Uvnitř práce výzkumníka nanomateriálů

Silnější komponenta. Lehčí polymerový kompozit. Plast, který vede elektřinu, nebo odolává náročnějším provozním podmínkám.

Dávno předtím, než se takové produkty dostanou na trh, začínají jako série složitých experimentů a opakovaných vědeckých procesů, které končí až ve chvíli, kdy se podaří objevit to správné řešení.

Právě v tom spočívá každodenní fungování Polymer Nano Centra. Tým vědců a techniků zde spojuje nanotechnologii s polymerovým inženýrstvím, aby řešil reálné výrobní výzvy.

Jak ale vypadá takový typický den konkrétního výzkumníka nanomateriálů? Nahlédněte za kulisy běžného pracovního dne jejich výzkumného centra.

Pro výzkumníky pracující s nanomateriály a pokročilými polymery se den točí kolem pochopení potřeb zákazníků. Jistý výrobce například osloví Polymer Nano Centrum s žádostí o vylepšení vstupních surovin pro nějaký ze svých produktů. Může jít o barvu odolnou vůči UV záření, podlahovou pryskyřici se schopností odvádět statickou elektřinu, nebo polyuretan, který je odolnější a má navíc schopnost ničit bakterie. Tým pak řeší, jak by šlo molekulárními změnami na nanoúrovni takových vlastností docílit.

Žádný den proto pro ně není stejný – výzkumné projekty, požadavky zákazníků i laboratorní priority se neustále mění. Vzniká tak pracovní prostředí, kde se spojuje vědecké bádání s praktickým inženýrstvím.

Začíná to týmem

„Můj typický pracovní den obvykle začíná schůzkou s vědeckým týmem a technickými pracovníky,“ vysvětluje Michaela, jedna z předních výzkumnic Polymer Nano Centra. „Probíráme, co jsme už dokončili, jaké projekty právě běží a které úkoly mají nadále nejvyšší prioritu. Podle toho si pak práci rozdělíme mezi jednotlivé členy týmu.“

Tyto schůzky pomáhají s koordinací probíhajícího výzkumu, zaměřením laboratorních zdrojů na ty momentálně nejdůležitější projekty a umožňují sdílet poznatky, diskutovat problémy a plánovat další kroky.

„Právě týmovou spolupráci mám na své práci nejraději,“ dodává Viktoriia, která má PhD v oblasti nanočástic a jejich použití v polymerech. „Mám skvělé a vzdělané kolegy, kteří mě hodně inspirují. Líbí se mi, že každý přináší jiný pohled nebo nápad a že společně postupně tvoříme jak obecný vědecký směr, tak i konkrétní plán dalších experimentů.“

Od receptury materiálu k laboratornímu testování

Hned po stanovení priorit začíná praktická stránka věci: testování výrobních vzorků, sestavování nových receptur materiálů, studium vědecké literatury, analýza konkurenčních technologií a příprava laboratorních experimentů. Klíčem je kombinace nanomateriálů (tedy těch o velikosti menší, než je desetitisícina šířky lidského vlasu) s běžnými polymery a pryskyřicemi za účelem vytvoření lepších komerčních produktů.

„Integrujeme nanomateriály do stávajících plastů,“ říká Michaela, „a hledáme způsoby, jak zlepšit jejich mechanické vlastnosti – nebo jim dodat vlastnosti úplně nové.“

Cílem není vyvíjet technologii pro technologii samotnou, ale řešit konkrétní průmyslové potřeby – ať už jde o vyšší odolnost, pevnost, nižší hmotnost, lepší vodivost, případně zcela nové funkční charakteristiky.

„Líbí se mi právě to, že vývoj takových materiálů přímo souvisí s poptávkou na trhu – a že výsledky naší práce mají téměř okamžitou praktickou aplikaci,“ dodává Viktoriia, která pracuje v nanotechnologii od roku 2018 (a předtím působila na Akademii věd ČR v oddělení polymerových nanočástic).

Uvnitř laboratoře

Laboratorní experimenty zabírají velkou část mnoha pracovních dní. Výzkumníci provádějí širokou škálu mechanických a analytických testů, aby pochopili, jak jejich úpravy ovlivňují vlastnosti materiálu. Tyto testy ukazují, zda se receptura ubírá správným směrem, nebo zda je potřeba dalších úprav.

Mezi ty nejčastější činnosti například patří:

• zkouška pevnosti v tahu, tzv. Charpyho zkouška (zkouška rázem v pohybu) a obdobné tahově-rázové zkoušky (zkrátka ty, které testují pevnost, houževnatost, tuhost, odolnost proti namáhání)
• FTIR a Ramanova spektroskopie (analýza chemické struktury a interakce materiálů)
• Optická mikroskopie (zkoumá morfologii a povrchové vlastnosti)
• PVT, MFI a TMA měření (ta kontrolují zpracovatelnost, tekutost, tepelné vlastnosti a rozměrovou stabilitu)

Moderní vývoj materiálů generuje neustálý příval vzorků, které vyžadují specializované přístroje a znalosti nezbytné ke správné interpretaci výsledků. Naštěstí má Polymer Nano Centrum svou vlastní špičkově vybavenou výzkumnou laboratoř nedaleko Prahy.

„Máme velmi dobře vybavenou laboratoř,“ říká Viktoriia, „a většinu času také spoustu vzorků, které čekají na testování.“

Věda za jednotlivými daty

Samotné testování je ale jen jednou částí celého procesu. Výzkumníci pak tráví podstatnou část svého času následnou analýzou výsledků.

„Po měřeních zpracovávám a vyhodnocuji získaná data, porovnávám je s předchozími výsledky a píšu závěry,“ vysvětluje Michaela. „Snažím se pochopit, zda se vlastnosti materiálu změnily, jakým směrem se v konkrétním bodě testování ubírá – a následně celkově přemýšlíme nad tím, co to znamená pro daný projekt.“

Tato fáze často určuje směr následných experimentů. „Porovnáváme výsledky, hledáme trendy, hodnotíme, jak se vlastnosti materiálu po našich úpravách změnily a připravujeme závěry pro další vývoj,“ dodává Michaela.

Krok za krokem ke zlepšování materiálů

„V materiálovém inženýrství je vývojový proces velmi repetitivní,“ uvádí Michaela. „Upravujete recepturu, měníte procento přísad nebo plniv, testujete materiál znovu, znovu pak také vyhodnocujete upravené výsledky,... a tímto způsobem pokračujete v postupném zlepšování.“

Výzkumníci často tráví týdny (a mnohdy i měsíce) dolaďováním receptur, kde i malé změny mohou mít výrazný vliv na finální vlastnosti. I když je tento proces náročný, patří k těm nejhodnotnějším stránkám celé profese.

„Není to vždy rychlý proces, někdy je naopak dost časově náročný,“ říká Michaela. „Já osobně však miluji tu kombinaci praktického testování, řešení problémů a vědeckého myšlení.“

Každé kolo těchto experimentů totiž přibližuje tým Polymer Nano Centra k materiálu, který funguje stále lépe, až nakonec splní požadavky daného zákazníka.

Z laboratoře ke koncovému produktu

Nejdůležitější a nejvíce uspokojivou částí nanomateriálového výzkumu je však možnost vidět to, jak se laboratorní práce promění v praktické výsledky.

„Pracujeme na materiálech, které se nakonec používají v reálných produktech a v přímém průmyslovém využití,“ říká Michaela. „Pro mě osobně je velmi motivující vidět, jak laboratorní testování, analýza dat a naše týmová spolupráce postupně vedou k lepším, odolnějším a celkově pokročilejším polymerovým materiálům.“

Většina lidí nikdy ani neuvidí laboratoř, kde se takový nový materiál vyvíjí. Setkají se pouze s hotovým výrobkem: silnější součástkou, trvanlivějším materiálem nebo polymerem s vlastnostmi, které dříve třeba ani neexistovaly.

Nevidí ten nespočet testů, diskusí, úprav a analýz, díky kterým byla tato vylepšení možná.

Pro výzkumníky z Polymer Nano Centra je právě tento proces jejich denním chlebem. Každý den proměňují své nápady v data, data ve znalosti a znalosti v materiály, které mohou výrobci skutečně využít. Je to precizní, často repetitivní a občas i dost náročná práce, která ale nakonec vždy směřuje k praktickým výsledkům sahajícím daleko za hranicemi laboratoře.

Photo credit: Vecteezy, Vecteezy, Polymer Nano Centrum, Polymer Nano Centrum, & Polymer Nano Centrum