dr. ANDRAŽ KOCJAN, Institut Jožef Stefan, Nova visokoporozna pena izkazuje odlične lastnosti v gradbeništvu
Kvaliteto znanja slovenskih raziskovalcev potrjuje tudi dejstvo, da so dobrodošli sodelavci v mednarodnih skupinah. Tako, denimo, lahko preberemo članek v ugledni reviji Nature Nanotechnology z naslovom »Thermally insulating and fire-retardant lightweight anisotropic foams based on nanocellulose and graphene oxide«. Avtorji so člani mednarodne skupine znanstvenikov, v kateri je tudi sodelavec Instituta »Jožef Stefan« dr. Andraž Kocjan. Uspelo jim je ustvariti nov kompozitni material, sestavljen iz obnovljivih poceni nanomaterialov, t.j., iz celuloze, grafenovega oksida in gline nanometrskih dimenzij, ki bi lahko dramatično znižal ceno toplotne izolacije stavb z visoko energijsko učinkovitostjo.
Negorljiva pena s super-toplotnoizolacijskimi lastnostmi, ki utegne biti v prihodnosti nepogrešljiva pri toplotni izolaciji stavb, je izdelek mednarodne skupine znanstvenikov z uglednih institucij, med katerimi so Univerza v Stockholmu (Bernd Wicklein, German Salazar-Alvarez in Lennart Bergström), Institute of Materials Science of Madrid (trenutna pozicija Bernda Wickleina), Instituto Politécnico de Torino (Federico Carosio in Giovanni Camino), Max Planck Institute (Markus Antonietti) in Institut »Jožef Stefan« (Andraž Kocjan).
Dr. Kocjan, ste sodelavec v skupini mednarodnih znanstvenikov, ki jim je uspelo pripraviti negorljivo peno posebnih lastnosti. Sicer pa ste raziskovalec na Odseku za inženirsko keramiko na Institutu Jožef Stefan. Je sodelovanje v taki skupini del vašega raziskovalnega področja?
Stiki z omenjenimi kolegi iz Stockholma in nastavki sodelovanja so vzklili med mojim 1.5-letnim podoktorskim usposabljanjem in bivanjem na Švedskem. Stvar smo realizirali, ko sem bil že nazaj doma. Ostali raziskovalci iz drugih institucij, ki so sodelovali pri tem delu, pa so del mednarodne znanstvene »mreže« ljudi Prof. Lennarta Bergströma. Podobne mreže so pomembne pri uspešnem uveljavljanju in objavljanju znanstvenih rezultatov. Vsak raziskovalec bi si jo med svojim delom moral ustvariti in jo skrbno negovati.
Kako je do tovrstne raziskave prišlo, načrtno, po naključju? Področje izolacije stavb v gradbeništvu postaja vedno bolj aktualno glede na klimatske spremembe.
Raziskava je bila zastavljena, skrbno načrtovana in izpeljana pod vodstvom prof. Lennarta Bergströma iz Univerze v Stockholmu. Četudi vseh dobrih, končnih lastnosti tega kompozita ni bilo moč predvideti in pričakovati že na samem začetku, se je že v začetku približno vedelo kam se cilja. Namreč v znanosti skoraj nič ne nastane iz »nič«. To pomeni, da so k mozaiku do končnega izdelka pripomogli tudi mnogi drugi znanstveniki in študentje, ki so že pred tem kakor koli sodelovali s prof. Bergströmom v povezavi z nanocelulozo. Da se je na koncu sestavil mozaik sicer dobro poznanih gradnikov, je bilo potrebnega veliko predhodnega znanja ter odličnost vseh vpletenih. Tu je treba omeniti, da nekateri švedski javni in tudi zasebni denarni skladi vrsto let močno podpirajo raziskave celuloze, saj ima Švedska, podobno kot Slovenija, veliko gozdov.
V raziskovalni skupini sodelujejo znanstveniki uglednih institucij, od Stockholma, Madrida, Torina, Max Plancka in Instituta Jožef Stefan. Je področje inženirske keramike tako zelo v ospredju raziskovalnega zanimanja danes.? Če da, zakaj?
Ne samo inženirske keramike. Sam inženiring (interdisciplinarnih) materialov (»advanced materials inženiring«) in kompozitov je danes izredno pomemben. Saj ravno z urejanjem poznanih materialov v želene, kompleksne strukture z uporabo raznih naprednih tehnik procesiranja dosežemo sinergijo med znanimi gradniki in strukturo, ki skupaj vodijo do kompozitnih materialov z novimi ali izboljšanimi lastnostmi.
Uspelo vam je pripraviti nov material, novo negorljivo peno. Kakšne izjemne lastnosti ima? Kaj sodobni inženirski projekti zahtevajo?
Nanokompozitni material je visokoporozna pena. Izkazuje tri močne prednosti oziroma lastnosti v luči materialov za toplotno izolacijo stavb. Ima primerljive mehanske lastnosti kot stiropor, je izjemen izolator in je negorljiv.
Iz česa je material sestavljen, tudi glede lastnosti posameznih sestavin?
Nanokompozitna visokoporozna pena je sestavljena iz treh osnovnih gradnikov: predvsem iz nanovlaken celuloze in manjših dodatkov nanodelcev grafenovega oksida ter nanopalčk sepiolita (magnezijev silikat – glina nanometrskih dimenzij). Gradniki so bili vmešani v vodo z dodatkom borove kisline, tako pripravljeno suspenzijo pa so nato kontrolirano zamrznili s pomočjo tekočega dušika. Pravokotno na smer zmrzovanja so zrasli dolgi ledeni kristali, ki so jih nato odstranili s sublimacijo. Nastala je ultralahka pena (več kot 99 % materiala predstavlja zrak), ki ima obliko, podobno satovju. Vsebuje nekaj centimetrov dolge cevaste pore s premerom le 20 mikrometrov, debelina sten por pa je 0,2–0,4 mikrometra. Pravzaprav ima pena takšno obliko kot pokončno postavljen šop cevi.
Nanoceluloza ima že sama po sebi odlične lastnosti. Dodatka grafenovega oksida in sepiolita sta pripomogla k boljši končni izolativnosti in negorljivosti, borova kislina pa je odlično »vezivno« sredstvo uporabljenih materialov.
Omenjate, da gre za sestavine iz obnovljivih poceni materialov. Ste lahko natančnejši?
Nanoceluloza je nanostrukurirana celuloza – to je celuloza, razklopljena z mehanokemijskim postopkom do karseda majhnih, osnovnih gradnikov oziroma delcev, ki so vlaknastih oblik. Običajno se pridobiva iz lesne kaše, ki je v izobilju, lahko pa tudi iz papirja ali katerega koli drugega izvora celuloze. Prav tako je v naravi ogromno glini podobnih materialov. Grafenov oksid pa naj bi bilo možno v prihodnosti pridobivati iz biomase.
Ali to pomeni tudi veliko prednost pred zdaj najpogosteje uporavobljneimi materali? Kolikor vemo, se najpogosteje uporablja stiropor pri preobleki stavb.
Seveda. Tako iz energetskega kot tudi okolju (ne)prijaznega vidika.
Ni zanemarljiva tudi zahteva glede okolju prijaznega materiala in tudi škodljivega za zdravje. Kako bi se v te kategorije umestila negorljiva pena vaše raziskovalne skupine?
Ta pena je nedvomno superiorna kar se tiče prijaznosti do okolja in zdravja. Kot že rečeno, je pripravljena iz obnovljivih, naravnih virov. Sama pridobitev surovin ni tako zapletena in energetsko zahtevna. Material je tudi popolnoma razgradljiv. Po drugi strani je stiropor produkt petrokemičnih spojin, katerih sinteza je energetsko in okolijsko zahtevna. Stiropor je tudi nerazgradljiv in akumulacija odpadnega stiropora v okolju danes že predstavlja velik problem za razne ekosisteme. Še več, pri stiroporu se uporabljajo halogenirane spojine, ki izboljšajo negorljivost, a so strupene in okolju neprijazne (potencialni povzročitelji tople grede).
Kako bi se ta novi material obnesel glede kompatibilnosti z obstoječimi izolacisjkimi materiali?
Nanokompozitna pena bi lahko nadomestila standardni toplotnoizolacijski material, to je ekspandirani polistiren (EPS). Ker je dvakrat bolj izolativna od EPS, bi za dosego podobnega izolacijskega učinka zadostovala dvakrat manjša debelina toplotnoizolacijskega fasadnega sistema. Vendar so potrebne še nekatere inženirske rešitve kako material uporabiti. Material je izredno lahek (od 100- do 200-krat lažji od vode) in tudi anizotropen, kar pomeni, da ima zaradi svoje notranje zgradbe v različnih smereh različne fizikalne lastnosti. Njegova odlična izolativnost se nanaša na radialno smer navpičnih cevastih por (rast kristalov ledu), mehanske lastnosti pa na aksialno, kjer pa ni tako dober izolator.
Ste raziskovalci kaj predvideli tudi cenovno komponento izdelka, glede na to, da ste rekli, da so sestavine iz obnovljivih poceni materialov?
Ne. V te projekcije jaz nisem (bil) vpleten. Lahko pa povem, da bo potrebno pred morebitno industrijsko proizvodnjo iznajti cenejši način kontroliranega zamrzovanja od trenutne uporabe tekočega dušika. Tu bodo prav prišli znanje in tehnološki procesi v industriji hrane, kjer imajo izkušnje s tehnologijo zamrzovanja in pripravo pen. Vsi nadaljnji koraki potekajo pod okriljem Univerze v Stockholmu.
O vsem, kar ste povedali, verjamem, da si gradbeniki in arhitekti želijo čim prej dobiti to posebno negorljivo peno na trg. Kakšna so predvidevanja?
Imate prav. Po objavi je bilo veliko povpraševanja iz te smeri. Kot že povedano v prejšnjem odgovoru na vprašanje, nisem vpleten v procesa komercializacije in »scale-up-a«, to poteka pod okriljem Univerze v Stockholmu. Vsekakor je težko napovedati, kdaj bo na trgu, če sploh, a možnosti so dobre. Če ne bo prevelikih ovir, bi lahko material prišel na trg v treh do petih letih.
Foto: Igor Domijan
Video: osebni arhiv
