Nanomateriały jako powłoki ochronne szyte na miarę

Pandemia COVID-19, pomimo tego, iż wybuchła ponad dwa lata temu, jest uważana przez WHO jako nadal trwające zagrożenie zdrowotne jakie dotyczy populacji na całym świecie.

Pandemia ta będąc przede wszystkim kryzysem humanitarnym, pociągnęła za sobą równie poważne implikacje społeczne i gospodarcze. Działania banków centralnych nie uratowały nas przed koronawirusem i prawdopodobnie nie uratują nas również przed nowymi epidemiami chorób zakaźnych, gdyż polityka pieniężna jest całkowicie bezsilna wobec towarzyszących im szoków podażowo-popytowych. Międzynarodowy Fundusz Walutowy przewiduje, że obecny kryzys będzie kosztować światową gospodarkę 12,5 biliona dolarów do 2024 roku.

Czy w wyprostowaniu tej pokręconej rzeczywistości, w której rządzi reżim sanitarny, lockdowny i niepokój o przyszłość, oprócz kompleksowych działań przemysłu farmaceutycznego, pomóc nam może również zaawansowana inżynieria materiałowa? Wszystko wskazuje na to, że tak.

Dwa tygodnie temu, 5 lipca, w Ufficio Primo w Warszawie odbyła się finałowa gala XXIV Edycji Konkursu Polski Produkt Przyszłości, gdzie nagrodę w kategorii „Produkt wspólny instytucji szkolnictwa wyższego i nauki oraz przedsiębiorcy” otrzymała innowacyjna technologia bioaktywnych cząstek nanokompozytowych, którą opracowała dr hab. inż. Agnieszka Maria Jastrzębska i która następnie została wdrożona przez ADJ Nanotechnology, spółkę celową spin-off we własnej praktyce produkcyjnej.

Jest to unikalne rozwiązanie technologiczne deep-tech, oparte na inżynierii nanostruktur, które polega na dowolnym łączeniu różnych rodzajów nanokomponentów (ceramicznych, metalicznych) w trwałym układzie nanokompozytowym. Takie cząstki można nazwać produktem 2 w 1, ponieważ łączą w jednej strukturze zarówno nanosrebro, jak i nanomiedź utrzymywane w całości osnową ceramiczną.

Trwałe połączenie pomiędzy nanokomponentami powstaje w trakcie procesu opartego na zachodzących jednocześnie reakcjach chemicznych. Tym sposobem bioaktywne nanocząstki nie oddzielają się od ceramicznej osnowy stabilizującej. Nie ma więcej emisji wolnych nanocząstek do otoczenia. Opracowane rozwiązanie jest też ekologiczne, wytwarzane w oparciu o nietoksyczne sole organiczne metali technikami „green chemistry”. Nie generuje też odpadów procesowych (zero waste).

W związku z unikatowymi właściwościami bioaktywnymi cząstek nanokompozytowych oraz ich stabilnością w lakierach, jako docelowe zastosowanie w przemyśle wybrano samosterylizujące powłoki ochronne. W pierwszej kolejności technologię zastosowano w branży poligraficznej do pokrywania wyrobów papierniczych i tekstylnych, a następnie jako dodatek do powłok z tworzyw sztucznych.

Takie powłoki można stosować w obiektach ochrony zdrowia, handlowych, rozrywkowych, edukacyjnych, restauracjach i kinach, gdzie gromadzi się duża liczba osób, stanowiąc zagrożenie epidemiologiczne. Jako przykład można podać branżę turystyczną i hotelarską, charakteryzującą się dużą dynamiką narażenia – opowiada prof. Jastrzębska

W efekcie uzyskania trwałego układu nanokompozytowego otrzymuje się unikatowe właściwości bioaktywne, tj. korzystne zniwelowanie właściwości cytotoksykologicznych i ekotoksykologicznych przy zachowaniu wysokiej skuteczności biobójczej, opartej na mechanizmie jonowym, przy znaczącej redukcji kosztów. Cząstki są też stabilne i bezpieczne, nieuwalniające szkodliwej frakcji nano. Uwzględniając rosnący popyt na produkty bezpieczne dla zdrowia, stale podsycany informacjami o wzrastającej liczbie zachorowań, a nawet zgonów wywołanych bakteriami coraz częściej uodparniającymi się na antybiotyki, produkty tradycyjne, na których gromadzą się duże ilości bakterii, stały się nieatrakcyjne oraz nieodpowiadające na potrzeby i oczekiwania świadomych użytkowników końcowych.

Cechy użytkowe cząstek nanokompozytowych ADJ radykalnie zmieniły dotychczasowe podejście do nanotechnologii oraz opracowywania powłok samosterylizujących. W przeciwieństwie do innych rozwiązań dostępnych na rynku, cząstki nanokompozytowe można dodawać do materiałów różnego rodzaju, gdzie zachowują swoją aktywność i zwiększają bezpieczeństwo użytkownika. W odróżnieniu do nietrwałych i szkodliwych układów srebra i miedzi, opartych na wolnych nanocząstkach lub powstałych przez ich proste zmieszanie, innowacyjne cząstki nanokompozytowe ADJ działają przeciwdrobnoustrojowo jedynie w formie jonowej. Są więc nie tylko bezpieczne dla otoczenia, ale działają równie efektywnie jako dodatek do rozmaitych materiałów, nadając im właściwości samosterylizujące.

Wykorzystywana przez start-up w produkcji własnej technologia zol-żel umożliwia spółce dużą elastyczność w doborze surowców do syntezy, natomiast sam proces można określić, jako tzw. one-pot, gdzie do mieszaniny reakcyjnej dodawane są poszczególne substraty reakcji. Umożliwia to uzyskiwanie nanoproszków o unikatowym składzie chemicznym i właściwościach. Do mieszaniny reakcyjnej można wprowadzać także inne surowce sypkie, które zostają następnie pokrywane nanocząstkami o składzie odpowiadającym zawartym w mieszaninie substratom. W ten sposób powstaje nanostruktura hybrydowa, której skład chemiczny i parametry można w łatwy sposób dopasować do szczegółowych wymagań odbiorcy końcowego.

Otrzymywane nanoprodukty można nazwać „szytymi na miarę”, posiadającymi unikatowe cechy funkcjonalne. Ograniczenie przy tym stanowi jedynie wyobraźnia twórców nanostruktury, konieczność zapewnienia konkretnych funkcjonalności oraz oczywiście koszty.

Tym samym proces wytwarzania nanomateriałów charakteryzuje wysoka innowacyjność. Przemawiają za tym: prosta koncepcja, elastyczność produkcji oraz praktycznie nieograniczona kombinacja możliwych składów chemicznych wytwarzanych nanoproduktów.

„Opracowane przez prof. Agnieszkę Jastrzębską nanomateriały mogą znaleźć zastosowanie nie tylko jako powłoki ochronne w ujęciu ogólnym. Mogą być stosowane wszędzie tam gdzie konieczne jest uzdatnianie wody i oczyszczanie ścieków, w filtracji powietrza i ochronie antysmogowej, jako środek do przedłużenia trwałości i żywotności materiałów konstrukcyjnych, do likwidacji odorów zwierzęcych oraz dla katalizatorów przemysłowych, pełniąc wszystkie niezbędne funkcje.” – dodaje dyrektor ds. rozwoju biznesu Tomasz Konecki.

Autorka patentu, dr hab. inż. Agnieszka Maria Jastrzębska, oprócz bycia profesorką Politechniki Warszawskiej oraz założycielką spółki ADJ Nanotechnology (pełniąc w niej także funkcję CEO), jest również autorką i współautorką 12 innych patentów z dziedziny nanotechnologii oraz ponad 90 publikacji naukowych, cytowanych blisko 1500 razy, co pozwala jej znajdować się w światowej czołówce naukowców z obszaru inżynierii materiałowej.