Česky
S nanomateriály se v současnosti setkáváme v mnoha oblastech výzkumu i praktického života. Výjimku netvoří ani stavebnictví včetně památkové péče, kde se uplatňují různé nanomateriály a technologie – od historických přirozených přes moderní modifikované materiály s cílem urychlit a usnadnit, nebo naopak zpomalit chemické reakce, až po materiály pro povrchové úpravy, jež zajišťují různé ochranné funkce.
Foto: Archiv ÚTAM AV ČR
Nanovápnem dodatečně vytvořená jemnozrnná struktura karbonatovaného pojiva spojující jednotlivá zrna písku v maltě. Fotografie byla pořízena elektronovým mikroskopem.
Za nanomateriály můžeme považovat antimikrobiální látky, přípravky usnadňující čištění povrchů po vandalských projevech sprejerů (tzv. anti-graffiti), technologie se samočisticí schopností, látky zvyšující ochranu proti UV záření apod. Jednou z důležitých aplikací je i zpevňování a obnovení soudržnosti degradovaných materiálů. Využívá se v preventivní péči o kulturní dědictví a zejména při záchraně kvazi-křehkých kompozitů a dalších porézních anorganických materiálů, tedy malt a kamenů.
Proč nanomateriály sehrávají důležitou úlohu v péči o umělecké objekty a architektonická díla, má několik významných důvodů; například jsou schopny vyhovět požadavku zachovat maximální množství původní hmoty vzhledem k jejich způsobilosti pronikat do různých proměnlivých pórových systémů. Nanotechnologie navíc umožňují navrhovat a vyrábět prostředky vysoce kompatibilní s historickými materiály, s vysokou chemickou výkonností v důsledku zvýšeného poměru povrchu částic k objemu a v důsledku vyšších koncentrací aktivních látek, a to bez vedlejších účinků. Nanomateriály se výhodně používají při konsolidaci rozpadajících se historických materiálů (kamenů a malt), pro injektáže trhlin a prasklin, k léčení materiálů působících ve složitých podmínkách – zejména vlhkých nebo chemicky znečištěných – nebo v situacích, jež vyžadují komplexní řešení, např. při kombinovaném zpevňování a dezinfekci.
Pro obnovu soudržnosti a zpevňování přírodních kamenů odborníci využívají zejména nanomateriály na bázi hydroxidu vápenatého nebo barnatého a někdy i sírany, které lze aplikovat na sádrové podklady. Jde o suspenze těchto látek v alkoholech, což umožňuje mnohem vyšší koncentrace aktivní látky než ve vodných roztocích a navíc vylučuje máčení citlivých historických materiálů vodou, která je většinou nepřítelem památek. Použití suspenzí v alkoholech je technologicky výhodné i při povětrnostních situacích, kdy teplota prostředí klesá pod nulu a voda mrzne.
Grafy 1, 2, 3:
Příklady porovnání účinnosti zpevnění historických materiálů impregnací nanovápnem
Zvláštní pozornost zasluhují konsolidační technologie, které se u historických materiálů používají s ohledem na komplexnost celého systému, takže se problém nemusí řešit jediným konsolidačním přípravkem. V takovém případě dosahují lepších výsledků kombinace nanosuspenzí s jinými látkami, které jsou založené na schopnostech vzájemného spolupůsobení a tvoří pevnější či trvanlivější mikrostruktury. Podobně je někdy výhodné kombinovat přípravky s nanočásticemi a suspenze s větší velikostí částic – mikrosuspenze – a vytvářet například „malty“ vhodné pro plnění malých dutin nebo pro injektáže trhlin. Takový systémový přístup otevírá nanomateriálům další perspektivní možnosti výzkumu i aplikací.
Přestože jsou částice v nanosuspenzích velmi malé, jsou často stále ještě příliš velké, aby látka dokázala proniknout do porézního systému některých historických materiálů. Je to dáno i tím, že velikost částic v suspenzi není stejná a obvykle se pohybuje v mezích dvou řádů, tedy od desítek po stovky nanometrů. Současný výzkum tudíž směřuje k překonání těchto nevýhod vývojem nových materiálů a aplikačních technologií. Avšak již v současnosti přináší aplikace výsledků výzkumu významný užitek.
Zmiňme se například o účinnosti tzv. „nanovápna“, které je již komerčně dostupné pod obchodním názvem CaLoSiL (v Itálii Nanorestor). Z hlediska chemického složení jsou tyto nanosuspenze hydroxidu vápenatého vhodné zejména pro použití na materiálech, jejichž složkou je uhličitan vápenatý, tedy např. opuku, vápence, vápenné malty. Tyto stavební materiály se v Česku dosud impregnují především vápennou vodou (historické vápenné omítky) nebo estery kyseliny křemičité.
Produkty „nanovápna“ CaLoSiL i vápenná voda obsahují stejnou účinnou látku – hydroxid vápenatý. Zatímco ve vápenné vodě je velikost iontu vápníku malá, cca 0,1 nm, částice hydroxidu vápenatého v CaLoSiL jsou podstatně větší (obvykle 50–200 nm). Tato vlastnost vymezuje použití vápenné nanosuspenze pro strukturní zpevnění materiálů s dostatečně velkým průměrem otevřených pórů. Množství hydroxidu vápenatého ve vápenné vodě je však velmi malé (1,7g/l při 20 °C) a v případech, kdy je potřeba vnést do zpevňovaného materiálu větší množství vápna, produkty CaloSiL nabízejí koncentrovanější varianty (5 až 50 g/l). Několik cyklů impregnace nanovápnem zajišťuje zpevnění, které se vápennou vodou získá po stovkách cyklů.
Výhodou vyšší koncentrace hydroxidu vápenatého v nanosuspenzích je především zkrácení doby trvání zpevňovacího procesu ve srovnání s vápennou vodou; tudíž i významné zlevnění, neboť se u staveb výrazně snižují zejména náklady na lešení. K urychlení celkového konsolidačního procesu přispívá i rychlejší vysychání ethanolu nebo isopropylalkoholu ve srovnání s rychlostí vysychání vápenné vody. Výsledky jsou porovnávány s účinky sycením vápennou vodou, protože jde o stejnou účinnou impregnační látku. Ústav teoretické a aplikované mechaniky AV ČR dosud jako jediný provedl korektní výzkum a objektivní měření zpevňovacího efektu vápenné vody na karbonatovanou maltu. Předchozí vědecké zkoušky se realizovaly pouze v zahraničí na kamenných podkladech, kde se žádný zpevňovací efekt neprokázal. V Česku se impregnace vápennou vodou prosadila do restaurátorské praxe bez předchozího vědeckého ověření účinnosti i negativních účinků, jimiž jsou především poškození autentické povrchové „ochranné“ krusty, ztráta originálního materiálu na povrchu a mobilizace vodou rozpustných solí. Nanovápna tyto vedlejší účinky nemají a ve vyspělých evropských zemích mají za sebou při záchraně značně narušených památek již mnohé aplikace.
Účinnost nanosuspenzí a dalších zpevňovacích technologií jsme testovali aplikacemi na různé podklady (chudou vápennou maltu, kamennou drť…), které simulovaly zchátralé historické materiály. Dále jsme ji zkoušeli na málo odolných typech kamenů. Typické výsledky změny struktury a pevností jsou vidět na obrázcích; dokazují výrazné efekty, kterých při zachování materiálové kompatibility nelze jiným způsobem dosáhnout.
Je třeba poznamenat, že úspěšnost zpevňovacího procesu ovlivňuje několik faktorů. Při návrhu technologie zpevnění se musí uvážit chemické a mineralogické složení zpevňovaného materiálu, pevnost materiálu před zpevněním, velikost a tvar otevřených pórů, pórovitost, velikost iontů, molekuly nebo částice účinné zpevňující látky ve zpevňujícím produktu, chemické složení a koncentrace účinné složky, rychlost vysychání a tvrdnutí účinné látky ve zpevňovaném substrátu při konkrétních teplotně vlhkostních podmínkách materiálu a okolního vzduchu. Mnohé z uvedených faktorů jsou stále ještě předmětem výzkumu.
Zpevňováním křehkých materiálů, malt, omítek, štukové výzdoby, nástěnných maleb či kamenných předmětů možnosti aplikace nanovápna v památkové péči nekončí. Je vhodné pro obnovení alkality starých betonů, pro odstranění plísní, realkalizaci papíru, nátěrů, lepidel, povrchových vrstev, konzervaci dřeva a další účely.
Nanosuspenze hydroxidu vápenatého v různých alkoholech se v ÚTAM studují od roku 2007. Nejprve jsme zkoumali vliv nanosuspenzí na mechanické vlastnosti vápenné omítky ve studii zaměřené na účinnost vápenné vody ve srovnání s jinými zpevňujícími prostředky. V dalších letech jsme zjišťovali vliv nanosuspenzí vápna na vlastnosti vybraných druhů malt a kamene v evropském projektu STONECORE, jenž má podporu 7. RP. Vedle zkoušení mechanických charakteristik ošetřovaného materiálu jsme sledovali i další materiálové vlastnosti, zejména změny pórovitosti a nasákavosti v závislosti na intenzitě ošetření substrátu. Pro testování mechanických vlastností malt i kamene byla vyvinuta speciální zařízení a zavedeny nové metodiky zaměřené na sledování pevnosti zkušebních tělísek v tlaku, v tahu a v tahu za ohybu, na sledování pevnosti v hloubkovém profilu ošetřeného materiálu i měření změn povrchové soudržnosti a změn rychlosti nasákavosti. Výzkum těchto materiálů a související vývoj výzkumné infrastruktury v současnosti pokračuje především v projektech podporovaných v rámci programu výzkumu národní a kulturní identity MK ČR i v projektech GA ČR a tvoří jedno z významných výzkumných témat nového Centra excelence v Telči, které vzniklo s podporou OP VaVpI, prioritní osa 1.
MILOŠ DRDÁCKÝ a ZUZANA SLÍŽKOVÁ,
Ústav teoretické a aplikované mechaniky AV ČR, v. v. i.