2013. március: innováció, jegyzet, portré, tudomány, nanotechnológia, anyagtudomány, elektronika, paragrafus, egyetem, atomenergia, építés, it, fenntarthatóság, zöldkörnyezet
2013. március 6.

Szerző:
Szegedi Imre

Anyagtudomány filozófiai és gyakorlati megközelítésben

„Fogas kérdés, hogy hol kezdődik és hol ér véget az anyagtudomány, amelybe egyaránt bele­tartozik az élő és az élettelen anyagok világa. Az azonban bizonyos, hogy az anyagtudományról nyugodtan kijelenthetjük, hogy a létező tudományágak között ez tekinthető a leginkább multi­diszciplináris területnek” – vallja Bársony István, az MTA Természettudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet (MTA TTK MFA) igazgatója, akit a hazai anyagtudományi kutatásokról kérdeztünk.


Mit értsünk anyagtudományon, hiszen a természet­tudományok szinte mindegyike közvetlenül az anyaggal foglalkozik?
– Az első tudomány a filozófia volt, amelyből később kialakult a matematika, az orvostudomány, a fizika, a kémia, a biológia. Napjainkra azonban eljutottunk oda, hogy nem véletlenül volt a filozófia – amely egységként kezelte a körülöttünk lévő világot – sokáig az ókor egyetlen tudománya. Rá kellett jönnünk, hogy ma sincs másként, a 21. század elején ismét csak egységes egészként kell tekinteni a tudományra. Egy óriási rendszerről van szó, amelyben az ember zavaróhullámokat kelt azzal, hogy kreatív módon beleavatkozik a működésébe. Való igaz, hogy az anyagtudománynak nincsenek éles határvonalai, s joggal vetődhet fel bárkiben, hogy a Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet miben különbözik az MTA Természettudományi Kutatóközpont más intézeteitől? Abban, hogy intézetünk multidiszciplináris rendszerintegrátorként működik. Szeretnénk megérteni az alapfolyamatokat, s ha ez sikerül, az új ismeretek birtokában megpróbáljuk ezt a tudást kreatív módon alkalmazni. Ez az intézet nem szégyelli, hogy a gazdaság számára hasznosítható eszközökkel is előáll. Sőt, szolgáltatás gyanánt rendelkezésére álló műszereit is felkínálja az ipar számára. Mi megnézzük az anyagok szerkezetét, megismerjük az anyagok tulajdonságait, viselkedését, majd megpróbáljuk az előállításokhoz szükséges technológiát az előbbi összefüggésrendszerből kibogozni, majd egy integrált eszköz formájában hasznosítani, hiszen annak funkcionális működése bizonyítja, hogy megértettem a természetben zajló folyamatokat. Mi egyes kiválasztott területeken erre a teljes folyamatra figyelünk, nem csupán elvont részkérdésekre koncentrálunk. A szilárdtestfizika, a kémiai és biológiai anyagtudomány valamennyi fővárosi és vidéki egyetemünkön megjelenik. De olyan tevékenység, aminek révén össze tudnak rakni működő mikro-nanofunkciót, azaz integrálni, tudtommal csak itt folyik.

Egy mélyagyi stimulációra és neurofiziológiai mérésekre alkalmas, szilíciumból előállított
tűszonda pásztázó elektronmikroszkópos képe (100-szoros nagyításban). Fotó: MTA TTK MFA

Kikkel állnak kapcsolatban?
– Egyetemekkel, társintézetekkel és cégekkel. A kutatási együttműködésen túl az egyetemekről kapjuk az utánpótlást. Elemi érdekünk, hogy a legjobb hallgatókat idejében „levadásszuk”. Az ipar a multinacionális és hazai nagyvállatokra, illetve a kis- és középvállalkozásokra osztható. A mi területünkön hazai kézben lévő nagyvállalat nincs, szinte kizárólag multinacionális cégek magyar leányvállalatai működnek az országban. Ezek azonban – néhány kivételtől eltekintve – nem bennünket keresnek meg. A hazai középvállalkozásokkal szorosan együttműködünk, ahogy a kisvállalkozásokkal is együttműködnénk, de sajnos, érdemi innováció nagyon kevésnél folyik. Nem is lehet ezen csodálkozni, hiszen nincs elég szakképzett munkatársuk, és döntően beszállítói feladatokat látnak el. A nehézségek ellenére próbálunk ipari partnereket felkutatni, magunk mellé állítani. E cél érdekében öt évvel ezelőtt európai mintára, és az akkori NKTH (Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal – a szerk.) kétéves szervezési támogatásával, a gazdaság különböző szereplőivel összefogva intézetünk vállalta az Integrált Mikro/Nanorendszerek Nemzeti Technológiai Platform (IMNTP) megszervezését.

A MEMS laboratóriumban 1,5-től 7 centiméteres hosszúságig
készülnek mélyagyi szondák. Fotó: MTA TTK MFA

Működik még a platform?
– Sikerült összehozni közel ötven ipari szereplőt. A platformba gyakorlatilag a teljes hazai anyagtudomány beletartozik.
A mai napig igény van rá, hogy legyen egy szervezet, amelyik folyamatosan tájékoztat a legújabb fejleményekről, pályázati lehetőségekről, összehangolja a szakmai stratégiai törekvéseket, kapcsolatot épít az egymással egyébként nem érintkező cégek között. Az Európai Nanotechnológiai Platformmal (ENIAC JTI) is felvettük a kapcsolatot.
Az ENIAC JTI pályázati felhívásainak sajátossága, hogy a támogatási forrást az ipari cégek, az Európai Unió és a nemzeti kormányok együttesen biztosítják. Ezen a téren nagyon eredményesek voltunk, hiszen ebben a finanszírozási formában az IMNTP segítségével három hazai pályázó konzorcium volt sikeres.

A mélyagyi szondák jeleinek feldolgozása a szabványos
integrált áramköri csatlakozókon keresztül lehetséges. Fotó: MTA TTK MFA

Kötődnek kézzelfogható kutatási eredmények az IMNTP-hez?
– Egyik tavaly végződött projektünk eredményeképpen a hazai gumiipari cégekkel ezekben a hetekben arról tárgyalunk, hogy a kifejlesztett erőmérő érzékelőket miként építhetnék be az általuk gyártott gumiabroncsokba. A mi érzékelőink közvetlenül tudnak adatokat szolgáltatni például a kerekek csúszásáról, a tapadási tényezőkről. Ezeket a huzalozás nélkül továbbított információkat a gépjármű vezérlésében lehet hasznosítani. Tapasztalataink szerint az ipar konzervatív, így a gumiipar is, meglehetősen nehezen fogadja el, hogy az abroncsba a sok egyéb adalék mellett még egy szilícium chipet is tegyenek. De megoldható. Jelenleg azon gondolkoznak a cégek, hogy éljenek-e ezzel a lehetőséggel. Sajnos Európa egészének gondja a lassú döntés a gyártásba vitel során. Láttuk, hogy ez milyen problémákhoz vezet. Nevezetesen ahhoz, hogy innovatív gyártástechnológiában Ázsia és Észak-Amerika egyre jobban elhúz mellettünk.

A tapintásérzékelő lelke, a háromdimenziós erők mérésére alkalmas
0,5 milliméter átmérőjű szenzor. Fotó: MTA TTK MFA

Már 2009-ben arról nyilatkozott, hogy az érzékelők fejlesztése az egyik legígéretesebb anyagtudományi kutatási irány. Mi történt azóta?
– Nagyon nagy igény van arra, hogy valamilyen jelenséget közvetve vagy közvetlenül elektromos jellé alakítsunk. Az átalakítás, az érzékelés széles skálán értendő. A fizikai érzékelés nagy átlagot mér, mint például légáramlási sebesség, hőmérséklet. Állítólag ezekből a viszonylag egyszerű, mérendő fizikai jellemzőkből is 96-ot ismernek.
A kémiai érzékelők specifikusabbak. A szaglás esetében például el kell tudni különíteni a benzin illatát a földgázétól. Ezen a területen is próbáltunk egy közvetett eljárással, a katalitikus érzékelés módszerével előrelépni. Hazai és japán ipari partnerrel karöltve ilyen típusú érzékelőket fejlesztünk más-más célra. Ilyen együttműködésben azonban nemcsak azt kell demonstrálni, hogy az eszközünk működik, hanem olyan technológiai megoldással kell előállnunk, amelyre elérhető gyártási, reprodukciós kapacitás is létezik a nagyvilágban. A biológiai érzékelésnél azt használjuk ki, hogy specifikus. Ha kizárólag arra vagyok kíváncsi, hogy az élel­miszer romlott-e vagy sem, akkor tudom, hogy milyen aromatikus vegyület jelenlétét kell kimutatnom. Arra az egyre kell lőnünk! Ezt kémiai módszerrel nehéz megvalósítani. Egy eljárás azonban mindig pontos eredményt ad: ez a fehérjéken alapuló bioérzékelés. A stabil térbeli szerkezetű fehérjék csak meghatározott anyagokkal lépnek kapcsolatba. Ha ezt a specificitást mesterségesen befolyásoljuk, akkor elvileg kimutathatjuk a keresett molekulát. Ez a jelölésmentes bioérzékelés a másik erős kutatási irányunk. Optikai vagy elektromos kiolvasási módszerrel is dolgozunk, ami már elvezet a nanoszerkezetek birodalmába.

Irányérzékeny gázáramlásmérő szenzor elektronmikroszkópos képe.
A 200 mikron szélességű csatornák kereszteződésében egy platina fűtőszál által keltett hő
különböző mértékben terjed. Fotó: MTA TTK MFA

Az intézet honlapján több kiemelkedő nanotechnológiai eredményről lehet olvasni. Ön mit tart ezek közül a legfontosabbnak?
Tapasztó Leventének és munkatársainak a világon először sikerült a grafén szerkezeti hullámzását nanométer alatti (0,7 nanométer) pontossággal szabályozniuk. Az addig elérhető 300 nanométeres hullámhosszhoz képest ez óriási előrelépés. Az intézet nanoszerkezeteket vizsgáló laboratóriumában ez immár a második olyan felfedező kutatási eredmény, amely új etalont állít fel a grafénkutatás területén. A korábban kifejlesztett STM litográfiás nanomegmunkálási eljárásuk pontosságát (2,5 nanométer széles grafénszalag) a mai napig sem sikerült túlszárnyalni. Biró László Péter professzor kutatócsoportja a boglárkalepkék szárnyán is megtalálható fotonikus nanoarchitektúrák (olyan nanoszerkezetek, amelyek a rájuk eső fény szelektív visszaverésével kapják a színüket) tulajdonságait vizsgálva arra jött rá, hogy a szárnyak különböző színárnyalatai biztosítják a rendkívül hasonló, azonos élőhelyen előforduló fajok biztonságos megkülönböztetését. Felfedezéseik a hétköznapokban is hasznosíthatók: például olyan mobiltelefon-kijelzők alkothatók, amelyek a ma elterjedt háttérvilágítás helyett a napfény segítségével nyernék el színüket, így láthatóságuk a napfényben nem csökkenne, éppen ellenkezőleg, színeik az intenzívebb megvilágítás hatására erősödnének. A fotonikus nanoarchitektúrák szerepet játszhatnak a napelemek és a világítás hatékonyságának növelésében, illetve a jelenleginél gyorsabb, kevésbé melegedő számítógépek tökéletesítésében is.

Az Európai Bizottság idén januárban jelentette be, hogy egyenként egymilliárd euróval támogatja a kontinensen folyó agykutatást, illetve napjaink egyik különleges anyagának, a grafénnek a jobb megismerését. Itt is jelen vannak?
– A grafénes európai „Zászlóshajó programban” benne lehetünk, az agykutatáshoz kapcsolódhatunk. Az agyműködés fiziológiai vizsgálatához olyan mikroszondákat fejlesztünk, amelyek az agyi elektromos válaszjelek elvezetésére alkalmasak. Ezzel a mindössze hét centiméteres eszközzel, nagyon kis roncsolás árán, akár lokális stimulációt is tudunk végezni. Mi vagyunk birtokában annak a technológiának, amellyel egy ilyen eszköz létrehozható. Új félvezetőanyagokból épülő nanoszerkezetek, illetve kolloidkémiai nanoszerkezetek kutatása is folyik nálunk. Nyolc éve kezdtük el a tapintásérzékeléssel kapcsolatos kutatásainkat, tudatosan, hiszen az élet számtalan területén érzékelni, tapintani kell. Ezen a területen is várhatók eredmények. A nagy kérdés az, hogy miként lehet majd gyártani az ilyen érzékelőket? A dallamvilág számítógépes analízise is érdekes kutatási irány. Ennél az egyes népekre jellemző dallamkincs analízise alapján rokoni viszonyokat keresünk. Ha ezek egybeesnek más tudományágak – például a genetika – eredményeivel, komoly következtetéseket lehet majd levonni. De mivel a nyelvész nem beszél a genetikussal, a genetikus a zenésszel, a fizikus egyikkel sem, ezért nehéz előrelépni. Azaz, ugyanoda jutottunk, ahol elkezdtük: minden mindennel összefügg. A körülöttünk lévő világ egy nagy integrált rendszer, amit a maga egészében kell vizsgálni.

Bársony István professzor az MFA mikroelektronikai tisztalaboratóriumának
egyik vezérlőegységénél. Fotó: MTA TTK MFA

Ősszel adják át a Q2-ként ismert akadémiai komplexumot Lágymányoson. Önök is költöznek?
– Meggyőződésem, hogy igényes munkát csak igényes környezetben lehet elvárni, e logika alapján akár költözhetnénk is, hiszen 21. századi körülményeket biztosít az új épület. Mégsem megyünk, ezután is a csillebérci telephelyen dolgozunk. Ennek magyarázata, hogy a kutatóközponthoz tartozó intézetek közül nekünk van a legnagyobb infrastruktúránk, ami például különleges kialakítású tisztalaborokat is jelent. A közelmúltban az összes laborunkat felújítottuk, korszerűsítettük a biztonsági rendszereket, a légtechnikát. Nálunk működik az ország legjobb elektronmikroszkópos centruma, de azért látni kell, hogy korszerű kutatáshoz a legkorszerűbb berendezések kellenek. Ezt az Akadémia vezetése is felismerte, és megpróbál forrásokat teremteni rá. Reméljük, hogy végre a magyar tudomány is jelentős forrásokhoz jut a strukturális alapokból, s akkor a kutatási eszközök is megújulhatnak. Az elektronmikroszkópok terén például óriási a fejlődés: egy-egy berendezés erkölcsi elavulási ideje öt-tíz év közé tehető. Hiába van nekünk atomi felbontású mikroszkópunk, ha ennél egy-két kategóriával korszerűbbet használó kutatókkal kell versengenünk. Egy-egy ilyen berendezés beszerzési ára milliárdos tétel, viszont egy évtizedig szolgálhatná a hazai anyagtudományi kutatásokat. Reménykedünk…

Az emberi bőr redőivel összemérhető nagyságú az MFA-ban fejlesztett tapintás­érzékelő aktív,
mikromegmunkálással (MEMS) készülő szenzor egysége: a kép közepén
kivehető gombostűnyi alakzat. Fotó: MTA TTK MFA

Anyagtudományi körkép

A Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közhasznú Nonprofit Kft. budapesti egysége, az Anyagtudományi és Technológiai Intézet (BAY-ATI) meghatározó szerepet tölt be az anyagtudományi és anyagtechnológiai innovációs láncban a lézertechnológia, a polimertechnológia, az elektrokémia és a környezettechnológia terén.

A BAY-ATI Lézertechnológia Osztálya négyféle, különböző feladatokra alkalmas lézerberendezéssel is rendelkezik, ami Magyarországon egyedülálló. Az intézetben Lakatos-Varsányi Magda professzor asszony vezetésével speciális protéziseket fejlesztenek. Ortopédiai beavatkozások után ugyanis gyakori panasz, hogy a csípőízületeknél használt titánötvözeteken, kobalt-króm ötvözeteken, esetleg rozsdamentes acélfelületeken megtelepedő baktériumok fertőzéseket okoznak. A fertőzést úgy akadályoznák meg, hogy a fémimplantátumokra nanoszerkezetű nem folytonos ezüstbevonatot, ezüstgócokat választanak le elektrokémiai eljárással úgy, hogy az ezüst a felületről spontán és kellően hosszú ideig oldódjon, mivel ezek az ezüstionok biztosítják a nanoszerkezetű bevonat antimikrobiális tulajdonságát.

A spontán oldódást az implantátum és az ezüstszemcsék között biológiai folyadékban kialakuló mikro galváncellák biztosítják. Ahogy arról magazinunkban már korábban beszámoltunk, a Semmelweis Egyetemen az is bebizonyosodott, hogy a nemfolytonos nanoezüst réteggel bevont fémimplantátum biokompatibilis. A következő lépés az ilyen bevonattal ellátott, kutyákba ültethető protézisek előállítása, a végső cél: a humán alkalmazás.

Optikai és SEM felvételek szemcsésen ezüstözött TiAl6V4 protézis lefűrészelt végéről. Fotó: BAY-ATI

A szén nanocsövek kapcsolták be az Európai Unióhoz kötődő kutatóprogramokba a Szegedi Tudományegyetem Alkalmazott és Környezeti Kémiai Tanszékét. A szegediek a kilencvenes évek közepétől állítanak elő szén nanocsöveket. A Tisza-parti város kutatóinak érdeklődését a szén nanocső különleges elektromos és a hővezető tulajdonsága keltette fel. Az új anyag elektromos vezetőképességét az Európai Unió 2009 márciusában zárult, 6. keretprogramjához kötődő SANES-projektben a szén nanocsöves szenzorok kutatásakor járták körbe. A 2010. január 1-jén kezdődött, ugyancsak hároméves kutatásukban pedig a kiváló hővezető képességére alapozva a szén nanocsöves chiphűtés lehetőségeit kutatják.
Különleges anyagtudományi eredmény az az űrhab, amellyel 2010 augusztusában kísérleteztek a Nemzetközi Űrállomáson.

A miskolci Admatis Kft. habgenerátorával sikerült habot létrehozni az űrállomás fedélzetén. Ez már a második magyar anyagtudományi kísérlet volt a világűrben, az első 1980-ban Farkas Bertalan nevéhez fűződik. A magyar habosítási kísérlet mikrogravitációs körülmények között az űrállomás európai Columbus moduljában ment végbe. Magát a kísérletet Jeffrey Williams amerikai űrhajós végezte.

A füstgázokat, a levegőt szennyező porszemcsék leválasztását szolgáló technológia kidolgozását, a fémek, nemesfémes anyagok és egyes műanyagok felületének javítását, ellenállását és kopásállóságának növelését szolgáló kutatásokat – európai uniós tá­mogatással – a Dunaújvárosi Főiskolán folytattak. Az alkalmazott anyagtudomány és a környezetvédelem körébe tartozó kutatások a szerkezeti anyagokban, elsősorban acélokban lejátszódó folyamatok matematikai (számítógépes) és fizikai szimulációjára, a nanoszerkezetű anyagok létrehozására, valamint egy speciális, a szikrakisülésen alapuló felületnemesítésre, továbbá az ipari léptékű alkalmazásokat kísérő környezeti hatások számbavételére, tudatosítására és kezelésére koncentrált.

A Semmelweis Egyetem Fogorvostudományi Kar Anyagtudományi Kutató Központja (AKK) 2012 elején alakult. A központ célirányos képzettségű, interdiszciplináris együttműködésben járatos, nemzetközileg elismert kutatói gárdával végzi e részszakma magas szintű művelését. A kutatómunka nemcsak alapkutatást jelent az újonnan alakult központban, hanem alap- és alkalmazott kutatást, valamint kísérleti fejlesztést. Az AKK küldetésének tekinti az egyetemi kutatási eredmények ipari és üzleti hasznosítását is.•

 
Innotéka