Poznaliśmy najlepsze prace magisterskie powstałe w poprzednim roku akademickim na Wydziale Mechanicznym. Pierwszym miejscem w swoim konkursie Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich nagrodziło Annę Gibas. Absolwentka, a obecnie doktorantka PWr, zajęła się wytwarzaniem i badaniem zol-żelowych powłok o właściwościach hydrofobowych nanoszonych dwiema wybranymi metodami przemysłowymi. W przyszłości z tego rozwiązania mogłaby skorzystać m.in. branża motoryzacyjna.

Anna Gibas studiowała mechanikę i budowę maszyn w języku angielskim na Wydziale Mechanicznym. Swoją pracę magisterską napisała pod opieką promotor dr hab. Agnieszki Baszczuk, prof. PWr i promotor pomocniczej mgr inż. Jolanty Gąsiorek (obie badaczki pracują w grupie materiałów zol-żelowych w Katedrze Mechaniki, Inżynierii Materiałowej i Biomedycznej).

Jej dyplom został uznany za najlepszy w tegorocznym konkursie wrocławskiego oddziału Stowarzyszenia Inżynierów i Techników Mechaników Polskich. Konkurs jest podzielony na dwa etapy – regionalny i ogólnopolski – i ma zachęcać młodych inżynierów do podejmowania ambitnych prac dyplomowych oraz zainteresować ich tematyką przydatną dla gospodarki kraju.

Powłoki ochronne na bazie krzemionki

Praca Anny Gibas miała charakter badawczy. Absolwentka zajęła się wytworzeniem powłok o właściwościach hydrofobowych, czyli odpychających wodę. Użyła do tego zol-żelowych proszków i hydrolizatów na bazie krzemionki, które nanosiła wykorzystując metody przemysłowe: niskociśnieniowe natryskiwanie na zimno i atomizowanie ultradźwiękowe.

– Istnieje wiele metod syntezy nanomateriałów. Metoda zol-żel reprezentuje podejście oddolne, czyli takie w którym mniejsze składniki o wymiarach atomowych można łączyć w większe, bardziej skomplikowane struktury, których właściwości sami planujemy – tłumaczy Gibas. – W przypadku pokrywania powłoką aluminium czy stali, które są typowymi materiałami konstrukcyjnymi stosowanymi w branży motoryzacyjnej, ta metoda pozwala na selektywną poprawę ich właściwości.

Zabezpieczenie przed wodą to jedna ważna kwestia, ale nie można zapomnieć o zapewnieniu trwałości powłoki. Przemysł automotive już teraz jest przesycony rozwiązaniami oferującymi hydrofobowość, ale tylko część z nich gwarantuje wysoką wytrzymałość i odporność na warunki atmosferyczne. Dlatego na rynku wciąż poszukiwane są niskobudżetowe odpowiedniki o dużej trwałości. Metody nanoszenia powłok zastosowane przez Gibas – ze względu na niski koszt technologii – wpisują się w ten trend doskonale: nie generują odpadów, nie marnują nanoszonego materiału i pozwalają na jego ponowne użycie. Wybrane techniki pozwalają pokrywać właściwie każde podłoże, a uzyskane rozwiązania są estetyczne i łatwe w czyszczeniu.

– Moja praca należy jednak do nurtu badań podstawowych – zastrzega autorka. – Zarówno od strony teoretycznej, jak i eksperymentalnej skupiałam się na zdobyciu wiedzy o konkretnych zjawiskach i próbach ich wytłumaczenia. Zatem do opracowania komercyjnych zastosowań opisanych przeze mnie powłok jeszcze długa droga, która bez badań podstawowych nie byłaby w ogólne możliwa do podjęcia.

To dopiero początek badań

– Inspirację do badań najlepiej czerpać z natury. Powszechnie znany efekt lotosu to naturalny mechanizm samooczyszczenia. Dzięki charakterystycznemu składowi chemicznemu i mikroskopowej strukturze powierzchni liście lotosu nie zamakają, a dodatkowo spływająca woda zabiera zanieczyszczenia – tłumaczy autorka. Chcąc uzyskać podobny efekt w laboratorium, musimy zapewnić niską energię powierzchniową i hierarchiczność powłok. W celu obniżenia energii w strukturę materiałów powłokowych wprowadzono związek zawierający silnie elektroujemnym, czyli odpychający wodę, fluor. Aby zwiększyć pole powierzchni właściwej powłoki, autorka zastosowała szereg rozwiązań: od obróbki podłoży, przez charakterystyczną ziarnistą strukturę materiałów powłokowych, aż po konkretne metody nanoszenia tych materiałów.

(nie) tylko metody

Niskociśnieniowe natryskiwanie zimnym gazem odróżnia się od innych technik natryskiwania termicznego tym, że nie dochodzi w nim do stopienia materiału wejściowego. Mechanizm osadzania jest oparty na zwiększeniu energii kinetycznych cząstek. Stosunkowo krótki czas przebywania w strumieniu gazu nie powoduje zmian strukturalnych natryskiwanego proszku, dzięki czemu zastosowana krzemionka nadal ma np. właściwości hydrofobowe

– Osadzanie odbywa się poprze plastyczne odkształcenie cząstek, które może wydawać się oczywiste w przypadku metali – tłumaczy Gibas. – Ale krzemionka to przecież materiał ceramiczny, który przecież często służy wyłącznie do oczyszczania powierzchni, a nie do budowania właściwej powłoki.

Z kolei atomizowanie ultradźwiękowe polega na osadzaniu ultracienkich powłok, które powstają z małych kropelek wybranej cieczy (tutaj hydrolizatu) w wyniku jej rozbijania ultradźwiękami. – Stosuje się w niej natrysk bezciśnieniowy o niskiej prędkości, który nie powoduje degradacji hydrolizatu – dodaje autorka. – W pracy przedstawiłam wyłącznie badania wstępne atomizowanych powłok hydrofobowych. Chcieliśmy przeanalizować wybrane czynniki mające wpływ na hydrofobowość warstw, które w perspektywie będą istotne przy tworzeniu powierzchni antykorozyjnych.

Czas na doktorat

Gibas zarówno studia inżynierskie, jak i magisterskie ukończyła z tytułem najlepszej absolwentki Wydziału Mechanicznego. Jak podkreśla, bardzo dużo zawdzięcza możliwości prowadzenia badań i zdobywania doświadczeń w Laboratorium Materiałów Zol-Żelowych i Nanotechnologii, kierowanym przez dr. hab. Marka Jasiorskiego, prof. PWr. – Praca w tym zespole dużo mnie nauczyła: pozwolono mi zająć się interdyscyplinarnymi zagadnieniami, szukać odpowiedzi na wiele pytań dotyczących światowych trendów w nauce, uczestniczyć aktywnie w różnych projektach, ale i prowadzić część przedsięwzięć samodzielnie. To była duża szansa dla mnie – zaznacza.

Gibas ma doświadczenie zarówno w pracy w instytucjach badawczych, w różnych działach Instytutu Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN czy laboratoriach ISEP Porto, jak i w przemyśle – w dziale badań nieniszczących firmy Ethos Energy.

Obecnie jest doktorantką w Szkole Doktorskiej PWr. Swoją rozprawę przygotuje ponownie pod opieką prof. Baszczuk. – Na pewno będzie związana z badaniami materiałów wytwarzanych metodą zol-żel– dodaje Gibas. 

Szczegółowe wyniki konkursu SIMP tutaj.

Lucyna Róg