleněná vlákna [48]. Rovněž organicky modifikované silikátové nanokompozity v polymerní matrici jsou materiály vykazující zlepšující stabilitu jako je tuhost, pevnost a bariérové vlastnosti polymerů měnících obvyklé technické zpracování.

Obr. 1.11:Základní inovace nanokompozitními materiály v letecké dopravě [49].

Nátěrové hmoty nachází rovněž mnoho aplikací v leteckém průsmylu: zvyšují životnost, splehlivost; odolnost vůči korozi, skluz a otěr abraze, nebo zlepšují porvchovou kvalitu, a vedou ke korozní odolnosti vrstev pro boj proti důlkové korozi, exfoliaci, oxidaci nebo teplotní korozi, nebo jako teplotní bariéry pro dopravní prostředky nebo letadla rychlostních převodovek.
V současné době ve vývoji vznikají vícefunkční nanovrstvy pro letecký a kosmický prostor, které vedou k ochraně proti korozi použitím zdravotně nezávadných materiállů;  smyslem je ochránit proti korozi a mechanickému porušení pláště letadla. Zde přichází v úvahu mnohé modelové typy nanostrukturovaných vrstev, jako: nanokompozitní vrstvy, nanometrické vícevrstvé povlaky, supermřížkové vrstvy, nanostupňové vrstvy atd.
Nanoporézní materiály nebo nanočástice jsou dalšími materiály, např. pro vzdušné filtry, součástí výroby a skladování/ukládání energie, senzory apod. Zde jsou další nanomateriály, které mají obrovských potenciál pro aplikace ve vzdušném prosotru [50]:
-    nové nanoporézní filtry a senzory pro komfort a bezpečí, kontrolu kvality vzduchu;
-    snížení hluku pomocí kontrolované velikosti nanopórů;
-    nové katalyzátory: heterogenní katalyzátory využívající nanočástic o velikost 1-50 nm (jako jsou zeolity a nové syntetické materiály s velkým povrchem);
-    senzory na bázi nanočástic.

1.3    Doprava v nanotechnologiích
Druhým náhledem na nanomateriály v dopravě představuje „doprava / pohyb v nanoměřítku“, resp. využití nanomateriálů využívaných a simlujících transportní proces. V laboratořích nanochemiků a technologů se provádějí syntézy stále většího počtu produktů, které napodobují kontrukce ministrojů a minirobotů jako jsou písty válců, ložisek, ozubených koleček pro nanomotory, nanovrtule. Nejčastěji jsou však tyto kontrukce definovány jako nanoroboty, které představují nebiologický stroj o velikosti do 10μm. Předpokládá se, že velikosti součástí pro tyto strojky se pohybují v řádu jen několika nanometrů. Prvotním takovým příkladem byla molekulární diferenciální převodovka vytvořená Dr. Drexlerem [51]. Příprava takových systémů je nejenom technologicky náročná, ale také finančně, jejich využití je v současnosti Obr. minimální.

1.12: Nanoroboti v krevním řečišti, nanoroboti v krevním řečišti [51,52].

Za nanorobot lze rovněž považovat za přístroj, který ovlivňuje nanoskopické objekty nebo s nimi manipuluje. Za tohoto předpokladu by mohly být za nanoroboty považovány i makroskopické přístroje, jako je například mikroskop atomárních sil (AFM) nebo skenovací tunelový mikroskop (STM).
V současné době se hovoří o nanorobotech či nanostrojích a jejich výzkumu hlavně v souvislosti s medicínou, resp. nanomedicínou. Předpokládá se, že s pomocí nanostrojů / nanobotů by byli lékaři schopni v lidském těle vykonávat léčebné a rekonstrukční zásahy na buněčných a molekulárních úrovních. Právě nanomedicína, která je definována jako sledování, opravování, stavba a kontrola člověka na molekulové úrovni biologickým systémem, který je tvořen z nanosoučástek a nanosystémů. Ve výzkumných programech se proto snaží sestrojit nanorobota, který by měl požadovanou velikost a schopnosti. Zatím se pokouší sestrojit dálkově řízeného nanorobota, který by mohl putovat podle přání lékaře po lidském těle. Tito nanoroboti by se mohli do těla dostávat například injekční stříkačkou, přičemž jejich povrch a tvar těchto nanorobotů bude uzpůsoben tak, aby mohly rychle a efektivně proplouvat krevním řečištěm. I přes všechny skutečnosti jsou nanoroboti však stále pouze fikcí.

Obr. 1.13: První elektrický motor [53].

V souvislosti s dopravou lze rovněž předpokládat existenci nanomotoru. Jedná se o molekulární přístoj schopný přeměny energie do pohybu se schopností generovat sílu o velikosti pikonewtonů. První synteticky vyrobený elektrický nanomotor byl vyvinut v roce 2003 skupinou Alexe Zettla na UC Berkeley. Jeho základní konstrukce byla tvořena zlatým rotorem na hřídeli vícevrstvé uhlíkové nanotrubičky [53].
Zatímco rotující část motoru (rotor) dosahuje 100 až 300 nanometrů, průměr uhlíkaté nanotrubičky (hřídele) se pohybuje pouze v 5 až 10 nanometrech. Celková délka motoru dosahuje velikosti 500 nm. Do budoucna lze předpokládat, že tyto motory naleznou mnoho aplikačních využití. Samotný rotor se může pohybovat v libovolném úhlu, z tohoto důvodu lze motor využít v optických okruzích k přesměrování světla (k optickému přepojování), mikrovlnný oscilátor nebo pro míchání směsí tekutin v mikrofluidních zařízeních (Obr.1.13) [53].
Na základě poznatků plynoucích z objevu nanomotoru, výzkumníci z UAB výzkumného parku vytvořili první nanomotor, který je poháněn na základě změny teploty. Vytvořili tak nové zařízení nazvané „nanotransporter“, schopné provádět mechanické úkoly, které by mohly být použity v oblasti biomedicíny a nových materiálů [54].

Obr. 1.14: Nanotransporter: a), b) pohyb kovu na uhlíkaté nanotrubičce, c) schéma principu motoru [54].

"Nanotransporter" se skládá z uhlíkatých nanotrubic, které se mohou pohybovat tam a zpět, nebo působí jako rotor. Kov (ve formě nákladu) byl umístěn na jednu část trubice a použitím různých teplot na obou koncích nanotrubiček došlo k přemístění kovu z jednoho konce na druhý. Pohyb podél nanotrubky lze ovládat s přesností na méně než průměr atomu. Tato schopnost kontrolovat objekty, v měřítku nanometrů může být velmi užitečné pro budoucí aplikace, např. při navrhování nanoelectromechanical systémech s velkým technologickým potenciálem v oblasti v biomedicíně a nové materiály [54].
V říjnu 2005 tým vědců z Rice University v Texasu úspěšně testován první nanoautomobil. I když to nebyl první pokus o vytvoření nanostruktury, která se podobá v jistém smyslu aktuálním automobilům, toto vozidlo se jako první pohybovalo s určitou mírou kontroly rychlosti. Původní nanoautomobil měl podvozek, 2 nápravy, a čtyři kola z fullerenů. Auto měří jen 3 až 4 nanometry. Pohyb na čtyřech kolech ve směru kolmém na jeho nápravu, jej odlišoval od ostatních podobně formulovaných nanoautomobilů.

There are currently no posts in this category.