Témata
Reklama

ATRAKTIVNÍ PROJEKTY: Nano znamená budoucnost

18. 11. 2009

Nanotechnologie už dávno nepatří mezi rekvizity sci-fi a v řadě oborů se staly běžnými reáliemi. Ale jejich výzkum a vývoj dále pokračují a nabízejí netušené možnosti.

Tento článek je součástí seriálu:
Atraktivní projekty
Díly
Karel Sedláček

Celý život se věnuje popularizaci vědy a techniky. Promoval na Fakultě sociálních věd UK v Praze. 
V letech 1960 až 1968 pracoval v plzeňském rozhlasovém studiu, potom až dokonce roku 1989 byl nejprve redaktorem pro vědu a techniku a později zástupcem šéfredaktora deníku Svobodné slovo. Po krátkém působení jako šéfredaktor nakladatelství Melantrich byl redaktorem a hlasatelem Rádia Svobodná Evropa až do ukončení vysílání české redakce v roce 2002. Externě spolupracoval s celou řadou českých a slovenských odborných časopisů a s Českým rozhlasem.  
Vědeckotechnická témata popularizoval v knihách Laser v mnoha podobách (Praha, 1982), Pod šifrou 2001 (Praha 1984), Atom skrývá naději (Praha 1987 - spolu s Janem Tůmou). Historii unikátní rozhlasové stanice shrnul v knize Volá Svobodná Evropa (Praha 1993). Vzpomínky na konec komunistického režimu ve Svobodném slově a vydavatelství Melantrich obsahuje publikace Balkon, fenomén listopadu 1989 ( Praha 2010 - spoluautor Milan Nevole). Události okupace Československa v srpnu 1968 přibližuje publikace Vzpomínky na Plzeň – Čas lámání chleba a charakterů (Praha 2011). V roce 2018 vydal soubor cestopisných reportáží a fejetonů Toulky s Karlem Amerikou.

Dnešní příspěvek o atraktivních projektech přináší tři rozdílná využití nanotechnologií se společným jmenovatelem - záchrana lidského života.

SkyHydrant přináší záchranu

Podle odhadů Světové zdravotnické organizace (WHO) nemá 1,2 miliardy lidí na světě přístup k pitné vodě. Znečištěná, ve většině případů neupravená povrchová voda obsahuje nejen nečistoty, ale je navíc plná bakterií a parazitů. Ty způsobují nemoci, na jejichž následky zemře každých 15 vteřin jeden člověk - to jsou ročně 2 miliony lidí, většinou dětí.

Reklama
Reklama
Keňa je krásná, ale chudá země.

Vesnice Obambo-Kadenge leží v západní Keni, kousek od Viktoriina jezera. Několikatisícová osada patří mezi nejchudší na světě. Příjem většiny lidí nepřesahuje 1 dolar na den. Vodu zdejší obyvatelé dosud získávali z Gona Dam - malé mělké nádrže ve městě. Přitéká do ní přes zemědělsky obhospodařované pozemky, hráz je proto plná bahna a není chráněna ani před zvířaty, pro něž představuje jeden z mála zdrojů vody v okolí. Také kvůli všudypřítomným odpadkům je téměř vždy zakalená (turbidita, jež udává stupeň zakalení, zde přesahuje 400 NTU, pro srovnání u „české" vody se tato hodnota přibližuje nule). Častý je proto výskyt nemocí jako cholera, tyfus nebo úplavice.

Vesnice Obambo-Kadenge v západní Keni patří mezi nejchudší na světě.

Běžné technologie pro úpravu vody jsou v rozvojových zemích nepoužitelné - náklady na jejich pořízení jsou astronomické. Vědci proto hledali cestu, jak zajistit pitnou vodu i pro tyto odlehlé osady. Řešení musí splňovat několik podmínek, zejména nízké pořizovací náklady, jednoduchost ovládání a nesmí být závislé na elektrické energii ani na další infrastruktuře, která v rozvojových zemích chybí.

Nová technologie slibuje čistotou vodu.

Zdá se, že obyvatelům Obambo-Kadenge se blýská na lepší časy. Byla vybrána pro pilotní instalaci přenosných filtrů „SkyHydrant". Dodala je australská nezisková organizace Sky Juice.

SkyHydrant se osvědčil loni v Číně, v oblastech postižených zemětřesením.

Systém funguje na principu samospádu. Voda z hráze je za použití větrné energie přečerpána do samostatné umělé nádrže, která je umístěna alespoň 1,5 metru nad vlastními filtry. Voda tak získá dostatečný tlak, aby mohla protéci filtrační jednotkou. Surová voda vtéká do dutých vláken dlouhých asi jeden metr. V těch tkví tajemství celého systému. Voda jimi protéká stejně jako brčkem - znečištěná přitéká z vnější strany trubiček, je protlačována stěnami membrán dovnitř a poté sbírána z jejich vnitřní strany. Velikost pórů je totiž pouhých 100 nanometrů, což je dostatečné na odstranění většiny pevných nečistot, a bakterií (velikost bakterie E. coli dosahuje velikosti 2-3 μm, i nejmenší bakterie z rodu Mycoplasma mají velikost 0,1-0,3 μm). Filtry se čistí velmi snadno - jednoduše se obrátí proud vody a vlákna se vypláchnou. V závislosti na znečištění vody se tak děje několikrát za den.

Obambo-Kadenge dnes má filtry, které produkují 2 000 litrů čisté vody za hodinu, což činí (včetně přestávek) cca 20 000-30 000 litrů za den. Náklady na provoz systému jsou velmi nízké - méně než 50 centů na osobu za rok, životnost zařízení by měla být minimálně 10 let. Důležitý je také fakt, že uživatelé - obyvatelé vesnice - za vodu platí, i když zcela symbolickou částku.

Využití čisticích stanic se plánuje nejen v zemích třetího světa, v nichž lidé nemají přístup k pitné vodě a nemohou si dovolit nákladné úpravny vody. Uplatnění naleznou také při živelních či dalších pohromách a ve všech situacích, kdy je nutné rychle dodat pitnou vodu, a přitom chybí či je poničena základní infrastruktura.

Roboty s nanomotorem

Nanoroboty, které vysíláme do lidského těla, aby zvítězily nad nádorovými buňkami nebo aby vyčistily ucpané tepny, potřebují ke svému pohonu vysoce výkonné nanomotory.

Pohyb vpřed pomocí nějaké tekutiny není tak triviální, jak se na první pohled může zdát. Například jej využívá nové řešení konstrukce nanomotorů. Jeho základem jsou nanonové tyčinky, jež katalyzací samy vyrábějí pohonnou látku. Jedná se o nanoskopické tyčinky, jejichž konce jsou ze dvou různých kovů. Nanoskopické motory tedy nepotřebují žádnou nádrž a pohybují se v médiu, jež obsahuje vhodnou pohonnou látku. Mezi klasiku už patří zlatoplatinové nanotyčinky, jež peroxidem vodíku jako pohonnou látkou ujedou za sekundu od 10 do 20 mikrometrů.Vědecký tým pod vedením Josepha Wanga z University of California v San Diegu a Arizona State University dramaticky zvýšil rychlost těchto nanotyčinek, a to na 150 mikrometrů za sekundu. Tohoto rekordu dosáhli díky tomu, že část tyčinky dosud používající zlato nahradili segmentem ze slitiny stříbra a zlata. „Tato nanotyčinka ujede svou vlastní délku asi 75krát za vteřinu," referoval Joseph Wang v odborném tisku. „Tím se blížíme rychlosti efektivních biologických nanomotorů, k nimž například patří bičíkaté bakterie.

Nanomotor funguje na základě katalýzy

Katalýza u platinové části tyčinky štěpí peroxid vodíku (H2O2) na kyslík (O2) a protony (H+). Přebytečné elektrony se přesunují k stříbrozlaté části, čímž nastartují redukční reakci H2O2 a protonů a vzniká voda. Uvolnění kyslíku a vody vytváří slabé proudění, které žene nanotyčinku kapalinou, a to platinou částí vpřed. Na obrázku slovo Fliessrichtung znamená směr proudění.

Slitina zlata a stříbra se stará o to, aby elektrony byly přenášeny rychleji. Tím probíhá rozpad pohonné látky rychleji a tyčinky jsou o to rychlejší.

Zdá se, že jako první využití nanomotorů se naskytne v nanomedicíně, kdy tyto miniaturní dopravní prostředky budou dopravovat na určitá místa potřebné léčebné účinné látky.

V místě nádoru

Vědci testují nový způsob léčby rakoviny. Používají při něm magnetické nanočástice, které na sebe navážou chemoterapeutický lék a dopraví jej přímo do nádoru. Zbytek těla je před agresivními léky ochráněn. Metoda vyvinutá lékaři z Univerzitní nemocnice v německém Erlangenu se nyní laboratorně testuje. Dosavadní výsledky pokusů na zvířatech vypadají velmi slibně

Schéma léčení nádoru pomocí magnetických nanočástic

Novinkou ve výzkumu je transport léku přímo do nádoru pomocí miniaturních magnetických částic o velikosti pouhých 100 nanometrů. Chemoterapeutikum je na nanočástici - svého dopravce -  pevně navázáno. Pomocí silného magnetu, který se umístí poblíž místa zhoubného bujení u pacientova těla, se částice navádějí přímo k nádoru. Zde se léčebná látka uvolní a působí tedy lokálně pouze tam, kde je to nezbytně nutné. Zbytek těla zůstane od toxických látek uchráněn.

Lékaři dokázali paralyzovat nádor s pouhou pětinou obvyklé dávky léku, protože účinné látky byly dodány mnohem přesněji než obvykle. Výzkum je zaměřen na nádory blízko povrchu, jako jsou karcinomy hlavy, krku či kůže. Stále jsou však zapotřebí další klinické studie. Lékaři v Erlangenu doufají, že budou moci brzy začít provádět klinické studie na pacientech.

Jednou z klíčových otázek ve výzkumu je použití magnetu, který nanočástice přesně směruje na místo určení. Je nutné použít velmi silný magnet s proměnlivým polem. Donedávna byla podobná zařízení nepoužitelná - váha elektromagnetů, které byly schopny generovat pole o požadovaném výkonu, totiž přesahovala 1,5 tuny. Výzkumníkům se ale nyní podařilo sestavit velmi výkonný otočný elektromagnet o váze pouhých 47 kilogramů, který má snadno přístupné hrany pólů a vytváří velký spád pole. Díky tomu může lékař s magnetem snadno manipulovat a hranu umístit přesně nad nádor. Dokáže proto bezpečně léčit dokonce i nejmenší nádory.

Karel Sedláček

Reklama
Vydání #11
Kód článku: 91118
Datum: 18. 11. 2009
Rubrika: Servis / Zajímavosti
Seriál
Firmy
Související články
Stroje v pohybu – Autonomní studentská formule

Prostřednictvím našich článků už jsme vám na stránkách časopisu představili mezinárodní soutěž Formula Student a také několik týmů z českých technických univerzit, jež se do ní každoročně zapojují s vlastnoručně postavenými závodními auty. Tentokrát bude řeč o novince – prvním českém samořiditelném monopostu, s nímž se tým eForce z ČVUT účastní této soutěže v nové kategorii Driverless.

Stroje v pohybu – Sledování zásilek na dálku

Takzvaný internet věcí (IoT) nabízí mnoho možností. Základem této technologie je bezdrátová komunikace velkého počtu autonomních zařízení prostřednictvím datových sítí, jež jsou navrženy tak, aby datový přenos spotřeboval co nejméně energie. Toho využívají i moderní sledovací jednotky (lokátory), které mohou díky energetické úspornosti pracovat i několik let bez dobíjení baterií.

Stroje v pohybu – Vrtulník na Marsu

Vědci a technici z amerického Národního úřadu pro letectví a vesmír (NASA) právě řídí jednu z nejnáročnějších operací v dějinách kosmonautiky. Expedice Mars 2020 hledá známky bývalého života na sousední planetě. Kromě pojízdné laboratoře je na Marsu také první stroj, který létá vlastní silou na jiné planetě, než je Země.

Související články
Stroje v pohybu – Létající roboty inspirují intralogistiku

Stroje v pohybu, to je název nového seriálu, ve kterém vám budeme představovat technicky zajímavá řešení především z oblasti dopravní a manipulační techniky. Dnes se budeme věnovat oblasti bionických konstrukcí, konkrétně projektu BionicSwift (bionický rorýs). Tito bioničtí rorýsové mohou díky GPS pro vnitřní prostory a radiokomunikaci prostřednictvím širokopásmové technologie UWB bezpečně a koordinovaně létat v definovaném vzdušném prostoru. Pro provádění těchto vzdušných manévrů tak, aby to co nejvíce odpovídalo živé předloze, mají jejich křídla pera, podobně jako skuteční ptáci.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Střídavě stejnosměrné názory na elektromobilitu, 8. díl: Jak se vláda ČR staví k e-mobilitě

V minulých dílech našeho seriálu jsme se zabývali dílčími problematickými aspekty předpokládaného úplného přechodu na elektromobilitu. Poukázali jsme kupř. na energetickou i ekologickou náročnost výroby trakčních baterií, na energetickou náročnost hypotetického přechodu na elektromobilitu, na problém energetického mixu, ale i na bezpečnostní rizika a na sociální, ekonomická i politická úskalí takového podniku. V tomto díle přinášíme rozhovor s Mgr. Janem Bezděkovským, pověřencem ministra dopravy pro čistou mobilitu, kterého jsme se na některá z uvedených témat zeptali. Má vůbec smysl v tuzemských podmínkách vést debatu o úplném přechodu na elektromobilitu? Jak se vláda České republiky staví k elektromobilům, jak bude reagovat na nízkou poptávku po tomto typu osobní dopravy a úroveň povědomí o něm? Bude mít fenomén elektromobility dopad i na provoz autoškol? Odpověď na tyto a další otázky nalezne čtenář v následujícím rozhovoru.

Střídavě stejnosměrné názory na elektromobilitu, 7. díl: Bezpečnost trakčních baterií

V tomto díle se zaměříme na další problematickou stránku elektromobilů, na jejich bezpečnost. Oč nám půjde především, jsou rizika spojená s možným vzplanutím trakční baterie. Jak totiž v rozhovoru pro KdeNabíjet.cz uvedl plk. Mgr. Rudolf Kramář, mluvčí Hasičského záchranného sboru ČR, pokud požár elektromobilu nezasáhne trakční baterii, pak neexistuje významnější rozdíl mezi požárem bateriového elektrického vozidla a toho s klasickým spalovacím motorem. Jakmile však baterie vzplane, ať už jsou toho příčiny vnější anebo vnitřní, vyžaduje si uhašení elektromobilu rozdílné, a nutno říct, že komplikovanější a nákladnější hasičské techniky a další navazující postupy.

Střídavě stejnosměrné názory na elektromobilitu, 6. díl: Od soukromého vlastnictví ke společnému sdílení

V tomto díle našeho seriálu si představíme dvě možná řešení hypotetického přechodu k elektromobilitě, model sdílené ekonomiky a koncept autonomního řízení. Krátká úvaha o nich, která si nenárokuje být vyčerpávající anebo představovat jasnovideckou výpravu do budoucnosti možného rozvoje těchto konceptů (kupř. problémy s regulací a zdaněním sdílené ekonomiky přecházíme mlčením), má především za cíl ukázat, jak je fenomén elektromobility rozmanitý a že se dotýká jak oblasti technologií, tak otázek ekonomických, sociálních a v neposlední řadě i politických.

Střídavě stejnosměrné názory na elektromobilitu, 5. díl: Typy nabíjení a jejich specifika

V minulém díle jsme jako jednu z problematických stránek bateriových elektrických vozů uvedli relativně nízkou specifickou energii, tedy poměr uložené energie a hmotnosti akumulátorů. Dospěli jsme k tomu závěru, že aby byl hypotetický přechod na elektromobilitu skutečně účelný z hlediska snížení emisí CO2, nebudou moci mezi poptávané vlastnosti automobilů patřit vysoký výkon a na něj vázaný komfortní dojezd. Současné problémy s malým dojezdem elektromobilů lze částečně řešit budováním nabíjecí infrastruktury. Možnostem dobíjení bateriových elektrických vozů, jako i jeho problematickým stránkám, se budeme věnovat v tomto díle.

Střídavě stejnosměrné názory na elektromobilitu, 4. díl: Jaké jsou limity lithiových baterií

Stěžejní součást bateriových elektrických vozidel představuje trakční baterie, soustava navzájem propojených sekundárních (nabíjecích) galvanických článků, které v podobě chemické energie akumulují tu elektrickou, již z baterie získává elektromotor. Protože se jako jedna z nevýhod elektrických vozidel oproti těm konvenčním uvádí poměr uložené energie a hmotnosti akumulátorů, tedy jejich relativně nízká specifická energie, zaměříme se v tomto díle našeho seriálu právě na ni, představíme si některé možnosti jejího navýšení a zmapujeme důsledky, jaké může pro mobilitu mít.

Střídavě stejnosměrné názory na elektromobilitu, 3. díl: Energetický mix České republiky

V minulém díle jsme upozornili na tu skutečnost, že elektromobily lze za vozidla s nízkými anebo nulovými emisemi skleníkových plynů považovat pouze podmíněně a že jednou z takových podmínek je energetický mix dané země. To jsme ilustrovali na rozdílných emisích bateriových elektrických automobilů mezi Řeckem (155,3 g CO2/km) a Švédskem (4,1 g CO2/km). V tomto díle se zaměříme právě na energetický mix, jak všeobecně, tak v souvislosti s očekávaným postupným přechodem na elektromobilitu.

Střídavě stejnosměrné názory na elektromobilitu, 2. díl: Elektromobilita a emise. Regulace vs. poptávka

Ačkoli je přechod na elektromobilitu motivován zejména snahou o celkové snížení emisí CO2, a tím o dosažení uhlíkové neutrality do roku 2050, má podle Evropské unie rovněž podpořit konkurenceschopnost unijního trhu. V minulém díle našeho seriálu jsme upozornili na skutečnost, že zavedený regulační rámec, zejména limity emisí CO2 pro osobní automobily a lehká užitková vozidla, má pozitivně motivovat automobilky, aby se čím dál tím víc orientovaly na produkci vozidel s nulovými či nízkými emisemi, tedy na produkci elektrických vozidel a dobíjecích (plug-in) hybridů. V tomto díle se podíváme, zda přechod na elektromobilitu tyto emise skutečně globálně sníží.

Úspory naruby - Pravda a lži o vytápění, 2. část

S neustálým zdražováním energií se mnoho obyvatel ptá, čím ekologicky a současně i ekonomicky, tedy levně a s účinností pokud možno přes 100 %, vytápět svůj rodinný dům?

Střídavě stejnosměrné názory na elektromobilitu, 1. díl: Proč elektromobily? Kontroverzní debata

Eletromobilita se postupně stává realitou. Přestože se názory na ni významně liší, faktem je, že se stane součástí našich životů (do jaké míry, to se ještě uvidí). Co všechno přechod na elektromobilitu ovlivní a jakým způsobem, se pokusíme nastínit v tomto desetidílném seriálu, který jsme připravili ve spolupráci a pod odborným dohledem profesora Jana Macka a inženýra Josefa Morkuse z Ústavu automobilů, spalovacích motorů a kolejových vozidel na FS ČVUT v Praze a spolu s dalšími odborníky. Jednotlivé příspěvky představí různé úhly pohledu na hromadné zavádění elektromobilů, jeho možné důsledky a technologické, ekonomické, ekologické, ale i politické dopady pro Českou republiku.

Made in Česko – Věž pro Svatou zemi

Píše se letopočet 2017 a pro další rok se chytají dvě významná výročí – 100 let od založení Československa a 70 let od založení státu Izrael. Jak lépe přispět k oslavám obou těchto událostí, tvořících historii, než vybudováním výjimečné české stavby, která by ozdobila historické hlavní město Svaté země – Jeruzalém?

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit