Świat nauki zna już materiały, które pod wpływem odkształceń mechanicznych – takich jak nacisk czy zginanie – wytwarzają prąd elektryczny. Zjawisko takie nazywamy piezoelektrycznym i wykorzystujemy m.in. w zapalniczkach. Od kilkunastu lat jednak naukowcy zmagają się z tym, jak z takich materiałów zbudować elastyczne elementy.

Jak się okazuje, odpowiedź tkwi w nanoskali, a właściwie nanoskali wyniesionej do skali makro. Kluczem do sukcesu okazały się druciki 5 tys. razy cieńsze od ludzkiego włosa. Ściślej mówiąc, miliony takich drucików, z których utkali wynalazek naukowcy z Politechniki Śląskiej (PŚ).

Materiały piezoelektryczne, takie jak kwarc, można poddać naciskowi, ale nie da się ich zgiąć albo zwinąć w rulon – przynajmniej w skali makro. Furtkę stanowi przejście do skali nano: potencjalnie z setek tysięcy takich mikroskopijnych elementów można byłoby uzyskać elastyczny przedmiot. Od razu jednak musimy zmierzyć się z problemem: jak manipulować takimi nanodrutami? Układać je obok siebie jeden przy drugim? – One mają grubość kilkudziesięciu atomów, więc nie można ich po prostu wziąć w rękę i coś z nich skręcić. Do ich obserwacji potrzebny jest mikroskop elektronowy, ale nawet wówczas operujemy na poziomie pojedynczych sztuk, a nie setek tysięcy. Do tego są one bardzo wrażliwe na działające na nie siły, więc łatwo można je uszkodzić – tłumaczy dr inż. Wiktor Matysiak z PŚ.

Potrzebna więc była metoda, która zapewniłaby precyzyjną kontrolę ułożenia tysięcy nanodrutów – przekładanie jednego po drugim nie wchodziło w grę. Na świecie zaczął się naukowy wyścig o to, kto pierwszy sobie z tym poradzi. Pierwsze publikacje na ten temat pojawiły się dopiero w 2006 r. W ubiegłym roku było ich już 200.

Jak zapewnia dr Matysiak, technologia opracowana przez śląski zespół (w którego skład wchodzą także prof. Tomasz Tański, prof. Marian Nowak oraz dr Piotr Szperlich) jest najlepsza na świecie. – Spędziliśmy w laboratorium dwa lata, budując odpowiednie modele i dobierając parametry całego procesu. Ale warto było: obecnie nikt na świecie nie potrafi tego, co my – mówi Matysiak.

Rozwiązaniem okazała się znana od 1900 r., a relatywnie słabo wykorzystywana metoda zwana elektroprzędzeniem (naukowcy tłumaczą, że nie istnieje nawet dobry model teoretyczny do opisu jej działania). Wykorzystuje ona urządzenie, które wygląda jak strzykawka wycelowana w obrotowy bęben. Do strzykawki wprowadzana jest odpowiednia mieszanina, wystrzeliwana następnie przez igłę w kierunku bębna pod wpływem działania wysokiego napięcia. Ponieważ struga roztworu jest bardzo cienka, rozpuszczalnik zastosowany do jego przygotowania odparowuje na drodze między igłą i metalowym bębnem. W efekcie na bębnie otrzymuje się włóknisty materiał składający się z polimerowych nanowłókien zawierających w swojej objętości nanodruty piezoelektryczne. Otrzymane w ten sposób nanowłókna są rozmieszczone równolegle względem siebie i są 500 razy cieńsze niż ludzki włos.

– Do tej pory podejmowano próby wykorzystania elektroprzędzenia do wytworzenia włókien zawierających w swojej objętości nanocząstki, ale kończyły się one niepowodzeniem. Przyjęło się uważać, że zawartość stosowanych nanostruktur w roztworze nie może przekraczać 10 proc. Nam udało się tę wartość podwyższyć aż ośmiokrotnie – cieszy się dr Matysiak.

Oczywiście wymagało to kilku rzeczy. Metodę wytwarzania nanodrutów opracował już wcześniej na Politechnice Śląskiej prof. Marian Nowak wraz ze współpracownikami z Zakładu Fizyki Ciała Stałego, Instytutu Fizyki Politechniki Śląskiej. Do tego dochodzą polimer i rozpuszczalnik, z którymi nanodruty miesza się za pomocą tzw. homogenizatora – urządzenia wykorzystującego ultradźwięki do uzyskania równomiernego rozkładu drucików w mieszaninie. Ta mieszanina trafia następne do strzykawki i po odparowaniu nawijana jest na bęben pod postacią nici. W efekcie powstaje materiał, który elastycznością (i w dotyku) przypomina bawełnę.

– Wystarczy, że naciśniemy palcem wycinek wielkości 5 na 10 mm, żeby otrzymać napięcie 2 V. To oznacza, że potencjalnie nasz wynalazek można byłoby zastosować jako źródło zasilania dla rozrusznika serca. Niezbędnego ruchu dostarczyłby kurczący się narząd – mówi Matysiak.

Eureka! DGP

Trwa szósta edycja konkursu „Eureka! DGP – odkrywamy polskie wynalazki”, do którego zaprosiliśmy polskie uczelnie, instytuty badawcze i jednostki naukowe PAN. Do 17 maja w Magazynie DGP będziemy opisywać wynalazki nominowane przez naszą redakcję do nagrody głównej, wybrane spośród 54 prac nadesłanych przez uczelnie oraz instytuty.

Rozstrzygnięcie konkursu nastąpi 22 maja podczas kongresu Impact'19 w Krakowie. Nagrodami są 30 tys. zł dla zespołu, który pracował nad zwycięskim wynalazkiem, ufundowane przez Mecenasa Polskiej Nauki – firmę Polpharma, oraz kampania promocyjna dla uczelni lub instytutu o wartości 50 tys. zł w mediach INFOR Biznes (wydawcy Dziennika Gazety Prawnej), ufundowana przez organizatora.