Světlo jako pomocník při výrobě povrchů inspirovaných přírodou

Šupiny žraloků odolné vůči bakteriím, přilnavá chodidla gekonů nebo lotosové listy, po nichž stéká voda. Příroda vymýšlí geniální povrchy. Napodobit se je snaží vědecké týmy po celém světě. Ve Fyzikálním ústavu AV ČR se jimi inspiruje Petr Hauschwitz a s prací v mikro- a nanoměřítkách mu pomáhá laser. O tom, jak dokáže spoutat světlo, hovořil v A / Magazínu, oficiálním čtvrtletníku Akademie věd ČR.

Jsou potřeba k vyšetřování pacientů, podávání léků i výplachu tělních tekutin. Katetry neboli cévky však mohou namísto uzdravení způsobit také nebezpečné infekce. Při delším používání se totiž na jejich povrchu tvoří život ohrožující bakterie. Výzkumníci proto přicházejí s nápady, jak upravit nebo vylepšit materiály, z nichž se podobné medicínské pomůcky vyrábějí. Inspirují se hlavně v přírodě a velkým pomocníkem je jim překvapivě světlo, přesněji řečeno lasery.

Skvělý povrch odolný vůči bakteriím má třeba žraločí kůže tvořená drsnými šupinami. Pokrývají je struktury takové velikosti a rozložení, že po nich cizorodé látky sklouznou. I když se chvíli udrží, jejich tělo se prohne mezi dvěma ostrými výstupky šupin, případně si o hrot propíchnou buněčnou stěnu a umírají. Podobně sofistikovaná jsou i křídla cikád a jiného hmyzu.

A / Magazín: Replika žraločí kůže

A co teprve voděodolné povrchy lotosového listu, hadí kůže, která minimalizuje tření, nebo třeba gekoní tlapky, které se udrží na téměř jakémkoli povrchu. Jenže jak tyto přírodní poklady napodobit a vyrobit superstruktury, jež fungují a existují v mikro- nebo nanorozměrech?

Laser jako pilník

Povrchy materiálů se běžně upravují obráběním, což je technologický proces, kdy se požadovaného tvaru dosahuje odebíráním kousků dané hmoty. Tradičními nástroji ručního obrábění jsou různé pilky a škrabáky, pro pokročilejší úkony se používají soustruhy a frézy. Pro práci v mikro- a nanoměřítkách je ideálním nástrojem laser.  

Současné metody využívají zpravidla jeden laserový svazek, který se po povrchu pohybuje pomocí motorizovaných zrcátek nebo posuvných stolečků. Opracování jemných detailů na mikroúrovni je ale nesmírně časově náročné. Právě pomalost a finanční nevýhodnost obrábění superfunkčních materiálů jsou také důvodem, proč se „žraločí kůže“ nebo „lotosové listy“ zatím nevyrábějí jak na běžícím páse.

Pro představu – vytvoření pouhého jednoho centimetru čtverečního voděodolné funkční struktury by s jedním laserovým svazkem byť velmi výkonného laseru trvalo zhruba minutu. To znamená, že na metr čtvereční výrobku by bylo potřeba sedm dní. „Pro průmysl je samozřejmě taková výkonnost absolutně nerentabilní. Snažíme se proto nacházet způsoby, jak laserem obrábět rychle a efektivně a jak naše poznatky přenést z laboratoře do reálného světa,“ vysvětluje Petr Hauschwitz, vedoucí výzkumné skupiny laserového mikroobrábění v Centru HiLASE při Fyzikálním ústavu AV ČR.

A / Magazín / Jana Plavec: Petr Hauschwitz z Fyzikálního ústavu AV ČR

Světelné zrychlení

Navrhování superhydrofobního (voděodolného) povrchu se věnoval už během doktorátu. Inspiroval se strukturou lotosového listu pokrytého nanostrukturními výběžky, jež mu propůjčují hned několik skvělých vlastností. Například samočištění: vodní kapky se shlukují do sférických tvarů a snadno sklouznou po povrchu, přitom sesbírají nečistoty a prach, které se na listu usazují, a odnášejí je pryč. Tento jev se často označuje jako „lotosový efekt“.

Čistější list je lépe chráněný před řasami, bakteriemi a houbami. Nejenže je pak rostlina méně náchylná k chorobám, ale má také lepší přístup ke světlu, čímž si zvyšuje účinnost fotosyntézy. Technologie výroby takto dokonalého povrchu je známá už delší dobu, cílem doktorské práce však bylo navrhnout její zjednodušení a zrychlení.

Mladý vědec tehdy zkoušel různé metody, jak výrobu zefektivnit. Cestou byla její paralelizace, která spočívala v rozdělení jednoho svazku na více funkčních částí. V doktorské práci se mu podařilo doložit, že lze obrábět s více než sedmi sty svazky najednou!    

Není divu, že jeho návrhy zaujaly i porotce Cen Wernera von Siemense, kteří mu v roce 2022 udělili ocenění za nejlepší disertační práci. O rok později dostal Prémii Otto Wichterleho, udělovanou Akademií věd ČR talentovaným vědcům do pětatřiceti let.

Obrábění pod lupou

Pod mikroskopem připomínají žraločí šupiny pravidelnou obdélníčkovou dlažbu s drážkami. Lotosový list zase díky malinkatým výběžkům, které ho pokrývají, vypadá jako les sopek. Mikrostruktura gekoní tlapky evokuje koberec s dlouhými chlupy s roztřepenými konečky a hadí kůži tvoří velmi ostré mikrohroty nahuštěné blízko vedle sebe.

Kdo chce tyto povrchy napodobit, musí v počítači vytvořit 3D model nebo mřížku dané struktury. Podle tohoto modelu pak nastaví laserovou obráběčku, která jednotlivými svazky světla ostřeluje zpracovávaný materiál a po vrstvách z něj odebírá nepotřebné kousíčky.

Při klasickém obrábění vzniká při odebírání materiálu poměrně dost odpadu. Výhodou laserového mikroobrábění je jeho naprosté minimum, jelikož se jde do hloubky několika málo mikrometrů. Odebíraný materiál se roztaví, nebo častěji spíše odpaří. Vše se děje v okem těžko viditelných rozměrech, takže na první pohled může výrobek vypadat úplně stejně jako surový materiál; rozdíl bychom poznali až na velmi přesné váze nebo pod mikroskopem.

A / Magazín: Gekoní tlapky se udrží na téměř jakémkoli povrchu

Na tento typ obrábění funkčních povrchů není potřeba kdovíjak velká laboratoř. Ta v Centru HiLASE by se dala připodobnit k menšímu panelákovému pokoji. I sám obráběcí stroj překvapí svým poměrně skromným rozměrem. Základem obráběčky je laser, v tomto případě laser PERLA, vyvinutý přímo vědci a konstruktéry v HiLASE. Disponuje výjimečnou kvalitou svazku a vysokou energií v pulzu, která umožňuje paralelizaci výroby do více svazků.

Urychlení a vyšší efektivita výroby ale nestojí jen na výkonnosti laseru. Nezbytnou podmínkou je umět kvalitně rozdělit laserový svazek, aby mohl pracovat na více místech zároveň. Tým Petra Hauschwitze už v tomto směru překonal několik světových rekordů. „Náš současný je více než čtyřicet tisíc svazků najednou. Z původních sedmi dnů práce na jednom metru čtverečním jsme se posunuli až k pěti minutám a dokážeme strukturovat detaily pod jeden mikron,“ říká vědec.

V přesných číslech se jednalo o 40 401 laserových svazků, které paralelně pracovaly na obrábění jednoho materiálu. Šlo o superhydrofobní povrch, který odolá námraze, korozi i odporu vzduchu a je využitelný třeba na křídlech letadel. Svazek bylo možné takto efektivně rozdělit díky speciální difrakční mřížce, kterou na objednávku vědců z HiLASE vytvořila izraelská firma HOLO/OR.

A / Magazín / Jana Plavec: Stowattový laser PERLA generuje vysoce kvalitní svazek v pulzu 970 femtosekund na vlnové délce 1030 nanometrů

Vesmír i mikrobi

Ovládnutí techniky dělení svazku a s ním spojené výrazné urychlení výroby superfunkčních povrchů neušlo pozornosti lidí z průmyslu a inovativních start-upů. Tým v HiLASE začíná mít mezi nimi jméno a otevírají se mu zajímavé možnosti spolupráce. Nedávno jeho členy například oslovili Kanaďané s poptávkou, že chtějí vyrobit superhydrofobní povrch na plech o velikosti
650 × 300 milimetrů, využitelný v chladicí soustavě. V Kanadě ani Spojených státech prý nenašli nikoho, kdo by to zvládl dostatečně efektivně.

Unikátní postupy českých vědců se uplatňují i v oblasti vesmírných technologií. Jedním z úkolů, který úspěšně splnili, bylo vyvrtat mikrometrové otvůrky v grafitu a keramice, jež se měly stát součástí motorů vesmírných družic. Petr Hauschwitz zmiňuje i velmi dobré kontakty na různé menší tuzemské inovativní firmy, jmenovitě třeba s IQS, která vyrábí mimo jiné hologramy na občanské průkazy.

Ale nejenom ty. „Ve společném projektu, který právě připravujeme, počítáme s vývojem antimikrobiálních katetrů a dalších medicínských pomůcek, u kterých hrozí riziko bakteriální infekce.“ Často jde o dlouhé uzavřené hadičky, přičemž vytvořit řízenou funkční nanostrukturu na vnitřní stranu těchto předmětů vůbec není snadné. „Vymysleli jsme způsob, jak by to šlo, a pokud se nám to podaří, byli bychom zřejmě ve zvládnutí této techniky první na světě,“ dodává vědec.

Projekt LasApp

Rozvíjení výroby antibakteriálních povrchů, na kterých pracuje laboratoř laserového mikroobrábění s Přírodovědeckou fakultou UK Centra BIOCEV, získalo aktuálně podporu ve velkém mezioborovém projektu LasApp. „My budeme vyvíjet funkční povrchy odolné proti bakteriím a tým Zdeny Palkové v BIOCEV bude zkoumat, jak mikrobi na tyto povrchy reagují,“ říká Petr Hauschwitz. Projekt LasApp navazuje na program Strategie AV21 Světlo ve službách společnosti. Jsou do něj zapojená pracoviště s hlubokou tradicí ve vývoji prvních československých laserů v letech 1962–1963. Hlavním koordinačním institutem je Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR, který je u nás lídrem ve vývoji vláknových laserů. Právě další vývoj tohoto typu laserů, stejně jako laserů tenkodiskových, je hlavním cílem projektu, který uspěl v konkurenci 66 projektů přihlášených do výzvy Špičkový výzkum v Operačním programu Jana Amose Komenského (OP JAK). Aplikační potenciál nachází vedle medicíny také v kosmickém a obranném průmyslu.

Antimikrobiální povrchy inspirované mimo jiné unikátními šupinami žraloka by mohly najít uplatnění také v materiálech pro kloubní náhrady, které by výzkumníci z týmu Petra Hauschwitze rádi zkusili vyvinout spolu s českou firmou Prospon. Součástí připravovaného projektu je i další skupina z HiLASE, která se zabývá laserovým vyklepáváním. Jejími metodami se totiž dá prodloužit životnost silně namáhaných součástek, což je zrovna u kloubních náhrad velmi žádoucí.  

Laserové mikroobrábění se zkrátka hodí v medicíně, průmyslu i ve vesmíru. A čeští vědci v této disciplíně odhodlaně míří na vrchol. S odpovědí na otázku, co je jeho cílem v nejbližších pár letech, proto Petr Hauschwitz příliš neváhá: „Když se kdokoli na světě zeptá na nejlepší mikroobráběcí laboratoř na světě, chtěl bych, abychom byli minimálně ve velmi úzkém výběru.“

Ing. Petr Hauschwitz, Ph.D., MBA, Fyzikální ústav AV ČR

Vystudoval laserové technologie a fyzikální inženýrství na ČVUT v Praze. Za svou doktorskou práci Velkoplošná funkcionalizace povrchů pomocí laserem vytvořených mikronanostruktur získal první místo v kategorii Nejlepší disertační práce Ceny Wernera von Siemense (2022). V roce 2023 získal Prémii Otto Wichterleho, kterou Akademie věd ČR uděluje mladým talentovaným vědcům. V laserovém Centru HiLASE působí už od svých studií, od roku 2019 v pozici vedoucího výzkumné skupiny. Spolu se svým týmem drží dva světové rekordy v produktivitě a počtu svazků při nanoobrábění (oba z roku 2021).

A / Magazín / Jana Plavec: Ing. Petr Hauschwitz, Ph.D., MBA