Sto tysięcy złotych zyskała na swoje badania Anna Szczurek, doktorantka z Wydziału Mechanicznego. Dzięki grantowi z Narodowego Centrum Nauki przeanalizuje ona, jak stworzyć materiały polimerowe z użyciem warstw zol-żelowych, które w jak najmniejszym stopniu będą przepuszczały gazy

Materiały polimerowe są powszechnie wykorzystywane m.in. w przemyśle opakowaniowym czy w mobilnych systemach magazynowania gazów. Wpływają na to niskie koszty ich wytwarzania i ich mały ciężar. Nie są one jednak pozbawione wad. Jedną z nich jest ograniczona barierowość pod względem przepuszczania gazów, która wynika ze struktury tych materiałów.
– W znacznym stopniu jest amorficzna, czyli nieuporządkowana. Kształtami przypomina np. spaghetti – tłumaczy obrazowo Anna Szczurek, doktorantka na Wydziale Mechanicznym, absolwentka Wydziału Chemicznego (na dwóch kierunkach: chemii i inżynierii materiałowej). – Ta struktura sprawia, że cząsteczki lub atomy gazu mogą stosunkowo łatwo przenikać przez taki materiał. Nie oznacza to oczywiście, że wszystkie przechodzą przez materiały polimerowe bez problemu, ale że ich barierowość nie jest idealna. Im bardziej ograniczymy tę przenikalność, tym większe zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu będą miały materiały polimerowe.

Można to osiągnąć, nanosząc na materiał polimerowy cienką warstwę materiału o wyższej barierowości, np. powłokę tlenkową. Jednym ze sposobów na takie połączenie jest wykorzystanie metody zol-żel, która opiera się na reakcjach hydrolizy i kondensacji odpowiednich związków chemicznych nazywanych prekursorami. Na efekty tego procesu wpływa jednak bardzo wiele czynników – zmiana jednego z nich nawet w niewielkim stopniu może sprawić, że w rezultacie otrzymamy wprawdzie materiał o niedużej przepuszczalności gazów, ale już inne jego właściwości nie będą dla nas zadowalające.
Analizą tych czynników zajmie się w swoim projekcie Anna Szczurek. Młoda badaczka zamierza skupić się na dwóch materiałach: politereftalanie etylenu, czyli popularnym PET, który stosuje się do produkcji np. butelek na napoje, oraz polietylenem wysokogęstościowym. Za powłokę tlenkową posłuży jej natomiast sieć krzemionkowa poddana funkcjonalizacji. Oznacza to, że badaczka zmodyfikuje tlenek krzemu, dodając do niego dodatkowe grupy funkcyjne (czyli odpowiednio powiązane grupy atomów), które zmienią właściwości tego tlenku, sprawiając, że stanie się mniej kruchy i bardziej elastyczny (zmienią się jego właściwości sprężyste).

O ile wiemy, jak w metodzie zol-żel zmiana parametrów zwykłych, czyli niefunkcjonalizowanych sieci krzemionkowych wpłynie na efekty końcowe, o tyle brakuje jeszcze analiz dotyczących tych funkcjonalizowanych. Temu konkretnie chce poświęcić swoje badania doktorantka z Wydziału Mechanicznego.

W czasie dwuletniego projektu zamierza ona przeanalizować kilka zmiennych. - Zbadam jak zmiany parametrów syntezy oraz wprowadzenie różnych grup organicznych do sieci krzemionkowej wpłyną na mikrostrukturę, a ostatecznie na właściwości otrzymanego materiału – opowiada.

Jak tłumaczy doktorantka, badania metody zol-żel dla czystych (niefunkcjonalizowanych) warstw krzemionkowych wykazały, że im dłuższy czas całej reakcji (a zatem im dłuższy czas tzw. starzenia zolu), tym większe są rozmiary cząsteczek, które w nim występują. A to sprawia, że rezultatem procesu jest materiał porowaty, czyli – w konsekwencji – łatwo przepuszczający gazy.
– Jednocześnie obserwuje się, że przy najmniejszych czasach starzenia zolu, a zatem najmniejszej porowatości materiału, warstwy są zbyt kruche, by móc ich używać – zaznacza Anna Szczurek. – Stąd potrzeba wprowadzenia grup funkcyjnych zmieniających właściwości mechaniczne materiału. Nie wiemy jednak, jak te grupy funkcyjne będą wpływały na porowatość materiału, ponieważ należy spodziewać się, że wprowadzą tzw. zawadę steryczną. W praktyce zjawisko to sprowadza się do tego, że dane grupy nie pozwalają na zbliżenie się do nich innych atomów. Tak powstają swego rodzaju luki niewypełnione w tym przypadku siecią krzemionkową. Z mojego punktu widzenia to ogromnie ciekawe, jak ta porowatość będzie się zmieniała w modyfikowanym materiale.

Dodatkowym efektem projektu Anny Szczurek będzie też najprawdopodobniej modyfikacja metody nanoszenia powłok na podłoża polimerowe. Standardowo naukowcy korzystają z metody zanurzeniowej dip-coating , która polega na powolnym zanurzaniu materiału w roztworze, a następnie wyciągnięciu go z niego. Od szybkości wynurzania zależy grubość warstwy, jaka powstanie na podłożu.

- Ja jednak będę używała jako podłoża materiałów polimerowych, a te mają niską energię powierzchniową. Przekłada się to na słabą adhezję, a zatem problemy w łączeniu się różnych materiałów z polimerem. Konieczne przez to mogą być modyfikacje powierzchni podłoża przed naniesieniem na niego warstwy krzemionkowej – tłumaczy kierująca projektem. - Możliwymi rozwiązaniami są np. aktywowanie powierzchni polimeru plazmą, wyładowaniami kornowymi albo metodami mokrej chemii. To wszystko jeszcze przede mną.

Anna Szczurek właśnie rozpoczyna swój projekt. Jego realizacja jest możliwa dzięki grantowi z Narodowego Centrum Nauki w ramach programu „Preludium 11”, który finansuje badania prowadzone przez osoby dopiero zaczynające swoje kariery naukowe (bez stopnia naukowego doktora). Opiekę naukową nad projektem będzie też sprawować dr inż. Justyna Krzak – promotor pomocnicza doktorantki.

Lucyna Róg