Hliníková pena napodobňuje strom, výplň krídla lietadla, medové plásty, vysvetľuje inšpiráciu v prírode materiálový vedec

V rozhovore sa dočítate aj o tom:

• aké materiály sa dajú vyrobiť vo vesmíre;
• ako žraločia koža inšpirovala funkčné plavky;
• prečo sa veľa nových materiálov nepresadí vo výrobe;
• či má inteligentné oblečenie budúcnosť.

Tento článok si môžete prečítať vďaka ESET Science Award – oceneniu, ktoré podporuje výnimočnú vedu na Slovensku. 

Závisí vesmírny výskum od vývoja nových materiálov?

Do určitej miery áno. Energeticky najnáročnejšie je materiály do vesmíru dopraviť. Preto musia byť čo najľahšie. Každé kilo navyše spotrebúva energiu, ktorej nemáte nazvyš. To, koľko kíl môžete vyniesť do vesmíru, je limitované veľkosťou rakety a dostupným motorom.

Dlhodobým cieľom je vybudovať výrobne materiálov priamo vo vesmíre. Je tam veľké množstvo technologického odpadu, ktorý by sa dal recyklovať alebo napríklad mesačný prach, ktorý by sa dal použiť na výrobu tehál. Aj vo vedeckých výzvach sa teraz tlačí na to, aby sme používali také materiály, ktoré už vo vesmíre sú, a nevozili tam nové. V rámci výzvy Horizont Európa a Európskej výskumnej agentúry sme podali v tomto roku projekty, ktoré sa na takýto zber vesmírneho odpadu zameriavajú.

Aké materiály ste prezentovali na svetovej výstave Expo, ktorá sa minulý týždeň skončila?

Väčšinou šlo o materiály, ktoré sme vyrobili v rámci projektov s Európskou vesmírnou agentúrou, napríklad ľahké konštrukčné materiály na báze horčíka. Ako materiál, ktorý by sa dal využiť práve na výrobu vo vesmíre, sme predstavovali hliníkovú penu. Na roztavenie a spracovanie hliníka by sa tam dala využiť napríklad slnečná energia a vákuum. Posledným exemplárom bol ľahký supravodivý drôt.

Kde okrem vesmíru sa dá hliníková pena využiť?

Jej potenciál je veľký, problémom je vysoká cena. Čiže sa vám jej použitie musí oplatiť. Na zemi pomocou hliníkovej peny napríklad vieme upraviť deformačnú krivku pre vlakový nárazník. Pena pozostáva z veľkého množstva pórov, ktoré absorbujú energiu, a tak chráni celý podvozok. Iným materiálom to v danom riešení nebolo možné spraviť.

Používajú sa nové materiály aj v biomedicíne?

Áno, napríklad v Košiciach sa robí 3D tlač titánových skeletov, ktoré môžu nahradiť kosti. U nás v ústave robíme bioimplantáty na báze titánu a horčíka, ktoré snáď budú vedieť nahradiť momentálne dostupné zubné implantáty.

Na zubné implantáty sa dnes používa väčšinou samotný titán. Nie je však bioaktívny a približne po 15 rokoch ho treba vymeniť. V našej alternatíve by kosť časom prerástla do implantátu.

Keď sa rozprávame o materiáloch, je ešte stále plast nepriateľom číslo jedna?

To by som nepovedal, lebo je takmer všade. Jeho nevýhodou je, že recykláciou stráca pôvodné vlastnosti a vždy do neho treba pridať aj nový plast. Takže to nie je úplne udržateľná recyklácia. Začína sa však hovoriť tom, že efektívnejšou „recykláciou“ by mohlo byť kontrolované spaľovanie plastov. Vzniká pri ňom teplo a rôzne plyny, ktoré vieme ďalej používať. Neplatí to ale pre všetky typy plastov.

Máme k dispozícii nejakú materiálnu náhradu, ktorá by bola taká univerzálna ako plast?

Bohužiaľ nie. Mohli by sme sa „vrátiť v histórii“ a používať jeho predchodcov, ale veľa moderných vecí by sme bez neho vyrobiť nevedeli.

Už niekoľko rokov sa hovorí o biodegradovateľných plastoch. Prečo ešte stále nevytlačili klasické plasty?

Biodegradovateľný plast má vždy nejakú zložku, ktorá podľahne vplyvu okolitého prostredia. Keby sme mali urobiť konštrukčný biodegradovateľný plast, tak by momentálne napĺňal požadované vlastnosti. Na dobrej úrovni sú napríklad biodegradovateľné plastové obaly. Pri nich je len otázkou peňazí, prečo sa nepoužívajú namiesto bežného plastu.

Dá sa plastový odpad premeniť na iné materiály?

Z niektorých typov sa dajú vyrobiť jemné plastové nanovlákna. Tie vieme použiť napríklad do respirátorov a rúšok. Takýto výskum sme počas pandémie robili a ukázalo sa, že materiál, ktorý vyrobíte z recyklovaného plastu, má veľmi dobrú priedušnosť a paropriepustnosť. V kombinácii napríklad so striebornými vláknami tak môžeme získať priedušný materiál s antimikrobiálnou aktivitou.

Niekoľko rokov sa hovorí aj o takzvanom inteligentnom oblečení, ktoré nám zmeria základné životné funkcie, zdravotný stav alebo výkon pri športe. Akú rolu tu hrajú nové materiály a má inteligentné oblečenie šancu komerčne sa presadiť?

Takéto funkčné oblečenie si vyžaduje silný interdisciplinárny výskum. Ak by ste chceli, aby vám meralo fyziologické vlastnosti, potrebujte silnú senzoriku. Odtiaľ by mala prísť otázka, či je ten materiál možné zmenšiť natoľko, aby dal vložiť do oblečenia.

Viem si predstaviť aj to, že by sme do vlákien vložili materiály, ktoré udržiavajú teplo. Pri teplom počasí by sa teplo v plášti naakumulovalo, a keď sa ochladí, tak by vám ho materiál vrátil späť. Alebo materiály, ktoré budú pri náraze meniť svoju vnútornú štruktúru. Keď narazíte, tak sa automaticky zhutní a zabráni zraneniu. Fungovať môže aj materiál, ktorý vie meniť farbu podľa prostredia ako napríklad chameleón. Čiže možností je veľa, ale najdôležitejšou otázkou je cena. Oplatí sa vám niečo také vyrábať a kto si to bude môcť dovoliť? Myslím, že aj preto existujú takéto výskumy zatiaľ iba na výskumnej báze.

Veľkým ekologickým problémom je stavebný materiál, z ktorého je veľká časť nerecyklovateľná. Ktoré časti sú najproblémovejšie a čím ich vieme nahradiť?

Najhorší je cement, na ktorého výrobu sa spotrebuje veľmi veľa energie. Keď sa dá, je rozumné nahrádzať ho udržateľnými materiálmi ako drevo a hlina. Keď potom takýto drevený alebo hlinený dom zrútite, viete materiál znova použiť alebo spáliť. No cement nie. Má to, samozrejme, svoje limity, pretože z dreva nepostavíte 13-poschodovú budovu.

Čo je podľa vás momentálne najzaujímavejší produkt podobného typu, ktorý sa vyvíja?

Fascinuje ma 3D tlač domov. Je to rýchla a flexibilná cesta, ako vyrábať jednoduché obydlia.

Čiže 3D tlačiareň vytlačí jednotlivé časti a potom sa dom poskladá ako lego?

Tím vedcov v Holandsku skúša vytlačiť celý dom naraz. Po obvodových múroch a vnútorných priečkach ho rovno vytlačí na obrovskej 3D tlačiarni.

Predstavujem si to ako obrovské bombičkové pero, ktoré behá po základoch a kreslí po milimetroch celý dom.

Môže byť, ale treba si uvedomiť, že tá tlačiaca kvapôčka má priemer 15-20 centimetrov.

Ako často hľadajú ľudia pri vývoji nových materiálov inšpiráciu v prírode?

Veľmi často. Za niektorými ľahkými konštrukčnými materiálmi ako hliníková pena bol cieľ napodobniť strom, ktorý je dutý, ale tuhý. Materiál, ktorý sa používa do krídel lietadiel, je zase inšpirovaný medovými plástmi. Opäť ide o ľahký, no tuhý a pružný materiál. Mňa fascinuje aj bodliakom „navrhnutý“ suchý zips, ktorý už použil asi každý, či plavky inšpirované kožou žraloka, ktoré zmenšujú odpor vody. Inšpirácie v prírode sú nekonečné, keďže veľmi dobre vie, čo robí.

Mňa zaujalo napríklad to, že vedci vyrábajú umelú pavučinu. Na čo sa dá využiť?

Pavučina má niekoľkokrát vyššiu pevnosť ako oceľové vlákna. To znamená, že dá sa použiť ako výstuž. Momentálne sa takto používajú sklenené alebo uhlíkové vlákna,  ale s takouto pavučinou by materiál mohol byť pevnejší a zároveň ľahší.

Plastové nanovlákna, o ktorých sme už hovorili, sa pri výrobe skladajú do 3D siete. Tá sa môže nazvať aj „umelou pavučinou“ a dá sa využiť na filtračné účely.

Vieme prírodu pri tvorbe nových materiálov využiť aj prakticky? Pomáhajú nám pri ňom baktérie alebo iné živé organizmy?

V biomedicíne sa dá využívať bakteriálna celulóza. Tá vzniká ako odpadový produkt, keď baktéria spracuje napríklad cukor či rôzne alkaloidy v čaji. Takáto celulóza sa môže používať ako obväzový materiál. Baktérie nám môžu pomáhať aj pri výrobe samotných biodegradovateľných plastov.

Pri vývoji materiálov sa elektrónovým mikroskopom pozeráte až na ich atomárnu úroveň. Prečo je to dôležité?

Lebo vďaka tomu lepšie pochopíme jeho podstatu a vlastnosti. To, či bude pevný, priesvitný, alebo krehký, ovplyvňuje práve jeho vnútorná mikroštruktúra.

Niektoré obrázky spod elektrónového mikroskopu vyzerajú ako psychedelické umelecké diela. Máte nejaké obľúbené?

Veľmi pekne sa pozerá na kompozitné materiály, lebo každá fáza, ktorá vnútri vznikla, kontrastuje s ďalšou. Aj v materiáloch, ktoré vytvoril človek, sa dajú nájsť veľmi pekné a usporiadané štruktúry. Ale rozhodne sú obľúbenejšie prírodné materiály ako oko muchy či krídlo motýľa. Pre oko človeka je to lepšie uchopiteľné než kovové mikroštruktúry.

Ktorá krajina je momentálne v materiálovom výskume na vrchole?

Výskum je v západných krajinách motivovaný ekonomickým prínosom. To znamená, že vedec musí vedieť, prečo ho robí. Keď napríklad chcem znížiť energetickú náročnosť konkrétneho prístroja, tak vyvíjam materiál, ktorý to umožní. Alebo chcem znížiť hluk veterných turbín, tak upravujem ich tvar. Každá krajina býva silná vo vývoji tých materiálov, na ktorých je postavená jej ekonomika.

My sme na tom ako?

Máme silných materiálových vedcov s dobrými nápadmi, ktorí vedia posunúť napríklad vývoj biomedicíny, supravodivých materiálov či keramiky. Veľa z týchto myšlienok je aj patentovaných, akurát chýba nejaký medzičlánok, ktorý by zabezpečil, že výsledok toho výskumu sa aj predá. Pokiaľ nebude o ten výrobok záujem, tak z môjho pohľadu nemá zmysel platiť ochranu v jednotlivých krajinách. Sú to investície, ktoré sa nikdy nevrátia.

Firmy majú častokrát svoj vlastný výrobný proces. Možno používajú materiál, ktorý je horší ako ten, ktorý sme povedzme vymysleli my, ale existuje na neho funkčná linka a nahradiť niečo také, je z pohľadu majiteľa firmy finančne neúnosné.

Čiže je treba zefektívniť prepojenie s priemyslom?

Jedna vec je efektívne to prepojiť, druhá, že ten priemysel možno u nás ešte neexistuje. Aj high-tech priemysel treba budovať a na to vedec kapacitu nemá. On je len jednou časťou toho všetkého.

Aký je o materiálové vedy záujem medzi vedcami?

Nie taký veľký ako by sme potrebovali, preto často lovíme v zahraničných vodách. Možno je to preto, že doktorandské štúdium nie je dostatočne finančne ohodnotené. Možno je to dôsledkom toho, že nerobíme aktívny marketing. Toto plánujeme do budúcna zmeniť.

Pre žiakov základných škôl organizujete v spolupráci so SAV letné školy mladých vedcov. Čo deti na vede zaujíma najviac?

Keď si ju môžu ohmatať, urobiť pokus a vidieť reakciu na svoje akcie. To im rozžiari oči a vtedy je pre nich veda zaujímavá. V školách to však často chýba.

Letnú školu robíme pre druhý stupeň základných škôl, keďže vtedy sa žiaci rozhodujú, čo budú študovať. Mnoho z nich možno ani nevie, že aj veda je možnosť a je takmer za všetkým, čo v modernom živote používame. Prostredníctvom takýchto návštev im to chceme ukázať a zároveň im ponúkame, aby sa stali súčasťou reálnych vedeckých projektov na SAV. S našimi vedcami napríklad zisťujú, ako vplýva oxidovanie na rakovinové bunky. S tým sa nestretáva ani bežný dospelý človek, ale keby o tom vedel na základnej škole, možno ho to ovplyvní natoľko, že sa rozhodne študovať vedu.

Pripravujete program pre systémové vzdelávanie, ktorý chce do vyučovania priniesť viac pokusov. Ako by to v praxi vyzeralo?

Pri jeho príprave sme vychádzali z toho, čo sme zistili od samotných žiakov. V škole im chýbalo najmä robenie pokusov, pretože bez nich nevedia prírodné vedy dobre uchopiť. Momentálne máme napríklad na fyziku za rok navrhovaných približne 60 pokusov. Pracujeme aj v ostatných prírodovedných predmetoch, ako je chémia a biológia.

Cieľom tohto programu je obohatiť vyučovanie. Pokusy a metodická príručka k nim môžu vnuknúť učiteľovi i žiakovi iný pohľad na prírodovedné predmety. Aby si na začiatku pokusu vedeli povedať, prečo ho idú robiť, postaviť hypotézu a potom ho vyhodnotiť. Keď budú mať takú možnosť na všetkých prírodovedných predmetoch a bude to poprepájané, na konci základnej školy bude žiak oveľa lepšie chápať, ako funguje veda a svet okolo nás.

Neviem, či som videla 60 pokusov za celé štúdium.

To je presne ono, že asi nie. A toľko ich je len v rámci fyziky šiestej triedy.