Syntetické molekuly podobné fullerenům mají dnes v tribologii své nezastupitelné místo. Tyto nanočástice, objevené před zhruba 30 lety, totiž díky své jedinečné struktuře dokážou jako aditiva výrazně snížit tření i opotřebení v motorech, převodovkách i v rámci obráběcího a tvářecího procesu v průmyslu. „Ruku v ruce s tím pak jde samozřejmě i nižší spotřeba pohonných hmot, energie či maziv a delší životnost produktu,“ říká v rozhovoru pro Technický týdeník Milan Štelcl, technický ředitel společnosti Nanotech-Europe.
Uhlíkové fullereny v roce 1985 objevil britsko-americký tým vědců, kteří za tento svůj počin získali v roce 1996 Nobelovu cenu za chemii.
Ano, za objev těchto molekul vděčíme třem profesorům: Robertu F. Curlemu, Richardu E. Smalleymu a Haroldu W. Krotovi. Právě jim se podařilo při zkoumání mezihvězdného prachu laserovým odpařováním grafitu prokázat existenci klastrů s 60 a poté i 70 uhlíky, připomínajících svým vzhledem kulovitý mnohostěn. Přesněji řečeno, jde o komolý ikosaedr, což je osekaný pravidelný dvacetistěn, kde je 12 pětiúhelníků a 20 šestiúhelníků urovnáno tak, že spolu žádné dva pětiúhelníky nesousedí. Vlastně prakticky stejně vypadá i fotbalový míč, na kterém se dost často tvar fullerenů demonstruje, aby byl snáze představitelný. Název, který nově objevená částice dostala, pak byla jednoduše poctou architektu Buckminsteru Fullerovi, jenž v roce 1954 uspěl s myšlenkou geodetické kopule, tedy stavby, která tyto částice velmi připomíná. Uhlíkové fullereny jsou unikátní tím, že jsou velmi malé, měří zhruba 0,7 nm a mají vynikající tepelnou stabilitu. Navíc jsou supravodivé, a to při teplotě relativně vysoko nad absolutní nulou. Jsou také mimořádně odolné vůči tlaku, mají elektrické a některé organické deriváty i magnetické vlastnosti. Do jejich dutiny lze navíc vkládat atomy jiných prvků, čímž lze vlastnosti dále ovlivňovat.
I proto se nyní hojně využívají zejména v materiálovém inženýrství, elektrotechnice, farmaceutickém či chemickém průmyslu.
Dnes již existují také anorganické fullereny, které hrají zcela zásadní roli právě v oblasti mazání. Kdo stojí za jejich objevem? Tyto molekuly vzešly z rukou profesora Reshefa Tenneho, který v Izraeli pracoval s wolframem a mikročásticemi wolframu i molybdenu. Jemu se v roce 1992 podařilo na Weizmannově institutu věd syntetizovat submikronové částice IF-WS2 podobné fullerenům (jde v podstatě o anorganické fullereny). Také on byl za tento objev nominován na Nobelovu cenu, ale tu nakonec v roce 1996 získal právě britsko-americký tým, který stál za objevem uhlíkových fullerenů. Ovšem i když profesor Tenne věděl, že má v rukou nesmírně zajímavý materiál, narazil na technologický problém. V té době bylo prakticky nemožné vyrábět fullereny v potřebných množstvích. Výrobní technologie nebyla připravena na průmyslovou výrobu. Vědci dokázali vyprodukovat maximálně 0,1 g fullerenů denně a výroba jen tohoto malého množství byla skutečně astronomicky drahá. Další roky tedy profesor Tenne a jeho tým strávili tím, že se snažili částicím lépe porozumět, aby je dokázali vyrábět ve větším množství. V té době do procesu investičně vstoupil i soukromý subjekt, který měl vazby na izraelský stát a po čase bylo možné produkovat množství částic, které jako aditivum stačilo pro využití ve speciálních aplikacích v gesci státu. Avšak ke komerčnímu prodeji byla stále dlouhá cesta.
Předpokládám, že potíží byla dlouhodobě extrémně vysoká cena. Nebo za tím stálo ještě něco jiného? Ano, prvním faktorem byla cena, která i roky poté, co profesor Tenne molekulu syntetizoval, násobně převyšovala cenu zlata. V té době mohly být fullereny použity pouze pro projekty financované státem. Druhým faktorem byla izraelská armáda, která nechtěla prodej unikátního materiálu pustit do komerčního prodeje. Takový status quo trval až do roku 2007. Nicméně vývoj výrobních technologií probíhal neustále. Takže v té době už naši partneři vyráběli 100 kg materiálu hodinově a díky tomu mohla jeho cena klesnout. V roce 2008 nastal zásadní zlom pro komerční použití, protože armáda odstoupila od blokování komerčního prodeje a cena fullerenových aditiv se tak mohla ještě snížit. A v té době začali Izraelci tedy hledat partnery z různých segmentů trhu, s nimiž by mohli začít rozvíjet komerční aplikace.
Čím jsou tyto wolframové fullereny pro oblast tribologie tak zajímavé? Už jsem hovořil o tom, že fullereny mají perfektní tepelnou stabilitu. Při dlouhodobém využití dokážou bezproblémově pracovat v teplotním rozmezí od absolutní nuly až do zhruba +600 °C a při krátkodobém využití zvládají teploty v plusových hodnotách i 2× vyšší. I proto se fullerenová aditiva hojně využívají například v leteckém a kosmickém průmyslu. Hodně výjimečná je také morfologie částic, která ze všeho nejvíce připomíná cibuli. Znamená to, že každá částice se skládá z několika desítek vrstev, má duté jádro, a to všechno má významný vliv na použití v různých aplikacích. Vrstvy se totiž za vysokého tlaku a smykového namáhání oddělují od částice a navazují se na kluzné plochy, na jejichž povrchu pak vytvářejí sulfidwolframový nanopovlak, jenž má velmi podobné vlastnosti jako samotný wolfram. Respektive je to ještě trošku jinak. Při statickém tlaku do 1—1,2 GPa se částice chová jako nanokuličkové ložisko. Avšak v okamžiku, kdy dojde k pohybu, a tedy smykovému namáhání, se začnou jednotlivé vrstvy oddělovat a navazovat se na kluzné plochy.
Hovořil jste také o dutém jádru fullerenů. Jak může být tato vlastnost v konkrétních aplikacích k užitku? Představte si například stěnu válce, na které se kvůli namáhání materiálu postupně vytvářejí mikroskopické praskliny a trhliny. Taková vada vždy končí vlasovou trhlinou, která se při vyvolání dynamického tlaku dále rozšiřuje. Pokud se do mazacího média přidá aditivum s těmito fullereny, částice se v prostorách trhlin nashromáždí a zcela vyplní její prostor. Ze svrchních částic se vyvíjeným tlakem začnou oddělovat mikrovrstvy, které v podstatě zakonzervují ostatní částice uvnitř praskliny. Dojde nejen k vyhlazení povrchu, ale i k tomu, že zakonzervované částice díky svému dutému jádru pohltí veškerou energii, jež zvětšovala na základě dynamických rázů prasklinu či trhlinu. Dalo by tedy říci, že částice mají i autoreparační vlastnosti.
Společnost Nanotech-Europe je jedním z partnerů izraelského výrobce fullerenů. Soustředíte se na vývoj aditiv pro mazání v oblasti aplikací ve strojírenství i motorů a převodovek. Jak konkrétně vaše práce vypadá? Předně je třeba říci, že v segmentu motorů a převodovek toho moc nevymýšlíme, protože tím se zabývají naši partneři v USA a Izraeli. My se věnujeme pouze vývoji v oblasti závodních motorů, tam je naše know-how. [Ve spolupráci se závodním týmem Buggyra Racing procházejí produkty Nanotech-Europe z tohoto segmentu prověrkami v náročných podmínkách například rallye Dakar; tolik na vysvětlenou k fotografii na titulní straně — pozn. red. ] Podstatné ale je, že náš partner neměl prakticky žádné komerční aplikace ve strojírenství, a proto naše spolupráce vznikla a tam je naše přidaná hodnota vývoje velká. Naše práce vypadá tak, že vždy, když pracujeme na novém aditivu, je třeba si nejprve stanovit požadavek toho, co vlastně chceme. Musíme znát přesnou funkčnost částic na danou aplikaci, kterou jasně nadefinujeme. Složení fullerenu a všechny potřebné informace následně předáváme našemu velmi zkušenému chemikovi, s nímž poté začíná fáze diskuze nad problematikou doladění konkrétních finálních vlastností produktu. On na základě specifikací a rozhovorů navrhne složení, které se poté musí testovat. V některých případech probíhají testy déle než jeden rok. Postupně se vybavujeme měřicími přístroji, například nesmírně důležitá je pro nás mikroskopie, ať už jde o optické, či elektronové mikroskopy. Potřebujeme je, když vyvíjíme produkty do nejnáročnějších aplikací v motorsportu, protože potřebujeme kontrolovat, jak se skládají jednotlivé vrstvy až na úroveň molekul. Testováním také zjišťujeme například ideální koncentraci částic. V oblasti strojírenství šel náš vývoj až tak daleko, že jsme pravděpodobně jediní, kdo dokáže nahradit mazání olejem vodní suspenzí. V některých našich kapalinách proto není ani promile oleje.
Jak moc dokážete ve vývoji vaše maziva diferencovat podle konkrétní aplikace a „hrát si“ s různými materiály? Jak jsem již řekl, dokázali jsme vyvinout maziva, která nejsou na uhlovodíkové bázi. Tato myšlenka vycházela z našich poznatků materiálů, s nimiž pracujeme. Ale pracujeme také s dalšími typy nanočástic a částic. Synergickými procesy dokážeme vyvinout maziva s neuvěřitelnými vlastnostmi, jako je teplotní odolnost, odolnost proti silnému dynamickému zatížení, odolnost proti opotřebení, snižování tření a vibrací a podobně. I díky tomu dokážeme našim zákazníkům splnit požadavky, které už jsou za hranou vlastností běžných maziv. Například pro emulzní kapaliny obráběcích strojů jsme vyvinuli speciální aditivum, které dokáže snížit spotřebu elektrické energie stroje v řezu o 10—20 %, sníží také opotřebení řezných nástrojů o 30—150 %, sníží spotřebu olejových emulzních koncentrátů o 40—60 % a také díky němu dokážeme zkrátit výrobní cyklové časy o 5—30 %. Ve vývoji teď máme dokonce maziva, která by za určitých okolností mohla vyvolat „revoluci“ v některých oborech. Takže by se dalo říci, že limity a mantinely našich maziv doposud neznáme. Stále totiž přicházíme na další možnosti, jak anorganické fullereny využít. Jediné, co nás může brzdit, jsou finance, protože pro analýzy používáme nejmodernější a velice drahé laboratorní zařízení. A také máme limity personální. Pracovníci, kteří dokážou teoretické znalosti transformovat do praxe, se totiž hledají jen velmi těžko.
Velkým tématem dnešních dnů je v průmyslu environmentální stopa výroby. Může se pokročilé mazání za využití fullerenů řadit do zelené tribologie? Určitě ano, a to z několika důvodů. Studie, kterou zpracovali Kenneth Holmberg z VTT Technical Research Centre of Finland a Ali Erdemir z Texas A&M University (USA), prezentuje důsledky tření a opotřebení na klima planety, zejména na emise CO2. Současná situace je taková, že tribologické kontakty způsobují asi 23 % celkové světové spotřeby energie. Využitím výhod nových mazacích technologií pro snížení tření a opotřebení ve světě by mohlo dojít ke snížení energetických ztrát vyvolaných třením a opotřebením v krátkodobém horizontu osmi let o asi 18 % a v dlouhodobém výhledu patnácti let až o 40 %. Velkou roli hrají nanotechnologie a procesy odehrávající se v submikronovém světě, ať už se jedná o maziva, nebo úpravy povrchů. Autoreparační vlastnosti těchto aditiv pomáhají vyhlazovat povrch, čímž klesá množství energie potřebné k překonání tření. Zároveň lze takovými aditivy snižovat množství maziva o 30—50 % a mohou se také prodloužit servisní intervaly. Pokud se naše aditivum přimíchá do motorového oleje, sníží spotřebu v průměru o 5—15 %. U motorů ale platí, že čím má větší nájezd a je mechanicky více opotřebovaný, musejí částice udělat mnohem více práce. Plného efektu tak částice dosáhnou při průměrném nájezdu 400—500 km. Co se týče opotřebení motoru, to samozřejmě není poznat hned. Výsledkem ale je, že auto lépe a déle jezdí s nižšími náklady na servis. I zde fungují autoreparační schopnosti nanočástic, což znamená, že u motorů s velkým nájezdem dojde ke zlepšení funkčnosti motoru, a zákazníci se vyjadřují tak, že po aplikaci Nanotechu zažil motor restart.
Máte prozkoumaný vliv těchto syntetických fullerenů na zdraví člověka a životní prostředí? Tématu zdraví a životního prostředí se věnujeme my i naši partneři velmi detailně. Nechali například zpracovat několik vědeckých prací na téma toxicity částic IF-WS2 a spolupracovali při tom například s BSL Bioservice Scientific Laboratories v Německu. Veškeré výsledky vědeckých prací se shodují v tom, že částice nejsou pro člověka zdravotně nijak závadné. Ač jsou fullereny stoprocentně syntetickou sloučeninou, nejsou toxické a na životní prostředí nemají prakticky žádný vliv. Důvodem je, že jsou v podstatě inertní, což znamená, že nic nepřijímají a nic nevydávají. Asi vrcholem průkaznosti nezávadnosti je ukončený výzkum v oblasti biomedicínského materiálového inženýrství. I to je důvod, proč se třeba likvidace použitých olejů s aditivem Nanotech neliší od likvidace standardních motorových olejů.
Hovořil jste o tom, že při vývoji svá aditiva testujete. Procházejí poté výrobky i nezávislými testy, kterými můžete prokázat funkčnost výrobků? Testování, které dovede prokázat efektivitu fullerenových aditiv, je pro nás jeden z velice důležitých kroků. Proto spolupracujeme nejen s českými vysokými školami, ale také s významnými zkušebními a certifikačními institucemi. Například laboratorní zkoušky zpracované společností SGS potvrdily, že aplikací 3 % objemu aditiva do motorového oleje dojde ke zlepšení protioděrové ochrany. Test ve spolupráci s VUT dále prokázal, že přidáním aditiva do motorového oleje pro naftové motory se tření snížilo v průměru o 25 % oproti použití oleje bez aditiva. Používáním pokročilého mazání se také prokazatelně snižuje hluk zařízení. /Kristina Kadlas Blümelová/
