Το χαρτί γίνεται αδιάβροχο, αντιστέκεται στη μούχλα, αποκτά μαγνητικές ιδιότητες, φθορίζει και – προσεχώς – δεν θα καίγεται!

Ενα «μαγικό» φίλτρο νανοτεχνολογίας που μπορεί να μεταμορφώσει απλά, καθημερινά υλικά, όπως το χαρτί και τα υφάσματα, σε έξυπνα υλικά που «ζωντανεύουν» όταν εκτεθούν σε συγκεκριμένες συνθήκες ανέπτυξαν οι ειδικοί του τμήματος των Έξυπνων Υλικών του Ινστιτού του Τεχνολογίας της Ιταλίας, με επικεφαλής την Ελληνίδα δρα Αθανασία Αθανασίου και κύριους συνεργάτες τους Δέσποινα Φραγκούλη (ερευνήτρια – υπεύθυνη ομάδας) και Ιλκερ Μπάγερ (ερευνητή – υπεύθυνο ομάδας).

Η επικεφαλής δρ Αθανασία Αθανασίου (αριστερά) μαζί με τους κύριους συνεργάτες της Ίλκερ Μπάγιερ και Δέσποινα Φραγκούλη.

Εμείς μιλήσαμε με τη δρα Αθανασίου, στην ομάδα της οποίας συμμετέχουν επίσης οι Ιωάννης Λιάκος (ερευνητής), Γιώργος Ανυφαντής (ερευνητής) και Αθανάσιος Μηλιώνης (διδακτορικός φοιτητής), η οποία μας εξήγησε πώς ξεκίνησαν τα… «άμπρα – κατάμπρα» στο εργαστήριο. «Αυτό που κάναμε είναι σχετικά απλό: δημιουργήσαμε ένα διάλυμα μονομερούς και στη συνέχεια το χρησιμοποιήσαμε επάνω σε κανονικό χαρτί, αλλάζοντας τις ιδιότητές του» λέει στο «Βήμα» η δρ Αθανασίου.

Η διαδικασία

«Η διαδικασία είναι η εξής: αρχικά εμβαπτίζουμε το χαρτί μέσα στο διάλυμα μονομερούς για λίγα μόλις δευτερόλεπτα και στη συνέχεια το βγάζουμε. Μόλις το μονομερές έρθει σε επαφή με τις ίνες κυτταρίνης του χαρτιού πολυμερίζεται, ακριβώς επειδή οι ίνες συγκρατούν τη φυσική υγρασία του περιβάλλοντος» εξηγεί αναλυτικά η ειδικός. Το μυστικό στο ταχύτατο αποτέλεσμα, υποστηρίζει, κρύβεται στην επιφάνεια των ινών κυτταρίνης η οποία φέρει ομάδες υδροξυλίου, που οδηγούν στον αστραπιαίο πολυμερισμό των υλικών που προσθέτουν οι επιστήμονες, χωρίς να απαιτείται οποιαδήποτε περαιτέρω επεξεργασία (π.χ. θερμική).

«Κατά τον πολυμερισμό το διάλυμα δημιουργεί ένα προστατευτικό πλαστικό κάλυμμα γύρω από κάθε ίνα του χαρτιού, ουσιαστικά “αγκαλιάζοντας” την καθεμία ξεχωριστά. Πρόκειται για ένα κάλυμμα το οποίο είναι βιοσυμβατό και παράλληλα βιοδιασπώμενο, γεγονός που σημαίνει ότι μετά την ολοκλήρωση της όλης διαδικασίας το χαρτί δεν χάνει τις βασικές του ιδιότητες» προσθέτει.

Σύμφωνα με την επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας, κατά την ανακύκλωσή του το χαρτί «καθαρίζεται», γεγονός που σημαίνει ότι σε περίπτωση που επιθυμούμε τη διατήρηση των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών του η εφαρμογή του διαλύματος θα πρέπει να επαναλαμβάνεται.

Τα χαρακτηριστικά αυτά οφείλονται στο «κοκτέιλ» των σωματιδίων που προσθέτουν οι ειδικοί στο διάλυμα, τα οποία μπορούν στιγμιαία να κάνουν μια κόλλα χαρτί αδιάβροχη, αντιβακτηριδιακή, φθορίζουσα ή ακόμη και μαγνητική.

Αδιάβροχο, υδροφοβικό ή και… μαγνητικό

Το διάλυμα νανοτεχνολογίας «αγκαλιάζει» τις ίνες κυτταρίνης του χαρτιού, όπως αποκαλύπτει φωτογραφία οπτικού μικροσκοπίου.

«Χάρη στην προστατευτική επικάλυψη που “αγκαλιάζει” τις ίνες του, το χαρτί γίνεται αδιάβροχο. Το νερό δηλαδή δεν μπορεί να διεισδύσει μέσα σε αυτές. Αυτή είναι η πρώτη βασική ιδιότητα που μπορούμε να δώσουμε στο χαρτί. Ως τμήμα νανοτεχνολογίας, ασχολούμαστε με την ανάπτυξη νανοσωματιδίων. Αυτό που κάναμε λοιπόν ήταν να αναμείξουμε ορισμένα νανοσωματίδια με το αρχικό διάλυμα του μονομερούς, χαρίζοντάς του με τον τρόπο αυτόν επιπλέον δυνατότητες».

Πέρα από την αδιαβροχοποίηση που επιτυγχάνεται «ντύνοντας» τις ίνες του χαρτιού με τη συγκεκριμένη επικάλυψη, οι ερευνητές προχώρησαν στην προσθήκη σωματίδιων κεριού ή Teflon – του γνωστού υλικού που καλύπτει τα αντικολλητικά τηγάνια. Αυτό έδωσε στο χαρτί έναν υδροφοβικό χαρακτήρα («Applied Material & Interfaces», 2011, 3, 4.024-4.031) .

«Η λογική αυτή θα μπορούσε να εφαρμοστεί σε διάφορες συσκευασίες – π.χ., ηλεκτρονικών συσκευών ή τροφίμων – οι οποίες όχι μόνο θα αποκτούσαν αντοχή στο νερό, αλλά σε περίπτωση που βρέχονταν θα καθαρίζονταν κιόλας» υποστηρίζει η δρ Αθανασίου.

Σε άλλη περίπτωση, προσθέτοντας στο διάλυμα νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου, οι ειδικοί δημιούργησαν χαρτί με μαγνητικές ιδιότητες («Journal of Materials Chemistry», 2012, 22, 1.662-1.666).

Φθορίζουσα αυθεντικότητα

Με τη βοήθεια του «θαυματουργού» διαλύματος, κατάφεραν ακόμη να δημιουργήσουν χαρτί που «φωνάζει» την αυθεντικότητα.

«Προσθέτοντας στο διάλυμα φθορίζοντα νανοσωματίδια, το χαρτί απέκτησε φθορίζουσες ιδιότητες. Κάτι τέτοιο σημαίνει ότι με τη βοήθεια μιας λάμπας υπεριώδους ακτινοβολίας (UV) και σε συγκεκριμένο μήκος κύματος, μπορούμε να δούμε ότι φθορίζει». Πρόκειται για μια ιδιότητα που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την επιβεβαίωση της αυθεντικότητας, τόσο επίσημων εγγράφων (διαβατηρίων, συμβολαίων κ.ά.) όσο και χαρτονομισμάτων.

«Η κατεργασία μπορεί να γίνει σε ένα πολύ συγκεκριμένο σημείο του εγγράφου. Μπορείς, π.χ., να μην εμβαπτίσεις ολόκληρο το χαρτί στο διάλυμα και να βάλεις μόνο μία σταγόνα σε μια γωνίτσα του χαρτιού που θέλεις να φθορίζει. Αν το χαρτί φθορίζει εκεί, τότε είναι αυθεντικό» περιγράφει η δρ Αθανασίου.

Αντιβακτηριδιακό χαρτί

Η σταγόνες μελάνης μένουν στην επιφάνεια του «αδιάβροχου» χαρτιού σαν μπλε γυάλινοι σβόλοι.

«Μια άλλη ιδιότητα που καταφέραμε να χαρίσουμε στο χαρτί είναι η αντιβακτηριδιακή. Προσθέτοντας στο διάλυμα νανοσωματίδια ασημιού με αντιβακτηριδιακές ιδιότητες, καταφέραμε να δημιουργήσουμε χαρτί επάνω στο οποίο δεν αναπτύσσονται βακτήρια (“Nanomedicine”, 2011, 6 (9), 1.483-1.485) . Ακόμη δηλαδή και αν το χαρτί βρίσκεται σε ένα ευρύτερο περιβάλλον βακτηρίων, αυτά δεν θα καθήσουν ποτέ επάνω του. Κάτι τέτοιο θα μπορούσε να είναι ιδιαίτερα σημαντικό για παράδειγμα στην περίπτωση της μούχλας. Εφαρμόζοντας δηλαδή το διάλυμα σε παλαιά έντυπα, παπύρους ή ακόμη και εφημερίδες και περιοδικά, θα μπορούσαμε να επιτύχουμε την ασφαλή διατήρησή τους στον χρόνο» υπογραμμίζει η ελληνίδα επικεφαλής.

«Αλλη μία πολύ σημαντική εφαρμογή τού εν λόγω αντιβακτηριδιακού χαρτιού θα ήταν η χρήση του σε εργαστήρια, νοσοκομεία, ιατρεία, π.χ., υπό μορφήν των ειδικών χάρτινων προστατευτικών καλυμμάτων επάνω στα οποία κάθονται οι ασθενείς. Επίσης με την ίδια διαδικασία θα μπορούσαν να δημιουργηθούν αντιβακτηριδιακές ταπετσαρίες».

«Το καλό με τη συγκεκριμένη διαδικασία είναι ότι, επειδή δεν είναι επιθετική απέναντι στο χαρτί ή στο μελάνι, μπορεί να προστατεύσει αποτελεσματικά τα έγγραφα. Μπορεί μάλιστα να πραγματοποιηθεί τόσο σε λευκό χαρτί πριν από την εκτύπωση του όσο και σε γραμμένο ή εκτυπωμένο χαρτί» τονίζει η ίδια.

Διάρκεια με ρυθμιζόμενο χρονοδιακόπτη

Σύμφωνα με τους ερευνητές, το καλό με τα μονομερή υλικά που πολυμερίζονται και στερεοποιούνται είναι ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διαφορετικές μορφές. Κάτι τέτοιο τούς προσφέρει τη δυνατότητα να «παίζουν» με τη διάρκεια της δράσης τους.

«Ολα εξαρτώνται από το πόσους άνθρακες έχουν στην αλυσίδα τους» μας λέει η δρ Αθανασίου. «Αυτό σημαίνει ότι τα υλικά αυτά μπορούν να διασπαστούν μετά την πάροδο μιας εβδομάδας ή ύστερα από χρόνια. Εμείς έχουμε τη δυνατότητα να ρυθμίσουμε τη διάρκεια της δράσης του διαλύματος ανάλογα με την εφαρμογή που θέλουμε να πραγματοποιήσουμε κάθε φορά».

Μελλοντικώς και άκαυστο

Στην παρούσα φάση οι επιστήμονες εξετάζουν τις μηχανικές ιδιότητες του χαρτιού και τις ιδιότητες της θερμικής μόνωσης. Προσθέτοντας δηλαδή στο εν λόγω διάλυμα νανοσωματίδια με θερμομονωτικές ιδιότητες οι ειδικοί στοχεύουν στη δημιουργία ενός «άτρωτου» χαρτιού, που θα αντέχει ακόμη και στην πυρκαγιά.

«Πέρα από το μέσο που χρησιμοποιούμε για να κρατήσουμε εκεί τα σωματίδια αυτά – π.χ. το πλαστικό – όποια ιδιότητα έχουν από εκεί και πέρα τα σωματίδια που προστίθενται στο διάλυμα περνά στο χαρτί».

Το κάλυμμα πλαστικού είναι σχεδόν ανύπαρκτο, καθώς δεν μπορεί κανείς μέσω της αφής να καταλάβει αν υπάρχει ή όχι. Μέσα σε αυτό όμως περικλείονται τα «μαγικά» σωματίδια που πασπαλίζουν με «χρυσόσκονη» το χαρτί, χαρίζοντάς του πρωτόγνωρες ιδιότητες.

Κοντά στο τελικό προϊόν

Σύμφωνα με τους ερευνητές σε ένα με δύο χρόνια θα μπορούσε να υπάρχει ένα τελικό προϊόν, τόσο για βιομηχανική-επαγγελματική χρήση όσο και για ιδιωτική χρήση. Και αυτό λόγω της περιορισμένης εργαστηριακής κλίμακας στην οποία δουλεύουν.

«Η μέθοδός μας είναι σχετικά εύκολη και τα υλικά είναι βιοσυμβατά, γεγονός που σημαίνει ότι δεν κρύβουν οποιονδήποτε κίνδυνο για την υγεία μας» υπογραμμίζει η δρ Αθανασίου.«Οσο για το κόστος, αυτό είναι πάρα πολύ προσιτό. Σκεφτείτε ότι πρόκειται για ένα διάλυμα που αποτελείται από ένα πολυμερές παρόμοιο με το υλικό της κόλλας που βρίσκουμε στο σουπερμάρκετ. Εμείς φυσικά το χρησιμοποιούμε στην καθαρή του μορφή».

Εφαρμογή και σε υφάσματα

Με την προσθήκη φθοριζόντων νανοσωματιδίων στο διάλυμα οι ειδικοί δημιούργησαν χαρτί που «φωνάζει» την αυθεντικότητά του όταν εκτεθεί σε υπεριώδη ακτινοβολία.

Η εφαρμογή του διαλύματος νανοτεχνολογίας δεν προορίζεται αυστηρά και μόνο για το χαρτί. Παρόμοια επεξεργασία, όπως μας επιβεβαιώνουν οι ειδικοί, μπορεί να πραγματοποιηθεί και σε ύφασμα. Για παράδειγμα, μια βαμβακερή μπλούζα μπορεί να γίνει αδιάβροχη. «Ακριβώς επειδή το υλικό της ειδικής επικάλυψης δεν είναι διασπώμενο στο νερό, δεν επηρεάζεται σε περίπτωση που η μπλούζα πλυθεί» μας ξεκαθαρίζει η δρ Αθανασίου. «Σε συνεργασία με εταιρείες ρούχων, κάνουμε τώρα δοκιμές σε υφάσματα για να δούμε κατά πόσον οι ουσίες που χρησιμοποιούνται κατά το στεγνό καθάρισμα θα μπορούσαν να είναι βλαπτικές στην προστατευτική επικάλυψη ή όχι».

Αυτό που είδαν οι ειδικοί, εξετάζοντας υφάσματα, ήταν ότι το υπόστρωμα επάνω στο οποίο εφαρμόζεται το συγκεκριμένο υλικό πρέπει να έχει ίνες, ούτως ώστε το υλικό να μπορεί να «αγκαλιάσει» την καθεμία από αυτές ξεχωριστά.

«Το δέρμα, για παράδειγμα, είναι λίγο διαφορετικό. Γνωρίζουμε ότι είναι πορώδες, αλλά ενδεχομένως να χρειάζεται διαφοροποιημένη επεξεργασία. Αλλωστε, η διαδικασία από υπόστρωμα σε υπόστρωμα αλλάζει ελαφρώς. Το διάλυμα μπορεί να χρειάζεται να είναι πιο συμπυκνωμένο ή αραιωμένο σε κάποιες περιπτώσεις, ανάλογα με την επιφάνεια που πρέπει να καλύψει κάθε φορά» λέει η δρ Αθανασίου.

«Προς το παρόν έχουμε μελετήσει πάρα πολύ καλά το χαρτί. Τώρα έχουμε ξεκινήσει να μελετάμε τα υφάσματα. Εχουμε επίσης μελετήσει μοκέτες με νήματα νάιλον, οι οποίες χρειάστηκαν ελαφρώς τροποποιημένη διαδικασία και λίγο μεγαλύτερο ποσοστό σωματιδίων προκειμένου να απωθούν το νερό».