Rozhovor s prof. Ing. Petrem Loudou, CSc.

Pan profesor Ing. Petr Louda, CSc. je vedoucím Katedry materiálů na Technické univerzitě v Liberci. Jako vysokoškolský pedagog se věnuje především výuce materiálového inženýrství.

Rozhovor s prof. Ing. Petrem Loudou, CSc.

Při návštěvě v Liberci, jsme se s mou kolegyní Hátou na chvíli proměnily v nanotechnoložky, dozvěděly jsme se, proč si staří Římané dávali do vody stříbrné mince, a dokonce i proč se pan profesor Petr Louda rozhodl věnovat svou kariéru nanostrukturám.

Jakému výzkumu se aktuálně věnujete?

V této chvíli se jedná o dvě hlavní oblasti:

První jsou geopolymerní kompozity, které nacházejí různorodá uplatnění ve stavebnictví a stavební bezpečnosti. Například uvažujeme nad jejich použitím ke zvýšení magnetické neprodyšnosti stěny, a tím i k zajištění kybernetické bezpečnosti. Kromě toho může geopolymer fungovat třeba jako radiační zádrž. Jak jistě víte, nyní se chystá výstavba nových bloků jaderné elektrárny, při níž bude potřeba řešit míra stínění stěn vůči záření, a to by geopolymer s příměsí solí bizmutu či olova (které se tradičně používají) pravděpodobně zvládl. Dalším v řadě uplatnění geopolymerů jsou akustické nebo vysokoteplotní aplikace. Geopolymer lze navíc vyrobit v řadě různých provedení. Dokážeme například vyrábět pěnové provedení, které je výhodné svou lehkostí a samozřejmě i výrazně nižší cenou. Naší aktuálně největší výzvou je 3D tisk geopolymeru, který by byl aplikovatelný pro moderní způsob výstavby. Ovšem pro Vás nejzajímavější informací je, že plnivem geopolymerů mohou být rozličné odpadní materiály na bázi popílků, drtí textilií, uhlíkových a čedičových vláken a podobně, čímž se z něj stává i environmentálně šetrný produkt. 

Druhou oblastí našeho výzkumu jsou samozřejmě nanostruktury, ať už částicové, vláknové či kompozitní. Tím se tady na katedře zabýváme už pěknou řádku let. Vytváříme nanostruktury, které jsou aplikovatelné například i v dnes (bohužel) populárních rouškách. Koronavirus nás donutil dávat si ochranu před ústa, a ta může mít dvě funkcionality. Za prvé mechanickou (to znamená, že tvoří mechanickou zádrž virům) a za druhé biochemickou (to znamená, že roušky mohou být modifikovány prvky na bázi stříbra, mědi, zinku, fosforu, atd., a tím biologicky zničit organismy typu bakterie, virus, plíseň, apod.). Zvýšená míra používání roušek nás donutila přemýšlet i nad tím, co dělat s rouškou až doslouží? A tak se vyvinul nápad vyrábět je z biodegradabilního materiálu. Například tady na stole v roli vidíte materiál pro příští roušku. Jedná se o kyselinu polymléčnou. To je biopolymer, který má tu výhodu, že když ho pohodíte v přírodě, tak se do několika měsíců rozloží a zmizí. To bohužel ty roušky, které sem vozíme z Číny, neumí. V Jizerkách už jsem pohozené roušky viděl, takže budeme mít co uklízet. 

Zleva: Role nanovlákenné látky vyrobené z kyseliny polymléčné; vzorek 3D tisku z geopolymeru stojící na vzorku pěnového geopolymeru
To je skutečně velmi užitečné. Jak jste se dostal k tak netradičním materiálům, jako jsou submikronové materiály a nanomateriály? 

Ohled na přírodu, a také je to je dáno historicky. Mým kolegou na této univerzitě je pan profesor Jirsák, který je otcem zakladatelem elektrozvlákňování. Byl to právě on, kdo v roce 2003 vynalezl electrospinning (metodu pro zvlákňování). Vyráběly jste, dámy, někdy nanovlákno? Tak já Vám to ukážu a vy si to samy vyzkoušíte, alespoň si procvičím vyučování a vy si zase vyzkoušíte, jaké je to být nanotechnoložkami. Nebojte se, není to nebezpečné, ukazujeme to i studentům základních škol, v nichž pak vidíme své budoucí studenty. 

 Zleva: Eva vyrábí nanovlákna z kapalného polymeru polyvinyl butadienu (vodou rozpustné a zdravotně naprosto bezpečné látky, která když se dostane do zažívacího traktu, tak se rozpustí) metodou elektrospinningu; vlákna vyrobená touto metodou zachycena na černém kartonu.
Neuvěřitelné, jak je taková výroba nanovláken jednoduchá… Takže odpovědí na naši otázku (jak jste se dostal k nanovláknům) by bylo, že nanovlákna jsou zábava?

Přesně tak. Nanovlákna jsou zábavná a navíc jsou funkční, což je při výzkumu velké plus. Dnes se to prokazuje i v již zmíněném využití nanovláken pro výrobu roušek. 

Jaké všechny materiály spadají pod nanomateriály, a které další mohou být vhodné k výrobě roušek? 

Pod nanomateriály spadají všechny nanočástice. Například i nanočástice stříbra a mědi, které jsou díky svým antibakteriálním účinkům uplatnitelné i při výrobě roušek. Antibakteriální efekt stříbra byl znám již ve starověku. Staří Římané si dávali do rezervoáru s vodou stříbrné mince, protože věděli, že si tím tu vodu stabilizují.

Kromě biodegradabilních nanovláken pro výrobu roušek se zabýváte i výzkumem čedičového mikrovlákna. Čemu konkrétně se v tomto výzkumu věnujete?

Čedičové vlákno používáme především jako výplně do stavebních kompozitů v podobě sítí. Čedič je pro nás zajímavý materiál. Zaprvé tím, že je přírodní (je to v podstatě sklo – SiO2) a zadruhé má velmi zajímavé mechanické vlastnosti – pomáhá ke zlepšení soudržnosti, pevnosti atd. 

A Vy jste se k výzkumu čedičového vlákna dostal skrze potřebu zkvalitnit zmíněné sítě pro stavebnictví?

Ano. 

Jak je možné ze surového čediče (kamene) vytvořit čedičovou textilii?

No. Na podrobnější odpověď se musíte zeptat jinde. Princip je ten, že z horniny vytvoříte kapalnou hmotu tavením. Tato kapalná hmota protéká velmi tenkými tryskami, které mohu mít průměr někde kolem deseti až dvaceti mikrometrů. Tak vzniká čedičové vlákno. Následně se z něj spřade úplet, v němž je zhruba 2000 mikrovláken. No a s tím se poté pracuje jako s klasickým tkanivem. 

Čedičová textilie vyrobená z čedičového vlákna.
Čedičové vlákno bývá hodnoceno jako “lepší” alternativa skelného a azbestového vlákna v mnoha ohledech. Proč?

Řekl bych to asi tak, že na velikosti záleží. Začněme otázkou: co je to azbest? Azbest jsou vlákna SIO2, stejně jako čedič. Azbest byl před padesáti lety velmi oblíbeným materiálem. Bohužel dnes již víme, že přibližně po těch padesáti letech degraduje. To znamená, že se konce těch vláken třepí a vzniká tam štěteček. Odštěpky z tohoto štětečku mají průměr několika nanometrů, díky čemuž se mohou dostat do respiračního traktu, do plicních kanálků i do krevního oběhu a právě tím jsou škodlivé. To čedič nedělá. 

Jinými slovy porovnání těch materiálů je takové, že u azbestové vlákna se tvoří nanovlákenné odštěpky, u skelného vlákna také, i když v menší míře a u čedičového vlákna to tak není?

Čedič je stabilnější. Máme u něj padesát let zkušeností a tohle štěpení se neděje. Stále se však musíme řídit principem předběžné opatrnosti. Proto je při práci s čedičovým vláknem dobré přemýšlet nad recyklačními postupy, kterými se tomuto materiálu na konci jeho životnosti zabrání možnému štěpení částic do země, ovzduší apod. Tím že materiál zrecyklujeme a zamkneme ho v nějakém novém produktu (například i geopolymeru) tomu lze zabránit.

Firmy, které zpracovávají čedič a používají ho pro výrobu svých produktů ho nahlížejí jako ekologičtější a šetrnější alternativu. Je tento materiál opravdu ekologičtější a proč?

V této chvíli na základě současného poznání můžeme říci ano, je to pravda. Ale opět musíme myslet na princip předběžné opatrnosti. Ten nám dává za úkol přemýšlet dopředu nad tím, jak vhodně zafixovat zbytky tohoto materiálu, aby nedošlo k podobnému průšvihu, jako s azbestem. Ještě dnes se bourají azbestové stavby, které jsou pak celé dva roky nedostupné. Dva roky se čeká, než se z okolí vytratí nano-azbestová vlákna, a to není ani šetrné, ani ekologické.

Proč se podle vás čedičové vlákno nestalo tak populární jako uhlíkové vlákno, navzdory tomu, že mu byla v první polovině 20. stol. prognózována velkovýroba?

Možná proto, že to uhlíkové vlákno má lepší mechanické vlastnosti. Ono je dvakrát pevnější. Popravdě řečeno oba tyto materiály se používají v high-tech: letecký průmysl, formule 1, helmy pro sport, apod. Tam, kde u produktu nehraje takovou roli cena, se používá uhlíkové vlákno, právě kvůli svým lepším mechanickým vlastnostem. V rámci lidské bezpečnosti samozřejmě chceme to nejlepší. Jiné to je u stavebního průmyslu, kde se často musí šetřit jak materiálem, tak financemi, tam je čedičové vlákno daleko užitečnější.  Uveďme si například betonovou výstavbu, v níž lze absolutně bez problému nahradit těžkou ocelovou armaturu lehkou a levnou alternativou vyrobenou z čedičových vláken. V takovém případě bude vyhrávat čedič nad uhlíkem, protože je výrazně levnější je jeho pevnostní vlastnosti jsou pro tento typ užití dostačující. 

Jste Vy sám aktuálně součástí vývoje nějakého udržitelného produktu? 

Ano s biodegradabilními rouškami plánujeme vstoupit na trh. Geopolymery by se také daly považovat za ekologické, vzhledem k tomu, že se v nich dá zamknout odpadní a jinak nerecyklovatelný materiál. Aplikovatelných výzkumů by bylo mnoho. Liberecká technika je symbolem nanotechnologií. Reflexi má i v zahraničí. A to, že musíme být zodpovědní, šetrní a musíme si dávat pozor na to, abychom vývojem neohrozili ani sebe, ani své okolí, historicky bylo a stále je součástí našeho přístupu k výzkumu. Existuje spousta výzkumů, které jsou z tohoto důvodu nerealizovatelné a končí v laboratořích. Avšak my se řídíme pravidlem, že občas je lepší nechat to ležet v šuplíku, než to pustit do masové produkce a pak si rvát vlasy, které naopak nemám. 

V jakých udržitelných produktech a materiálech vidíte potenciál do budoucnosti?

Za mě si myslím, že právě geopolymer je zajímavým materiálem v oblasti “eko” a udržitelné budoucnosti. Ono to vypadá, že se jako katedra materiálů vezeme na nějaké “eko vlně”, ale ono to má na naší katedře, jak historii, tak i svou logiku. Jak jste jistě již postřehly, tak v současné chvíli se smráká nad uhlím v Česku a plánuje se výstavba atomové elektrárny. A radiační ochrana stěn bude jedním z hlavních témat, které se v takovém případě budou řešit. A jestli budeme schopni relativně nenáročně (3D tiskem) vyrobit stěny z geopolymeru, které budou radiačně a tepelně stabilní a navíc se díky nim zužitkuje zbytkový odpadní materiál, tak co víc si přát. Sice se o výstavbě bloků jaderné elektrárny vedou různé debaty a zaznívá mnoho, ale tam ta hrozba je spíše v oblasti bezpečnostní než ekologické, protože vodík je to jediné, co je skutečně ekologickým zdrojem. (Poznámka redakce: ze ekologickou energii jsou považovány i zdroje z vodních, solárních a větrných elektráren. Vodní elektrárny jsou z těchto tří zmíněných nejlepší, avšak potřebují vhodné podmínky, jako je dostatečný proud a spád vody, vhodné okolí řeky pro výstavbu apod. Co se týká dvou dalších zmíněných, je potřeba u nich počítat i s energetickou náročností způsobenou výstavou a degradací prostředků pro výrobu energie. Jak solární panely, tak listy vrtulí větrných elektráren nejsou nic environmentálně udržitelného. Výroba takové energie je samozřejmě daleko ekologičtější než z uhelných elektráren, nicméně porovnáme-li si ji s výrobou energie v jaderné elektrárně, v efektivnosti a tím i ekologičnosti stále vede jaderná energie.

Jaký je váš nejoblíbenější recyklovaný předmět nebo materiál?

Mikrovlákna z letadel, která se sešrotují a zrecyklují ve stavebnictví, třeba i v podobě zmíněného geopolymeru.

 

Zapisovatelka: Háta Vicherková
Editorka: Eva Andrejsová

 

1 Geopolymery jsou anorganické, obvykle keramické, materiály, které tvoří dalekonosné, kovalentně vázané, nekrystalické (amorfní) sítě. Komerčně vyráběné geopolymery mohou být použity pro ohnivzdorné a tepelně odolné nátěry a lepidla, lékařské aplikace, vysokoteplotní keramiku, nová pojiva pro ohnivzdorné vláknité kompozity, toxické a radioaktivní zapouzdření odpadu a nové cementy pro beton. Vlastnosti a použití geopolymerů jsou zkoumány v mnoha vědeckých a průmyslových oborech. (In: Geopolymer – Generative systems, https://cs.wikiarabi.org/wiki/Geopolymer).