Přírodovědci z MU zkoumají využití plazmové tužky

V oblasti vědeckého výzkumu zaznamenala Masarykova univerzita v roce 2005 hned několik významných úspěchů. Kromě toho, že byly do provozu uvedeny Integrované laboratoře biomedicínských technologií a v Národním centru pro výzkum biomolekul byly uskutečněny dva důležité objevy v oblasti proteinového inženýrství (viz muni.cz 02/2005 a 07/2005), tak Evropský patentový úřad schválil patent na nový princip generování plazmatu. I za tímto objevem stojí tým vědců z Přírodovědecké fakulty MU.

Plazma, tedy směs neutrálních a nabitých částic, do vyšších energetických stavů nabuzených atomů a molekul, fotonů a dalších energii přenášejících komponentů, je také známo jako čtvrté skupenství hmoty. V přirozeném stavu v pozemském prostředí existuje v různých formách například jako blesk či polární záře, v technické praxi ji známe mimo jiné v její chladné podobě v zářivkách či neonech. Plazma přitom tvoří až 99 procent celkové hmoty ve vesmíru, kde existuje v různých formách, například jako hvězdy či vesmírné mlhoviny. Jednou ze základních vlastností plazmatu je tzv. kvazineutralita, což znamená, že se jako celek chová neutrálně, ale díky přítomnosti volných nabitých částic se v objemu plazmatu vytváří nehomogenně rozložený prostorový náboj indukující lokální elektromagnetická pole, což dává tomuto stavu hmoty zvláštní charakter. I z toho důvodu je plazma v pozemských podmínkách silně nestabilní a volně se téměř nevyskytuje. Většina hmoty planety je složena z elektricky neutrálních prvků a sloučenin v pevném, kapalném a plynném skupenství. Člověk však umí plazma nejen různými způsoby generovat, ale i je udržet v pro ně nepříznivých podmínkách.

Ke generování plazmatu se využívá účinků silného energetického pole – elektromagnetického pole, intenzivního světelného záření (laser), rázových vln či vysokoteplotního plamene. Způsob generování také určuje vlastnosti vzniklého plazmatu. Největšího rozšíření a využití v praxi získalo plazma generované vysokofrekvenčním nízkotlakým elektrickým výbojem (např. v oblasti mikroelektroniky), které se mimo jiné dá také použít při čistění a restaurování archeologických či jiných historických předmětů.

Právě v tomto oboru působí jeden ze spoluautorů nového patentu Mgr. Miloš Klíma, Ph.D., jenž také stál u zrodu nového studijního oboru Chemie konzervování a restaurace a jemuž jeho specializace vynesla místo ve vládní expertní skupině pro odstraňování povodňových škod z roku 2002 na dokumentech archivní, sbírkové a knihovní povahy.

Záchrana kulturního dědictví
Na Miloše Klímu se v devadesátých letech obrátila pracovnice Jihomoravského muzea ve Znojmě, zda by nevymyslel nějakou metodu na čištění předmětů ze skla a keramiky. Dosavadní plazmochemické metody totiž působí celoplošně; nánosy minerálů by tedy sice odstranily, ale protože tyto nánosy zpravidla nebývají rovnoměrné, došlo by k poškození vlastního materiálu. „Shodou okolností jsme tehdy na katedře fyzikální elektroniky studovali výboje za nízkého tlaku s lokálním účinkem, přesněji se tomu říká radiofrekvenční supersonická plazmová tryska. Jednalo se de facto o předobraz našeho vynálezu, fungující však pouze na nízkého tlaku. My jsme nalezli metodu, kdy plazmová tryska funguje za vyššího atmosférického tlaku. Do té doby se vědci domnívali, že tento typ výboje není za vysokého tlaku vůbec možný,“ vzpomíná Miloš Klíma. To se psal rok 1996, v roce 1998 již Masarykova univerzita podávala za tým vědců, v němž kromě Miloše Klímy byl i Jan Janča, Vratislav Kapička, Pavel Slavíček a Petr Saul, patentovou přihlášku v České republice a o rok později v USA, Japonsku a EU.

Zjednodušeně lze patent popsat jako nový způsob vybuzení vysokotlakého elektrického výboje uvnitř duté elektrody a na jejím ústí, kdy elektrodou protéká pracovní médium (nejčastěji argon), jež se při výboji aktivuje a vzniká tak plazma. To poté tryská z dutiny a z ústí plazmové trysky do vnějšího prostředí, kde může působit jak na pevné a sypké objekty, tak na kapalinu. Od plazmové trysky nebylo daleko k plazmové tužce, což je pouze pracovní název pro konstrukční řešení, které vynálezci vyvinuli. Plazmová tužka umožňuje lokální použití s účinnou stopou přibližně 0,01-5 milimetrů čtverečních a také se s ní mnohem lépe manipuluje.

„Konstrukčně jsme plazmovou tužku také vyřešili tak, aby bylo možné ji ponořit do kapaliny, čímž vzniká nový unikátní reakční systém všech čtyř skupenství hmoty najednou: plazmy, plynu procházejícího elektrodou, kapaliny a pevné látky, tedy předmětu, který má být čištěn,“ vysvětluje Miloš Klíma. Oproti použití klasického chemického roztoku, kdy vyčištění zkorodované mince může trvat až několik desítek hodin, v kombinaci s plazmovou tužkou to lze zvládnout při postupném opracování povrchu za několik minut (lokální účinky v sekundách). Plazma tak podstatnou měrou zvyšuje rozpouštěcí účinky roztoku a umí je přesně lokalizovat pouze do oblasti dotyku plazmatu s povrchem předmětu.

Další příklady využití
Patent má však i jiné využití, například při zvyšování hydrofility materiálů. Třeba plasty jsou vysoce hydrofobní; kápnete-li na ně trochu vody, ulpí v kapkách na povrchu. To je také příčina, proč se na plasty obtížně nanášejí barviva. Po opracování plazmovou tužkou se však kapka rozptýlí. Změnou pracovního média v trysce však můžeme proces obrátit a docílit naopak vyšší hydrofobnosti. Zmiňovaný reakční systém také může sloužit pro syntézu chemických sloučenin. Vědci díky plazmové tužce objevili i nový způsob dekorování keramiky a v současnosti bádají nad využitím plazmové tužky v chirurgii. „Chirurgové používají něco podobného, jejich zařízení ale pracuje na jiné frekvenci a má jinou geometrii elektrody. Použití je široké, od koagulace (zastavení krvácení) až po řezání,“ uvedl spoluautor patentu Mgr. Pavel Slavíček, Ph.D.

Přestože možností využití plazmové tužky v praxi je hned několik, žádná firma zatím licenci na použití patentu nezakoupila. „Plazmová tužka generuje plazma ve velkém rozsahu vnitřních energií, dle podmínek od 50 až po 1600 stupňů, což je velmi vysoké rozmezí, které není ani nejchladnější ani nejteplejší. Na typy výbojů, které generují studené nebo horké plazma, již existují technologie, aplikace i trh. Na naše rozmezí aplikace dosud neexistují a my je nyní musíme vytvářet,“ vysvětluje problémy s komercializací objevu Miloš Klíma. Tým proto chystá ve spolupráci s Centrem pro transfer technologií založení tzv. spin-off firmy. Tak se obecně označují firmy, které se odštěpí od výzkumné instituce za účelem komercializace jejích výsledků. Takto založená firma by byla umístěna do vědeckotechnologického inkubátoru Jihomoravského inovačního centra.