Przyroda nieraz zaskakuje rozwiązaniami, które człowiek stara się naśladować. Inspiruje artystów i architektów. Także uczeni tworzą, obserwując naturę. Trudno nie dostrzec podobieństw, słuchając o rozwiązaniu naukowców z Politechniki Łódzkiej (PŁ). Ich metoda nakładania na tkaninę nanostruktury za pomocą plazmy to nie rewolucja, ale z pewnością ewolucja, bo pozwala uzyskać wyniki lepsze niż osiągane dzięki dotychczasowym sposobom produkcji materiałów wodoodpornych. Tkanina poddana takiej obróbce nie tylko jest prawie nieprzemakalna, ale również sama się oczyszcza.
Materiał na ekstremum
Sposób wytwarzania superhydrofobowej nanostruktury na powierzchni materiałów tekstylnych z zastosowaniem plazmy — tak brzmi pełna nazwa rozwiązania, nad którym przez dwa lata pracowali uczeni z Wydziału Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska PŁ. Zaczęło się jak zwykle — czyli od potrzeby. Tyle że tym razem ta potrzeba przyszła prosto z biznesu. Do naukowców z pomysłem na rozpoczęcie prac zgłosiła się firma Małachowski Pracownia Sprzętu Alpinistycznego, która wyposaża wysokogórskie wyprawy m.in. w specjalistyczną odzież.
— Polscy alpiniści odnoszą sukcesy we wspinaczce wysokogórskiej. Głównym powodem rozpoczęcia tego projektu była potrzeba lepszych ubrań, które pomogą im w ekstremalnych warunkach. Utrata hydrofobowości na wysokości kilku tysięcy metrów, przy silnym wietrze i niskiej temperaturze, może decydować o powodzeniu wyprawy. Dostępne na rynku rozwiązania są dobre, ale nie bardzo dobre — ocenia Adam Małachowski, właściciel firmy. Z prof. Jackiem Tyczkowskim, chemikiem z PŁ, łatwo znalazł wspólny język, bo profesor także jest alpinistą.
Nowy materiał był jednak potrzebny również z innych powodów. — Podobny efekt na tkaninach można uzyskać przez natryskiwanie materiału odpowiednimi substancjami. Problem w tym, że wiele zawiera fluor, a Unia Europejska naciska, by go stopniowo wycofywać z rynku. To kolejny powód, dla którego warto szukać innych sposobów — wyjaśnia prof. Jacek Tyczkowski.
Te obostrzenia już zaczynają obowiązywać. Na początku lipca Jack Wolfskin, producent m.in. odzieży i obuwia outdoorowego, zaostrzył kryteria stosowania substancji chemicznych w produkcji. Jednym z założeń jest całkowite zaniechanie stosowania fluoru i jego związków do 2020 r.
Naturalne rozwiązanie
Superhydrofobowość to termin, z którym rzadko można się spotkać na co dzień. Uproszczając — pojęcie odnosi się do powierzchni, które nie dają się zwilżyć. Najłatwiej zobrazować to na przykładzie roślin — liście nie przesiąkają, a woda bez problemu po nich spływa. Im mniej kropelka wody styka się z powierzchnią, tym lepsze właściwości hydrofobowe ma materiał. Bardziej powiązany z przyrodą jest jednak drugi element, czyli samooczyszczanie się powierzchni, tzw. efekt lotosu.
Już od kilku lat naukowcy wzorują się na rozwiązaniu, które zrodziła natura, a konkretnie lotos z rodzaju Nelumbo. Krople osiadające na liściach rośliny stykają się z nią tylko w niewielkim stopniu, po czym staczają się po powierzchni, zbierając po drodze zanieczyszczenia. Naukowcom udało się nałożyć na materiał nanostrukturę, która przypomina tę, jaką ma roślina.
Ich metoda pozwala uzyskać kąt zwilżania (kąt rozwarty, jaki powstaje pomiędzy styczną do kropli wody a powierzchnią, z którą się styka) o wartości 165 stopni na powierzchni materiału, czyli bardzo zbliżonej do lotosu, którego kąt zwilżania może wynosić do 170 stopni. Kropla nałożona na materiał po obróbce przyjmuje kształt kulki i niewielkie nachylenie wystarczy, by momentalnie stoczyła się po powierzchni, pozostawiając tkaninę całkowicie suchą.
Zespół autorem
Laboratorium naukowców z PŁ to pokój zastawiony maszynami i metalowymi półkami, na których stoi kilka reaktorów plazmowych. Chociaż „reaktor” brzmi dumnie, w rzeczywistości są to niewielkie urządzenia, zajmujące kilkanaście centymetrów sześciennych. Mieści się w nich tylko skrawek materiału. Obok dodatkowe pomieszczenie, w którym urzędują doktoranci Przemysław Makowski i Wiktor Redzynia. Pierwszego wymienia się jako jednego z autorów rozwiązania. Jednak pytani o osobę, która miała największy wkład, mówią po prostu o zespole — łatwiej wymieniać im wiele osób, które pomogły przy projekcie, niż przypisać sukces jednemu człowiekowi.
Przemysław Makowski opowiada, że studia doktoranckie zaczynał, wiedząc, że będzie pracował nad rozwiązaniami z wykorzystaniem plazmy. Nie spodziewał się jednak, że ta praca uzyska aż taki rozgłos. Tym bardziej, że niewiele brakowało, by nikt się nie dowiedział o tym rozwiązaniu.
— Trochę z przypadku wzięliśmy udział w organizowanym przez Politechnikę Świętokrzyską konkursie „Student — wynalazca”. Człowiek odpowiedzialny za promocję na naszym wydziale zaproponował, żebyśmy zgłosili nasz projekt. Nie myśleliśmy, że uda się wygrać, nie mówiąc o późniejszym wyróżnieniu w Genewie — wspomina Jacek Tyczkowski. Organizatorzy kieleckiego konkursu pokrywają koszty wyjazdu laureatów nagród głównych na Międzynarodową Wystawę Wynalazków w Genewie. Mieli nosa. Łódzcy naukowcy otrzymali tam złoty medal.
Nie tylko na tkaninach
Metodę nakładania nanostruktur opracowano w PŁ. Przy jej powstawaniu pracowali doktoranci, doświadczeni naukowcy i przedstawiciele firmy Małachowski. Wykorzystaniem plazmy w tej uczelni zajmują się od dłuższego czasu. Wyzwaniem było znalezienie odpowiednich cząsteczek, które pozwolą uzyskać zamierzony efekt.
Prace dofinansowało Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, a także firma Małachowski. Profesor Tyczkowski mówi, że materiał z nanostrukturą nie zmienia swoich właściwości, czyli jej nałożenie nie narusza tkaniny — nie osłabia jej, ale i nie wzmacnia. Nie blokuje też miejsc między włóknami, co oznacza, że materiał oddycha w takim samym stopniu jak przed obróbką. A rezultat jest trwalszy niż przy innych rozwiązaniach.
— Po nałożeniu nanostruktury materiał nie będzie bardziej odporny na uszkodzenia mechaniczne. Jeśli przetrzemy go mocno papierem ściernym, to straci superhydrofobowe właściwości. Tkanina nie jest też całkowicie wodoodporna. Jeśli zostanie poddana dużym i silnym strumieniom wody, jak chociażby z popularnych w myjniach ręcznych kerczerów,to materiał może przemięknąć — wyjaśnia profesor. Odzież jest najbardziej oczywistym zastosowaniem i wykorzystaniem tego rozwiązania, ale nie jedynym.
— Taki materiał mógłby się przydać na przykład w motoryzacji jako tapicerka. Można iść jeszcze dalej i nałożyć nanostrukturę na inne powierzchnie, chociażby szkło — wymienia Jacek Tyczkowski.
To dopiero początek
Największy znak zapytania dotyczy produkcji. Aby ją uruchomić, potrzeba większych reaktorów. Koszt jednego to około 400 tys. zł, ale trzeba je jeszcze dostosować do łódzkiej metody. Zbudowanie linii produkcyjnej od zera może kosztować nawet kilka milionów złotych. Taka fabryka byłaby pierwszą tego typu w Polsce.
Jacek Tyczkowski twierdzi, że nie ma jeszcze zakładu, który mógłby już rozpocząć produkcję, ale jest kilka zainteresowanych przedsiębiorstw. Na przykład w firmie Adama Małachowskiego myśli się o wdrożeniu opracowanej technologii i uruchomieniu własnego reaktora, który będzie elementem linii produkcyjnej.
— Na razie nie możemy zbyt wiele powiedzieć o szczegółach ze względu na konkurencję. Niewiele informacji możemy też udzielić w odpowiedzi na pytania przedsiębiorców, którzy chętnie wdrożyliby tego typu rozwiązanie. Trudno odpowiadać potencjalnym klientom, kiedy produkcja jeszcze nie ruszyła — mówi Adam Małachowski. Dodaje, że firma ma bardzo dobre kontakty z kilkoma ośrodkami naukowymi i planuje dalszą współpracę z PŁ.
Zespół Jacka Tyczkowskiego już realizuje kolejny projekt z firmą Małachowski — szuka rozwiązania problemu pleśnienia puchu. Naukowcy zajmują się również innymi projektami biznesowymi, na przykład z pewnym producentem obuwia pracują nad nową plazmową technologią klejenia butów. —
Wygrane konkursy otworzyły nam oczy na to, że zajmujemy się istotnymi sprawami i warto wyjść z tym na świat, a nie zamykać się w ścianach uczelni — konkluduje Jacek Tyczkowski. Współpraca na linii użytkownik — producent — ośrodek naukowy to układ, który już doskonale się sprawdza w innych krajach Unii Europejskiej. &