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.

>>> Czytaj też: Polscy producenci implantów chirurgicznych na czele postępu w medycynie 

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.

PiS liczy na szybki polityczny efekt