Výskumné oblasti OKM

Elektricky vodivé kompozity a nanokompozity
Bežne používané polyméry sa vyznačujú veľmi nízkou hodnotou tepelnej a elektrickej vodivosti. Avšak mnoho priemyselných aplikácií, napr. výmenníky tepla, dosky plošných spojov, teplotne závislé rezistory a senzory, elektrovodivé materiály pre elektromagnetické tienenie, atď. vyžadujú zvýšenie tepelnej a elektrickej vodivosti použitých materiálov. Na získanie materiálu s vhodnými elektrickými vlastnosťami sa dajú použiť popri klasických elektrovodivých plnivách ako sú sadze a grafit aj účinnejšie elektricky vodivé plnivá najmä uhlíkové nanotrubičky a grafén, ktoré sa v OKM pripravujú a dlhodobo študujú.

Ťahové a chemické senzory na báze vodivých nanokompozitov sa pripravili použitím rôznych polymérnych matríc (PVDF, SBR, SEBS-MAPEG) a mnohostenných uhlíkových nanotrubičiek (MWCNT), alebo sadzí. Deformačné snímanie vodivých vzoriek bolo študované pomocou in-situ meraní elektrických vodivostí počas ťahového zaťaženia. Pripravené nanokompozity na báze PVDF matrice je možné použiť ako senzory na indikáciu zmeny rozmerov alebo indikáciu deformácie.

Elektricky vodivé polymérne kompozity sa testovali aj ako plynové senzory. Porovnali sa senzorické odozvy týchto materiálov na prítomnosť pár rôznych organických rozpúšťadiel ako sú toluén, chloroform, THF a ďalšie. Keďže všetky pripravené SBR kompozity sú buď zosieťované alebo amfifilné, nepodliehajú znehodnoteniu vplyvom organických rozpúšťadiel a preto je možné ich použiť opakovane ako ochranné alarmy alebo jednoduché senzory na prítomnosť plynov organických rozpúšťadiel a na monitoring priemyselných priestorov.

Aktuátory sa v OKM študovali v rámci projektu 7RP NOMS. Výskum bol zameraný na prípravu nanokompozitov s elastomérnou matricou (kopolymér styrén-izoprén-styrén, alebo etylén-vinyl acetát, atď.) s obsahom MWCNT. MWCNT sa modifikovali nekovalentným spôsobom pomocou rôznych tenzidov, aby sa dosiahla dobrá dispergácia nanoplniva v matrici. Vyvinuli sme taktiež niekoľko originálnych metód na štúdium sledovania aktuácie pripravených nanokompozitov. Merania ukázali bimodálnu a plne vratnú odozvu pre testované vzorky nanokompozitov vo forme pásikov po ožiarení LED diódou, v závislosti od spôsobu ich prípravy.

Multifunkčné kompozity s vynikajúcimi elektrickými a mechanickými vlastnosťami použitím nových 2D nanočastíc MXénov ako plnív do polymérnych matríc sa pripravujú v rámci projektu Horizon NANO2DAY. Vývoj nových kompozitov bude smerovať k použitiu týchto materiálov pre flexibilnú elektroniku a pokročilé konštrukčné komponenty, napr. pre veterné elektrárne, komponenty pre elektromagnetické tienenie a pod.

Značná pozornosť sa venuje vodivým polymérom a nanočasticiam na báze uhlíka pre ich pozoruhodné fyzikálne a chemické vlastnosti. Z vodivých polymérov sa v oddelení študujú najmä polypyrol (PPy), polytiofén a polyanilín. Náš výskum sa zaoberá spôsobmi, ako kombinovať vodivé polyméry s inými polymérmi, organickými alebo anorganickými substrátmi, s cieľom vytvoriť nový druh materiálov pre aplikácie v nových typoch zariadení. Koloidné disperzie polypyrol-nanočastice striebra pripravené jednostupňovou oxidáciou pyrolu s dusičnanom strieborným v roztokoch poly (N-vinylpyrolidónu) alebo poly(vinyl alkoholu) sa testovali ako vodivé atramenty.

V poslednom období sa pripravili stabilné hybridné elektródy na báze PPy a uhlíkových nanočastíc (uhlíkové nanotrubičky, grafén) a testovali sa v aplikáciách pre solárne články. Chemickou a elektrochemickou polymerizáciou sa pripravili tenké hybridné filmy PPy/uhlíkové nanočastice, ktoré boli testované ako náhrady štandardných Pt protielektród v solárnych článkoch. So vzorkami PPy/MWCNT pripravenými elektrochemickou polymerizáciou sa dosiahli najlepšie výsledky pri použití aniónovej povrchovo aktívnej látky (dodecylbenzén sulfonátu sodného) počas polymerizácie. Široká medzinárodná spolupráca má za cieľ prípravu stabilných solárnych článkov na báze perovskitových štruktúr, kde predpokladáme aj využitie nami vyvinutých hybridných kompozitov na báze zmesí vodivého polyméru a uhlíkových nanočastíc.

Grafénoxidová multifunkčná nanoplatforma (GO-MFN) pre detekciu nádorových buniek sa v OKM pripravuje v spolupráci s ďalšími partnermi zo SAV. V prvom kroku sa pripravili GO nanovrstvy veľkosti 300 až 500 nm, ktoré boli funkcionalizované magnetickými nanočasticami a monoklonovou protilátkou (MAb) špecifickou pre marker CA IX. Následne sa GO platformy charakterizovali z hľadiska oxidácie, veľkosti nanočastíc a ich exfoliácie, za použitia rôznych fyzikálnych a chemických metód. Magnetické nanočastice (MNPs) boli pripravené metódou chemického zrážania a následne modifikované D,L-lyzínom (DLL). Protilátka špecifická pre CA IX bola pripojená prostredníctvom amidovej väzby na magnetické nanočastice, ktoré boli opäť konjugované na GO platformu prostredníctvom amidovej väzby. Po vykonaní toxikologických testov na B16-F0 bunkovej línii nebol zistený žiadny účinok cytotoxicity GO-MFN. Bola demonštrovaná selektivita platforiem GO-MNps-MAb k zacieleniu nádorových buniek. Výsledky projektu poskytli sľubný dôkaz zacielenia nádorových buniek so širokým potenciálom pre vizualizáciu a budúcu liečbu nádorov.
OKM spolupracuje aj na vývoji inovatívnych 2-rozmerných multifunkčných nanoplatforiem na báze MoS2 pre detekciu nádorových buniek a ich liečbu.

Biodegradovateľné a kompostovateľné plasty
Oddelenie má dlhodobé skúsenosti a dosiahlo významné výsledky aj v oblasti materiálov na báze biodegradovateľných plastov. Cieľom je získať nové materiály, potenciálne využiteľné pre vysokotonážne aplikácie najmä v obalovom priemysle. Za významný výsledok možno považovať vyvinutie biodegradovateľnej zmesi kyselina polymliečna/polyhydroxybutyrát s výrazne vyššou húževnatosťou v porovnaní s inými materiálmi podobného zloženia popísanými vo vedeckej i patentovej literatúre. Táto zmes, pripravená v spolupráci s FCHPT STU, získala patentové krytie v EU a ďalších krajinách (napríklad Čína, Rusko, Korea, Singapúr a Japonsko) a v r. 2020 sa začína výroba granulátu na Slovensku v poloprevádzkovom rozsahu.
Výskum biodegradovateľných plastov pokračuje aj s cieľom vývoja materiálov použiteľných v poľnohospodárstve ako mulčovacie fólie rozložiteľné kompostovaním. V spolupráci so Slovenskou poľnohospodárskou univerzitou v Nitre boli tieto materiály vo forme fólií aplikované priamo pri pestovaní paprík, kde sa pozoroval pozitívny efekt nielen na veľkosť plodov ale aj na celkový objem úrody. Zaviedli sa ďalšie metódy charakterizácie, zamerané na podrobnejšie sledovanie kinetiky a stupňa rozkladu vyvinutých materiálov v rozličných prostrediach, vrátane kompostu
V poslednom čase so štúdium biodegradovateľných plastov zameriava aj na základný výskum v rámci modifikácie a prípravy termoplastického škrobu s cieľom jeho možného využitia jednak vo forme prímesí do biodegradovateľných plastov najmä z ekonomického hľadiska, ale aj ako základnej biopolymérnej matrice pre prípravu materiálov s vyššou pridanou hodnotou. Pre tento účel sa intenzívne študujú aj možnosti kombinácie biodegradovateľných plastov a biopolymérov s prímesou nanočastíc a iných plnív za účelom prípravy špeciálnych materiálov s požadovanými vlastnosťami.

Antibakteriálne materiály
Materiály na báze kvantových bodiek
Nedávno bola syntetizovaná trieda uhlíkových nanočastíc, vyznačujúca sa výrazne vyššou chemickou inertnosťou a biokompatibilitou ako konvenčné polovodičové kvantové bodky, a to uhlíkové kvantové bodky (CQD). CQD sú účinným zdrojom singletového kyslíka, ktorý je produkovaný po ich ožiarení svetlom a narúša bakteriálne membrány vo veľmi krátkom čase. V OKM sa študujú vlastnosti pripravených CQD, napríklad fotoluminiscencia, schopnosť produkovať singletový kyslík a ďalšie fyzikálno-chemické vlastnosti. V oddelení sme vyvinuli hydrofóbne CQD, ktoré nereagujú s tekutinami v ľudskom tele, sú netoxické pre živé organizmy a vyznačujú sa biologickou aktivitou riadenou svetlom. Tieto CQD o veľkosti 5 – 15 nm sa následne zabudovali do polymérov, ktoré sa používajú v medicíne alebo na povrchovú úpravu textílií, okien, stien a iné. Takto sa získali polymérne kompozity s kontrolovanou antibakteriálnou aktivitou na trvácnych polyméroch, ktoré môžu byť úspešne použité na podlahové krytiny a obkladanie stien v nemocniciach, kde antibakteriálne pôsobenie bude riadené počtom LED diód počas pracovného času.

Príprava antibakteriálnych polymérnych povrchov pôsobením nízkoteplotnej plazmy. Adhézia baktérií k povrchom polymérov je sprostredkovaná fyzikálno-chemickými interakciami medzi bakteriálnym kmeňom a povrchom polyméru a závisí od typu bakteriálneho kmeňa, chemického zloženia polyméru, drsnosti, zmáčavosti, povrchového náboja a hustoty. Po modifikácii nízkohustotného polyetylénu (LDPE) mikrovlnnou plazmou nasledovala funkcionalizácia polyméru pomocou N-alylmetylamínu sprevádzaná tvorbou kefiek. Vybrali sa tri fluórchinolóny, a to enrofloxacín, lomefloxacin a sparfloxacín, ktoré boli imobilizované na povrch polyméru, čím vznikla aktívna antibakteriálna vrstva pôsobiaca proti nozokomiálnym infekciám. Antibakteriálny účinok imobilizovaných enroflaxocínových vzoriek bol vyhodnotený ako najlepší nezávisle od pH. Vzorka sparfloxacínu vykazovala síce najnižší antibakteriálny efekt proti E. coli, ktorý bol aj tak približne 20-krát vyšší ako dosahovala referenčná vzorka nemodifikovaného LDPE.

Cielený výskum

Materiály pre 3D tlač
3D tlač je aditívny proces, pri ktorom sa z digitálnej predlohy postupne vytvára z vrstiev 3D objekt. Táto metóda sa v súčasnosti najčastejšie používa najmä na výrobu funkčných súčiastok, keď roztavený termoplastický materiál sa postupne nanáša vrstva po vrstve, čím dochádza k vytvoreniu trojrozmerného predmetu. Výhodou technológie je možnosť výroby viacfarebných výtlačkov, keďže tlačiarenské zariadenie môže obsahovať viac dýz. V OKM sa pripravujú rôzne polymérne kompozity s plnivami na báze uhlíka alebo prírodných minerálov, z ktorých sa následne vyrábajú tzv. struny – materiál, ktorým sa tlačí. Novovyvinuté kompozitné struny majú vyššiu pevnosť, nižšiu hustotu a cenu. Plnivo, ktoré pôsobí ako mazivo, znižuje abrazívne vlastnosti, zlepšuje reologické vlastnosti materiálu a dodáva strunám aj 3D objektom jemnú štruktúru. Vďaka vysokej tepelnej vodivosti nie je potrebné meniť teplotné parametre tlačenia.

Nové typy nanovlákien pripravené metódou elektrostatického zvlákňovania
Metódou elektrostatického zvlákňovania sa pripravili nanovlákna vo forme netkaných textílií na báze etylénvinylacetátového kopolyméru a kyseliny polymliečnej, ďalej polyvinylpyrolidónu (PVP) s obsahom polysacharidu tragantovej gumy a kompozity polykaprolaktón/polypyrol (PCL/PPy). Pre prípravu vodivých PCL/PPy vlákien sa použil originálny postup, ktorým sa elektricky vodivé netkané textílie pripravili s rôznymi pomermi PCL k pyrolovému monoméru. Pripravené nanovlákna boli homogénne potiahnuté polypyrolom a vzorky obsahujúce najmenej 40 hmotnostných % vodivej zložky dosiahli elektrickú vodivosť vyššiu ako 1 S/cm. Vzhľadom na to, že bola dokázaná ich biokompatibilita, môže tento materiál nájsť použitie v bioelektronike.

Využitie špičkových a unikátnych zariadení pre štúdium viacfázových materiálov s polymérnou matricou.
Vhodnou metódou na povrchovú charakterizáciu rôznych materiálov je röntgenová fotoelektrónová spektroskopia (XPS). XPS sa využíva na analýzu pevných povrchov, tenkých filmov, práškových materiálov ale aj na mapovanie znečistenia povrchov a korózie, charakterizáciu povrchových defektov, oxidových vrstiev a charakterizáciu povrchových úprav. XPS analýza poskytuje chemické zloženie povrchov a chemickú charakterizáciu upravovaných polymérnych materiálov, zloženie hĺbkových profilov viacvrstvových materiálov a medzifázovú analýzu.
Nanoindentor je schopný vykonávať rôzne kvázistatické indentačné analýzy s možnosťou automatizácie meraní pri veľmi nízkom zaťažení. Používa sa na charakterizáciu mikrotvrdosti tenkých vrstiev. Prístroj vykonáva meranie hĺbky preniknutia hrotu v priebehu jeho zaťažovania a následného odľahčenia. Významným prínosom pri meraní nanoindentorom je možnosť výpočtu modulu pružnosti tenkých vrstiev.
Zmáčavosť povrchu modifikovaných substrátov kvapalinou sa posudzuje na základe analýzy kontaktného uhla, ktorého hodnota charakterizuje hydrofóbnosť/hydrofilnosť povrchu materiálov a súčasne umožňuje výpočet voľnej povrchovej energie a jej polárnej a disperznej zložky.
Širokopásmový dielektrický spektrometer je vysokovýkonný systém pre frekvenčný rozsah od 3 μHz do 20 MHz (12,5 dekády) založený na modulárnom meracom systéme Alpha-A pre meranie dielektrík, elektrickej vodivosti, elektrochemickej a impedančnej spektroskopie s niekoľkými testovacími rozhraniami. Komplementárnou metódou je Dynamicko-mechanická analýza (DMTA), ktorou možno získať kvantitatívne údaje o teplote sklovitého prechodu, štruktúre zmesí najmä z hľadiska miešateľnosti zložiek a dynamiky amorfnej fázy nekryštalických alebo semikryštalických polymérov.
OKM disponuje ďalšími technikami na charakterizáciu fyzikálnych a chemických vlastností materiálov, ako je napríklad dynamometer Instron, zariadenie na testovanie mechanických vlastností širokého sortimentu materiálov, či prístroj na meranie reologických vlastností polymérnych materiálov. Detailný popis prístrojovej techniky je na polymer.sav.sk/OKM-Equipments.