Zvětšit obrázek

Polyetylen – spletené řetězce uhlíků a vodíků kolonizují svět lidí: hračky, sáčky, obaly, potrubí...

Nejnovější číslo odborného časopisu Nature Nanotechnology uveřejnilo výsledky výzkumu typicky amerického čtyřlístku vědců se jmény Shen, Tong, Zheng, Chen a Henry (posledního prozrazuje křesní jméno Asegun), který dokázal v laboratořích MITu připravit polyetylénová nanovlákna s překvapivě vysokou tepelnou vodivostí, převyšující v této vlastnosti kovy jako železo, chrom, nebo kadmium a konkurující mosazi. V řeči čísel to zní takto: tepelná vodivost běžného polymeru se pohybuje v desetinách wattů na metr a kelvin (X x 0.1 W m⁻¹ K⁻¹). Novým nanovláknům vědci naměřili okolo 104 W m⁻¹ K⁻¹. Železo, nebo platina mají v porovnání s touto hodnotou jenom tříčtvrtinovou, hliník asi dvounásobnou tepelnou vodivost.

Zvětšit obrázek

Grafen – jednoatomární, čistě uhlíková vrstva s neuvěřitelnými vlastnostmi. Jeho tepelná vodivost je minimálně 12 krát vyšší než u mědi a asi 50 krát vyšší než u nových polyetylénových nanovláken. Na rozdíl od nich má i extrémně dobrou elektrickou vodivost.

To zajišťuje novému materiálu absolutní prvenství mezi polymerními umělými hmotami. Dosavadní pokusy kombinující různé polymery s jinými látkami, jako jsou například uhlíkové nanotrubičky, nebyly příliš úspěšné, protože na rozhraní obou materiálů dochází k rozptylu tepla a to brzdí jeho přenos. Možná se to i tak nezdá být ničím převratným, ale když k tomu připočteme, že si polyetylénová vlákna uchovávají své elektroizolační schopnosti, pak již jejich příští kariéra vypadá nadějněji. Navíc se jimi dá regulovat směr, kudy se má teplo odvádět, protože na rozdíl od kovů, kterými se šíří všemi směry, ony ho odvádějí jenom podélně.

Celé tajemství nových vlastností se samozřejmě ukrývá ve vnitřní stavbě a ta závisí od technologie výroby. Což ale není až tak složité – jde o dvojnásobné vytahování vláken. Vědci za tepla opatrně vytáhli z horkého rozpuštěného plastu rovnoběžná základní vlákna, která pak nahřáli a napínali, přičemž jejich vnitřní strukturu kontrolovali metodou mikroskopie atomárních sil.

Tahem dosáhli, že se molekulární polymerové řetězce uspořádaly rovnoběžně. Toto umravnění původního chaosu navzájem spletených vláken, typického pro běžný plast, 300 násobně zvýšilo schopnost v podélném směru přenášet teplo.

Zvětšit obrázek

Na horním obrázku jsou řetězce molekul polyetylenu chaoticky spletené tak jak bývají v běžném plastu. Vznikají prázdné prostory, které brzdí přenos tepla (znázorněné tmavými skvrnami). Čím víc jsou polymerní vlákna uspořádanější rovnoběžně vedle sebe, tím lépe vedou v podélném směru teplo. Kredit: Gang Chen

Podobá se to lidskému řetězci při hašení požáru pomocí věder. Nejefektivněji funguje, když všichni stojí v řadě v stejnoměrných rozestupech a otočeni jedním směrem. A když je takových řad více, nesmí se navzájem ledabyle křížit.

Je pochopitelné, že tvůrci nanovláken předpovídají svému polyetylenovému vynálezu skvělou budoucnost zejména v elektrotechnice, kde se mohou naplno uplatnit elektroizolační a teplovodivé vlastnosti zároveň. Materiál lze použít do teploty 80 ^oC, což je pro většinu použití postačující. Navíc je odolný vůči mnohým kyselinám i zásadám.

Ale… Ale zatím jsou to doslova jenom 50 až 500 nanometrů tenounká vlákna s délkou měřenou v milimetrech až v desítkách milimetrů. A tak, jak již to v případech zatím čistě laboratorních výzkumů bývá, vědci doufají, že se jim ho podaří dotáhnout k úspěšnému praktickému využití, v tomto případě, že dokážou vytvořit materiál se stejnými vlastnostmi, ale mnohem větších rozměrů a rozmanitějších tvarů.

Zdroje:  MIT news, Nature Nanotechnology