6. Anorganické pórovité látky
Anorganické pórovité látky. Väčšina laickej verejnosti pod pórovitými látkami zväčša chápe látky s veľkými kavitami, ktoré sú viditeľné voľným okom, prípadne s použitím obyčajnej lupy. V skutočnosti do tejto skupiny látok patria všetky látky s vysokým percentuálnym podielom voľných priestorov bez ohľadu na ich veľkosť. Obrázok ukazuje dve látky s vysokým obsahom takýchto priestorov. Prvou je pórovitý skelet z oxidu hlinitého (ľavý obrázok), druhý je oxid kremičitý s kavitami s veľkosťou približne 5 až 500 nanometrov. Nezdá sa to, ale výrazne vyššie zastúpenie vzduchu v kavitách má oxid kremičitý.
Kým nepórovitých foriem čistého syntetického Al2O3 nie je mnoho (ľavý horný obrázok), tých pórovitých je takmer nekonečný počet. Podobne je to u mnohých iných látok. Súvisí to predovšetkým s obrovskou variabilitou veľkostí a tvarov kavít. Pórovité látky môžu byť zároveň pripravené v rôznych formách. Môžu to byť kompaktné telesá, granule rôzneho tvaru a veľkosti a tiež prášky s rôznou veľkosťou častíc.
Na obrázku je asi najznámejšie pórovité vysušovadlo na báze silikagélu, ktoré je používané najmä v chemických laboratóriách. Niekedy obsahuje malé množstvo CoCl2. Táto látka v dôsledku hydratácie mení svoju farbu, vďaka čomu možno dobre posúdiť aj stupeň nasýtenia silikagélu vodou. Použitie silikagélu je však omnoho širšie. Využíva sa napríklad v chromatografických analytických metódach. V tomto prípade sú však požiadavky na rozmerové charakteristiky pórov veľmi vysoké.
Horné obrázky ukazujú inú formu a iné použitie silikagélu. Je to silikagélový prášok s veľmi malými časticami silikagélu, ktoré sú nanesené na hliníkovej fólii. Sú určené pre chromatografické delenie látok rozpustných vo vode. Metóda sa zakladá na rôznej rýchlosti transportu týchto látok v kanálikoch medzi sférickými časticami silikagélu. Ich rôzna rýchlosť je výsledkom rôznych fyzikálno-chemických interakcií ich molekúl s interným a externým povrchom silikagélu. Spodný obrázok ukazuje drahé silikagély používané vo vysokotlakovej kvapalinovej chromatografii. Ich pórovitá štruktúra, veľkosť povrchu a vlastnosti povrchu sa ovplyvňujú podmienkami gelácie. Tá sa spomína v časti venovanej sól-gélovým metódam.
Na obrázku je prístroj pre vysokotlakovú kvapalinovú chromatografiu na Katedre analytickej chémie Prírodovedeckej fakultu Univerzity Komenského v Bratislave a separačná kolóna s týmto sorbentom.
Obrázky ukazujú jedno z moderných použití pórovitých matríc pokrytých vrstvou fotokatalyticky aktívneho oxidu titaničitého. Sú určené na čistenie vzduchu vo vzduchotechnických zariadeniach. Ich výrobcom je americká spoločnosť Dust Free. Slovenský distribútor týchto zariadení požiadal autora tejto fotogalérie o zaujatie odborného stanoviska k ich funkčnosti s následnou možnosťou ich testovania. Táto požiadavka bezprostredne súvisela s prvou vlnou súčasnej epidémie.
Variabilita pórovitých štruktúr prírodných anorganických látok reprezentovaných predovšetkým horninami je taktiež obrovská. Jeden hraničný začiatok tejto variability predstavujú vulkanické sklá (ľavý obrázok), ktoré napriek tomu, že takmer vždy obsahujú nejaké kavity, reprezentujú skupinu nepórovitých hornín. Na druhom konci sú horniny s výrazne nižšou hustotou ako má voda (pravý dolný obrázok).
Veľkou kuriozitou medzi mikropórovitými minerálmi sú zeolity, ktoré sa vyznačujú mimoriadne úzkym rozsahom priemerov kanálikov. Tie sa pohybujú približne pod úrovňou jedného nanometra. Takáto homogenita na najnižšej stavebnej úrovni je v anorganickej prírode veľmi vzácna. Mnohé prírodné zeolity sú pekné minerály, avšak veľký praktický význam nemajú. Na obrázku je natrolit, jeden zeolitových minerálov. Krajšie obrázky má mineralóg Daniel Ozdín z Prírodovedeckej fakulty UK. Prírodnými zeolitmi sa inšpirovali chemici, ktorí ich začali syntetizovať pre svoje potreby. Tie sa sústreďujú najmä do oblasti katalýzy. Spektrum syntetických zeolitov je však výrazne vyššie ako tých prírodných. Navyše, pripravujú sa v omnoho vyššej čistote a vo vysokom stupni homogenity.
Malý praktický význam zeolitov v prírode súvisí najmä s ich vzácnosťou v podobe čistých minerálov. Omnoho väčší význam majú zeolitové horniny. Obrázok ukazuje jednu z takýchto hornín. Je to zeolitový tuf pochádzajúci z významného európskeho ložiska zeolitovej horniny v Nižnom Hrabovci na východe Slovenska. Jeho hlavnou zložkou je zeolitový mikrokryštalický minerál klinoptilolit (SEM snímka). Táto hornina sa expeduje v podobe prášku alebo zrnitého materiálu. V týchto podobách sa používa ako sorbent, pôdne aditívum alebo je zložkou suroviny pre výrobu niektorých cementov. Tých aplikácií je však viac.
Možno najznámejšou pórovitou látkou prírodného pôvodu by mohola byť pre väčšinu vedcov, bez ohľadu na ich špecializáciu, sedimentárna hornina diatomit. Túto horninu totiž využil Alfréd Nobel ako prvú pri stabilizácii nitroglycerínu (glyceroltrinitrátu) v Dynamite. Každoročné udeľovanie Nobelových cien je hlavným profitom z využívania jeho patentov. Hlavnou zložkou diatomitu je oxid kremičitý. Táto hornina je totiž tvorená opálovými schránkami jednobunkových rias. Jej hlavnými zložkami sú opál, chalcedón a kremeň, vedľajšou zložkou sú ílové minerály. Nespevnená varianta diatomitu sa nazýva kremelina. V starších prácach sa niekedy označovala ako infusiórna hlinka alebo rozsievková zemina.
Asi najčastejšie sa pórovité horniny v minulosti využívali na stavbu obydlí. Ich peknou ukážkou na Slovensku sú Brhlovce na území Hontu, kde väčšina starších domov bola postavená z miestnych tufov a tufitov. Niekedy obydlia boli priamo vysekané do týchto hornín. Hlavné dôvody využívania takýchto hornín nielen na Slovensku, ale aj inde na svete sú ich dobré termoizolačné vlastnosti a ľahká opracovateľnosť. Obe vlastnosti priamo súvisia s ich pórovitosťou.
Záber z muzeálnej expozície interiéru domu v Brhlovciach.
Brhlovce však nie sú jediným miestom na Slovensku, kde sa využívali pórovité horniny na stavbu domov. Obrázok ukazuje použitie vulkanickej horniny trachytu v obytnom dome v Radzovciach na východe Slovenska. Takmer všetky staršie domy v tejto oblasti sú postavené z rovnakého materiálu. Niet sa čo čudovať. Postarali sa o to miestne sopky.
Asi najväčšou stavbou z ľahších pórovitých hornín vulkanického pôvodu je Fiľakovský hrad. Obrázok ukazuje hradný vrch s najzachovalejšou časťou valu niekdajšieho sopečného krátera.
Pohľad na veľkú rozmanitosť vulkanických hornín tohto hradu. Nie všetky však možno označiť ako jednoznačne pórovité.
Naopak, blízky hraničný hrad Šomoška je postavený z čierneho bazaltu (čadiča), veľmi tvrdej nepórovitej horniny. V tomto prípade však o ľahkej opracovateľnosti a termoizolačných vlastnostiach nemôže byť ani reči.
Je veľmi pravdepodobné, že o výbere materiálu pre jeho stavbu nerozhodoval koeficient prestupu tepla cez bazalt. Obrázok ukazuje, že v pôvodnej stavbe hradu bol použitý aj pieskovec, ktorý tvoril povrch pôvodného hradného vrchu.
K tradičným stavebným materiálom patrili v minulosti na Slovensku nepálené tehly. Často zvýšenie pórovitosti pôvodnej ílovej hmoty spôsobovali duté vlákna slamy, ktoré sa však do vlhkej ílovej hmoty zapracovávali s cieľom zvýšenia ich mechanickej pevnosti. Tento koncept fortfikácie (spevnenia) základnej hmoty prevzali v súčasných moderných materiáloch najmä sklenené, uhlíkové a kovové vlákna.
Dnes asi najviac oceňujú vlastnosti pórovitých hornín vinári. Vďaka nim totiž môžu uskladňovať vína v pivniciach s veľmi malými sezónnymi výkyvmi teploty. Tie sa pohybujú v intervale 10 až 12 oC. Na obrázku je pivnica v Tokajskej oblasti.
Ešte jeden záber tokajskej pivnice od geografa docenta Jána Laciku.
V súčasnosti sa na Slovensku pórovité horniny na stavbu domov už nepoužívajú. Ako ich „umelý analóg“ však môže slúžiť pórobetón. Surovinami na výrobu pórobetónu sú kremenný piesok (približne 70 %), vápno a cement (20 %), kalcinovaný sadrovec, hliník a voda. Kavity v tejto hmote vytvára vodík ako produkt reakcie medzi hliníkom, hydroxidom vápenatým a vodou.
Táto reakcia prebieha vo veľkých autoklávoch pri teplote približe 180 °C a tlaku 1 MPa. Obrázok ukazuje autoklávy v podniku Xella Slovensko v Zemianskych Kostoľanoch
Lomová strana pórobetónového stavebného dielca.
Pórovité štruktúry môžu byť tvorené aj vláknami. Aj v tomto prípade sa často využívajú ich termoizolačné vlastnosti. Na tomto obrázku je najrozšírenejšia anorganická tepelnozolačná hmota. Zvyčajne sa označuje ako minerálna vata. Vyrába sa tak, že vyvreté horniny bazalt (čadič), prípadne gabro sa roztavia pri teplote 1500 oC. Tavenina sa následne leje na rýchlo rotujúce disky. Vlákna vznikajú pri odvrhnutí taveniny z povrchu diskov odstredivou silou a jej súčasnom chladnutí. Táto termoizolačná hmota sa od roku 1973 vyrába v Novej Bani a väčšina panelákona na Slovensku je tepelne izolovaná práve ňou. Hlavnou výhodou tejto hmoty je jej mimoriadna tepelná stabilita nielen v porovnaní s penovým (expandovaným) polystyrénom, ale aj s hmotou na báze sklenenených vlákien.
Pórovitosť niektorých hornín možno výrazne umelo zvýšiť ich zahriatím na vysokú teplotu. Výrazné zväčšenie ich objemu spôsobuje expanzia vody v ich štruktúre. Priemyselne sa takto spracováva napríklad vulkanická hornina perlit. Je to zväčša kompaktná hornina, ktorá sa pred zahriatím melie na prášok. Obrázok ukazuje pôvodnú horninu, jej práškovú formu a zmenu jej objemu po zahriatí. Expandovaná forma perlitu zlepšuje termoizolačné vlastnosti stavebných materiálov. Používa sa však aj na iné účely. Expandovaný perlit sa vyrába aj na Slovensku.
Druhou významnou látkou, u ktorej sa v priemyselnom meradle využíva výrazné zväčšenie pórovitosti, je minerál vermikulit. Obrázok ukazuje expandovanú formu tohto minerálu. Tento približne 3 cm vysoký útvar vznikol rýchlym zahriatím asi jeden milimeter hrubej platničky pôvodného vermikulitu. Na rozdiel od perlitu, kde sa objem pôvodnej horniny zväčšuje približne rovnako vo všetkých smeroch, v tomto prípade expanzia pokračuje iba v smere kolmom na základnú rovinu tejto sľudy. Vznik tohto útvaru počas zahrievania pripomína červa vyliezajúceho zo zeme. Táto podobnosť stojí aj za názvom tohto minerálu (grécky „vermicus“: červík). Objem vermikulitu sa termickou expanziou zvýši 25 až 50 x.
Expandovaný vermikulit slúžiaci ako obalový materiál pri preprave nádob s chemikáliami. Jeho úlohou je najmä tlmiť otrasy a zabrániť prehrievaniu obsahu kontajnera. Najčastejšie sa táto látka používa ako termo-izolačný a zvukovo-izolačný materiál a sorbent. Je stabilný približne do teploty 1100 oC.
Expandovaný vermikulit na hladine vody. Jeho objemová hmotnosť sa pohybuje približne v intervale 50 až 150 kilogramov na meter kubický. V priemere to je desatina hustoty vody. Všeobecne platí, že s veľkosťou týchto vermikulitových „harmoník“ sa táto hodnota znižuje, pretože s nárastom ich veľkostí narastá aj objem priestorov medzi nimi.
To čo vidíme na ľavom obrázku je Mengerova špongia. Nie je to skutočné pórovité teleso, ale vizualizácia abstraktného matematického modelu nazvaného podľa rakúskeho matematika Karla Mengera (1902 – 1985). Patrí k veľkému počtu takzvaných fraktálových modelov, vytvorených opakovaním nejakého rovnakého algoritmu. V tomto prípade ho objasňuje spodný obrázok. Možno sa to nezdá, ale reálne teleso podobné Mengerovej špongii vo vyššom štádiu (po väčšom počte krokov) sa nedá (pravý obrázok). Na druhej strane je tento model poučný v tom, že poukazuje na všeobecný vzťah medzi pórovitosťou a veľkosťou povrchu reálnych látok. Vo svojej podstate je tento model zaujímavý aj niečím iným. Vyplýva z neho, že pri nulovej hmotnosti telesa (s nekonečným počtom kavít), je jeho interný povrch nekonečný. Určitú, avšak dosť vzdialenú analógiu má tento model v niektorých reálnych telesách. Tie zastupujú napríklad aerogély spomenuté v časti o sól-gélových metódach. Ich štruktúra je v niekoľkých krokoch skutočne vytváraná fraktálnym mechanizmom. Zároveň aerogély sú príkladom hraničného znižovania hrúbky stien pórovitej látky. Pod túto úroveň už ísť nemožno.
Mandelbrotova množina. Jeden z podobných fraktálnych modelov. Má svoju analógiu vo svete reálnych látok, pretože poukazuje na skutočnosť, že pri skúmaní akéhokoľvek povrchu tuhej látky, vždy budeme odhaľovať nové a nové detaily v závislosti od toho, akú máme k dispozícii techniku ich identifikácie.
Mandelbrotova množina. Odhalenie povrchu v nasledujúcom kroku.
Ako jeden z pekných príkladov variability pórovitých štruktúr v prírode môžu slúžiť aj vrstvy snehu. Ich pórovitú štruktúru primárne tvoria snehové vločky, avšak s narastaním hrúbky snehovej pokrývky a zároveň so zmenami teploty vzduchu dochádza k ich rekryštalizácii do sférických útvarov jarného firnu. Môže to pokračovať aj tvorbou kompaktného ľadu, ktorý je však typický skôr pre hlbšie vrstvy ľadovcov. Horizontálny a vertikálny profil týchto snehových vrstiev na východnej strane Krížnej vo Veľkej Fatre je však zvyčajne veľmi komplikovaný a znižovanie ich pórovitosti smerom k ich podkladu nie je nejakou jednoduchou lineárnou funkciou. Aj preto je ťažké určiť, kedy z týchto svahov sa spustí lavína. Na tomto mieste sa môžme trochu zaradovať z toho, že existujú aj plynné a kvapalné skupenstvá látok, pretože na rozdiel od toho pevného, tie sú homogénne. Z ktorejkoľvek časti nádoby ich odoberieme, vždy máme to isté. A to je veľký rozdiel oproti tej destilovanej vode v snehu na Krížnej.
Miesto odtrhnutia lavíny vo Veľkej Fatre.