Przełomowe wynalazki nie zawsze są widoczne gołym okiem. Nanotechnologia, czyli interdyscyplinarna dziedzina nauki zajmująca się tworzeniem struktur na poziomie pojedynczych atomów i cząsteczek, to obecnie tzw. buzzword. Remedium na problemy, z którymi ludzkość boryka się już od dłuższego czasu, powoli dojrzewa za sprawą postępu technologicznego, coraz nowocześniejszych urządzeń oraz technik.
“Inno thinking. Fizyka dla społeczeństwa”, cykliczna konferencja odbywająca się w IF PAN stała się doskonałą okazją do zapoznania się z obiecującymi projektami, których sedno stanowią nanopowłoki. Zostały już zauważone i docenione przez globalną naukową społeczność. Są praktycznie na ostatniej prostej do komercjalizacji. Brakuje jak zwykle kapitału i odważnych, którzy chcą naprawić świat. A jest nad czym pracować.
Co motywuje naukowców? Jak u Hitchcocka: trzęsienie ziemi, a potem napięcie rośnie
Jak twierdził Stephen Hawking, wybitny brytyjski fizyk teoretyczny, już w latach 50. XXI wieku rozpocznie się proces wymierania ludzkości. Paradoksalnie możemy stać się cywilizacją, która wyginie w wyniku rozwoju cywilizacji. Skąd takie czarne perspektywy? Wystarczy spojrzeć na skalę zanieczyszczenia środowiska naturalnego. Rocznie na całym świecie skażenie powietrza powoduje 6 mln zgonów (w samej Europie około 600 tys.).
Szacuje się, że w Polsce z tego samego powodu rocznie może umierać nawet 47 tys. osób. Na liście 50 najbardziej zanieczyszczonych miast w Europie aż 33 pozycje są z Polski. Złe powietrze oznacza m.in. zwiększone ryzyko nowotworów. Następne dwie dekady mogą przynieść nawet 70-procentowy wzrost liczby nowych przypadków. Już teraz na całym świecie na raka umiera rocznie 8,2 mln ludzi. Średni czas życia stopniowo się kurczy.
Dodatkowo przegrywamy wojnę z bakteriami. Antybiotyki, które od dziesięcioleci pomagały nam z nimi walczyć, już nie wystarczają. Starzejące się społeczeństwo będzie dotykać coraz częściej osteoporoza, według WHO to już choroba cywilizacyjna XXI wieku, trzecia w liczbie zgonów. Częściej łamiemy kości, co powoduje konieczność stosowania implantów. A wtedy otwiera się kolejna puszka Pandory.
No to po kolei. Pierwszy z dwóch dni “Inno thinking. Fizyka dla społeczeństwa” został poświęcony tematyce nanopowłok. Naukowcy zaprezentowali trzy projekty mające zastosowanie w redukcji zużycia energii, pokryciach antybakteryjnych oraz zwiększeniu trwałości implantów. Wszystkie są efektem programu “Inkubator Innowacyjności 4.0” realizowanego przez Ministerstwo Edukacji i Nauki. Dla opisanych rozwiązań zostały już złożone wnioski do urzędu patentowego.
Projekt 1: Warstwy tlenkowe osadzane metodą ALD jako pokrycia termoizolacyjne szyb
Walka o lepszy klimat wymaga redukcji zapotrzebowania na energię. Okazuje się, że najwięcej elektryczności pochłania ogrzewanie przestrzeni (aż 62,8%). Dla porównania oświetlenie i zasilanie dla urządzeń elektrycznych wymaga jedynie 14,5%. Mniej więcej tyle samo potrzeba do podgrzewania wody (15,1%).
Receptą na ograniczenie zużycia energii potrzebnej do ogrzewania powierzchni jest termomodernizacja budynków. Jednak nadal sporo energii cieplnej tracimy przez okna, szczególnie za sprawą promieniowania podczerwonego. Komercyjnie stosuje się już specjalne folie blokujące podczerwień. Są one montowane w szybach zespolonych, ale wymagają szczelnej warstwy ochronnej, a ich trwałość pozostawia wiele do życzenia.
Celem naukowców stało się zatem opracowanie rozwiązania umożliwiającego wysoką transmisję światła w paśmie widzialnym, niską przepuszczalność promieniowania podczerwonego, przy jednoczesnym wydłużeniu trwałości takiej powłoki. Sposobem na to okazała się warstwa na bazie tlenku cynku (ZnO) produkowana metodą ALD (ang. Atomic Layer Deposition – osadzanie warstw atomowych).
W skrócie polega ona na wzroście warstw atomowych z fazy gazowej. Wymagają one komór zwanych też reaktorami, w których w warunkach próżni nanosi się na daną powierzchnię (w tym wypadku szybę) pożądane składniki. Od samego początku rozwiązanie ma charakter przemysłowy i może być stosowane na dużą skalę.
Po wstępnych testach okazało się, że domieszkowanie glinem warstwy blokującej podczerwień pozwala osiągnąć parametry oferowane przez folie komercyjne i to bez żadnej warstwy ochronnej. Do tego ich wytrzymałość jest wręcz fenomenalna. Pierwsze eksperymentalne warstwy mają już ponad 10 lat i od tamtego czasu nie zmieniły swoich właściwości. Co ciekawe, można je również stosować na już istniejących oknach.
Projekt 2: Metoda modyfikacji farb i lakierów w celu uzyskania właściwości antybakteryjnych
W dobie pandemii COVID-19 problem bakterii osadzających się na powierzchniach i przedmiotach w miejscach publicznych przybrał na znaczeniu. Bakteryjne zakażenia układu oddechowego poza szpitalem najczęściej powodują pneumokoki. Źródeł bakteryjnych infekcji może być wiele: banknoty, dokumenty, powierzchnie w środkach komunikacji miejskiej czy właśnie szpitalach.
Na rynku istnieją już co prawda farby i lakiery zawierające powłoki antybakteryjne, ale wykorzystują one metale szlachetne (srebro i miedź). Niestety nie są to substancje całkowicie bezpieczne dla człowieka i środowiska. Naukowcy IF PAN proponują alternatywę bazującą na polimerach i nanotechnologii. Ich farby i tusze zawierają nanocząstki tlenkowe (tlenki tytanowców używane dotychczas przy żywności oraz w implantologii), których długofalowe bezpieczeństwo dla ludzi zostało potwierdzone.
Udało się uruchomić pilotaż na zlecenie jednej z drukarni, która do eksperymentu dostarczyła własny tusz. Testy rozwiązania wykazały wysoką skuteczność antybakteryjną, szczególnie w likwidacji bakterii szpitalnych, odporność na ścieranie i brak zauważalnych ludzkim okiem zmian w palecie kolorów. Pomysł jest tani w produkcji i nadaje się do stosowania na skalę masową.
Projekt 3: Nanopowłoki tlenków metali do zastosowań w implantologii dla pacjentów z osteoporozą
Okazuje się, że fizyka w znacznym stopniu definiuje rozwój implantologii. Typowy implant stawu biodrowego zazwyczaj jest zbudowany ze stopu tytanu, stali austenitycznej oraz stopów chromu i kobaltu. Z implantami metalowymi wiąże się jednak ryzyko korozji, po którym następuje dyfuzja jonów metalu. To z kolei powoduje infekcje bakteryjne (pierwotne i wtórne), stany zapalne rany operacyjnej, a ostatecznie prowadzi do niestabilnego kościozrostu. Konieczne bywają też ponowne operacje, przy których kości ulegają dalszej redukcji.
Projektowanie nowych materiałów z wykorzystaniem nanotechnologii to zadanie dla fizyków. Ale nie jest to takie banalne. Powierzchnie metalowego implantu kostnego powinny być m.in. mikrochropowate, dzięki czemu komórki kostne lepiej wrastają w jego powierzchnię. Do tego dochodzą powłoki barierowe, antybakteryjne, przeciwzapalne, pre-osteogenne i pro-apatytowe (dwie ostatnie wspomagają proces gojenia się tkanki kostnej).
Wyzwaniem stało się stworzenie jednej powłoki spełniającej wszystkie wymienione funkcje, a jednocześnie bezpieczniej i taniej w produkcji. Naukowcy IF PAN proponują wykorzystanie wspomnianej już technologii ALD. Jest ona już powszechnie wykorzystywana m.in. w fotowoltaice, elektronice, optoelektronice, a coraz częściej zaczyna być doceniana w biologii oraz medycynie.
Co ciekawe, początkowa motywacja do tych badań była nieco inna – lekooporność drobnoustrojów chorobotwórczych. Rocznie z powodu lekooporności umiera 5 mln osób, z czego 700 tys. z braku antybiotyków. Szacuje się, że do 2050 roku z tego powodu będziemy notować rocznie 10 mln zgonów. Z powodu braku skutecznej lekoterapii, co kwadrans umiera ktoś w USA. WHO kwalifikuje lekooporność jako jedno z 10 największych zagrożeń zdrowia społecznego.
W Polsce aż połowę terapii antybiotykowych (a rocznie jest ich 67,5 mln) stosuje się nieefektywnie. Antybiotyki bierzemy za często, a jednocześnie za krótko. Z kolei nowych antybiotyków mamy obecnie zdecydowanie za mało. Ich rozwój jest procesem żmudnym i długotrwałym. Drastycznie skraca się czas potrzebny bakteriom do nabycia lekooporności.
Kolejny problem to wspomniane już starzejące się społeczeństwo, w którym osteoporoza, czyli choroba wpływająca na gęstość kości, dotyka już 200 mln osób. Jej częstym skutkiem są właśnie złamania. Jak twierdzą naukowcy IF PAN, samymi antybiotykami tej wojny nie wygramy.
Tymczasem antybakteryjne właściwości powłok tlenkowych uzyskiwanych w technologii ALD udało się udowodnić już w 2017 roku. Badania IF PAN przeprowadzone dwa lata później potwierdziły właściwości przeciwzapalne, a także selektywny wpływ na osteoblasty i osteoklasty. W tym roku przetestowano samoistne osadzanie się apatytu biologicznego na powłokach ALD. W ramach prac przed wdrożeniowych Inkubator 4.0 udało się też przeprowadzić pomyślnie testy w warunkach symulujących środowisko fizjologiczne.
Czytaj też: Jakie są najrzadsze minerały na świecie? Niektóre z nich znajdziemy nawet na południu Polski
Badania wykazały, że powłoki ALD samoistnie promują osadzanie się składnika nieorganicznego kości. W czym tkwi przełom? W projekcie IF PAN wykorzystano tlenek hafnu (HfO2). Materiał, który zrewolucjonizował elektronikę, nie był dotychczas znany ze swoich właściwości w zakresie samoistnego tworzenia apatytu. Czy stanie się przełomem również w dziedzinie implantologii? Musimy jeszcze uzbroić się w cierpliwość, ale pierwsze wyniki badań wyglądają obiecująco.