Miért fontos terület a nano­tu­do­mány?

Bársony István: A nanovilág szabad szemmel nem látható, de hatásaival mindenki találkozik a különleges tulajdonságú termékektől kezdve a dízelmotorok kipufogógá­zainak nanorészecskéiig. A nanotechnológiai piac 2014-re várhatóan mintegy tízmillió embernek ad munkát világszerte, és évente ezermilliárd eurót meghaladó piaci értéket teremt. Ez a mintegy két évtizede fejlődő tudományág hamarosan mindenütt változásokat idéz elő: a mezőgazdaságtól kezdve a gyógyszeriparon át a textiliparig, s még sorolhatnám…

Szilícium mikrogépészeti eljárással előállított agyi elektróda szerkezetek biokompatibilis kivitelben

Hogyan kerültek önök kapcsolatba a nanotudományokkal? S hogyan került be ez az MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézete (MFA) kutatási programjába?

Gyulai József: A rendszerváltozást követően Jeszenszky Géza külügyminiszter javasolta, hogy a magyar fizikusok ne fordítsanak hátat az oroszországi, közös dubnai kutatóintézetnek: „ne hagyjuk veszni a tulajdonunkat”, érvelt, és engedélyezett évi 150 ezer dollár költségfedezetet az intézetben folyó munkára. A pénzből mi arra pályáztunk, hogy vizsgáljuk az anyagoknak az ott előállított „nagyon energikus” ionokkal való bombázás hatására történő viselkedését. Biró László Péter javaslatára nemcsak szilíciummal kísérleteztünk, hanem a könnyebben vizsgálható grafittal is. Az egyik besugárzás eredményét atomi erőmikroszkóppal tanulmányoztuk, és azt vettük észre, hogy furcsa, nanométeres „szőrök” láthatók a besugárzott grafit felületén. Ez nem sokkal azután volt, hogy a világ – Sumio Iijima japán kutató révén – tudomást szerzett a nanocsövek létezéséről. A dubnai kísérlet további tanulmányozásával derült ki, hogy a „szőrök” szén-nanocsövek, amelyek nagyjából a hangsebességgel megegyező gyorsasággal keletkeztek. Ezt követően átálltunk a sokkal produktívabb nanocső-előállításokra, és elsők lehettünk például a spirális alakú nanocsövek gyártásában.

Hasonlóan erős az MFA a grafénkutatásokban. Mit érdemes tudni erről az anyagról, és mit tudunk felmutatni mi a grafénkutatások terén?

Gy. J: A grafén nagyon gyorsan a nanotechnológiai kutatások középpontjába került, mivel különleges elektronszerkezete okán többen is felvetették, hogy felválthatja az integrált áramkörök gyártásában jelenleg egyeduralkodó szilíciumot. Sajátos elektronszerkezete miatt azonban a grafén módosítások nélkül nem alkalmazható a digitális technológiában. Ahhoz, hogy a mindennapi elektronikai eszközökben is használhassuk, el kell érni: a belőle készült tranzisztorszerű eszközök rendelkezzenek olyan állapottal, amikor nem folyik bennük áram. Ez úgy lehetséges, hogy például a grafénlapból – jól meghatározott kristálytani irányokban – nagyon keskeny szalagokat kell kivágni. Ezt a bonyolult technológiát a világon elsőként az MTA MFA kutatóinak sikerült megoldaniuk: egy pásztázó alagútmikroszkóp tűjéből, a grafénba átfolyó árammal, adott irányokban, tetszőleges alakzatokat lehet kivágni a grafénlapokból. Ezért az eljárásért Junior Prima Díjat kapott Tapasztó Levente. Egy másik, hasonlóan ügyes és szintén Junior Prima Díjjal kitüntetett munkatársunk, Nemes-Incze Péter pedig egy új eljárást dolgozott ki: a szilícium-dioxid felületre helyezett grafénréteget – kristálytani irányok szerint – nanométeres pontossággal tudja megmunkálni. A közeljövő izgalmas feladata a grafénszalagok elektromos, illetve egyéb fizikai tulajdonságainak elemzése.

Hol várható a mindennapokban is hasznosítható tudományos eredmény?

B. I.: Az anyagtudomány meglehetősen gyakorlatközeli tudományág, az integrált eszközökben is vannak olyan, nanotechnológiát alkalmazó területek, amelyek közel állnak a megvalósuláshoz.
A szenzorikát, az érzékelés tudományát ilyennek látom. Az anyagtudomány elsősorban az érzékelés területén – amely lehet fizikai, kémiai és biológiai – hozhat hasznos eredményeket. A fizikai érzékelés során globális paramétereket: hőmérsékletet, nyomást mérünk, ezeknél kisebb a nanotechnológusok szerepe. A kémiai érzékelés viszont nagyon is nanoméretekkel foglalkozik, hiszen például molekuláris szinten kell szagokkal, ízekkel foglalkozni. E két érzékelésnél – az esetek többségében – nem szükséges az egyes összetevők mennyiségét meghatározni. Érezzük a levegőben a benzingőzt, de a riasztáshoz általában egy küszöbértéket állapítunk meg, nincs szükségünk arra, hogy pontosan ismerjük a veszélyes gáz mennyiségét. Ahhoz, hogy például kizárólag a benzingőz mennyiségét mérni tudjuk, specifikussá kell tenni a méréseket. Ezt segítik a biológiai érzékelők: például szén-nanocsöveket is érzékennyé lehet tenni bizonyos anyagok befogására, és az ezáltal előálló törésmutató-változást használhatjuk fel arra, hogy – akár molekuláris szinten – detektáljunk anyagokat. Így fejlesztettünk ki – bioreceptorokkal – egy optikai érzékelőt, a vízben lévő nehézfémszennyezők kimutatására. Ebből várhatóan alkalmazás is lehet. Fontos, hogy az érzékeléseknél multidiszciplináris megközelítés kell: átjárás van a fizika, a kémia és a biológia között. A fizikusnak olyan szinten kell ismernie a kémiát, a biológiát, hogy szót értsen a kémikusokkal és a biológusokkal. Ugyanez érvényes a vegyészekre és a biológusokra.

Kémiai érzékelő: mikropellisztor típusú gázérzékelő elem
robbanó gázelegyek vizsgálatára

A témákat a kutatók választják, vagy az ipartól kapnak felkéréseket?

B. I.: Itthon tudományos téren kínálati piacról beszélhetünk, az ipar részéről elvétve érkeznek megrendelések. A politikának nagy a felelőssége abban, hogy a tudomány piaca miként hasznosul. Alapfeladat, hogy a tudományos eredmények befogadására képessé tegye a gazdaságot. Azért nem építheti le a tudományos bázist, mert a hazai ipar nem kér vagy nem eleget hasznosít a felkínált lehetőségekből. Magyarország a nanotechnológia bizonyos részkérdéseinek a kutatásában élen jár. Például a – szilícium utáni korszak egyik lehetséges technológiájaként emlegetett – grafénkutatásban nemzetközileg a topon vagyunk. Nem vagyunk grafénnagyhatalom, de arra jelenleg megvan a lehetőségünk, hogy néhány tucat kutató itthon élhessen meg abból, hogy bedolgozik nagy nemzetközi programokba.

Fizikai érzékelés: szilícium erőmérő chipek tömbi mikrogépészettel kialakítva

Az intézet képes arra, hogy bizonyos területeken a világ élvonalát jelentő kutatásokat folytasson?

B. I.: Képesek vagyunk a nemzetközi élvonalra, de nem önálló kutatásokkal, hanem együttműködésben. Az MFA kiemelten nagy értékű, három-ötmilliárdos, nagyműszeres infrastruktúrát üzemeltet, speciális körülmények között: tisztaszoba-munkatérben, rezgésmentes, zajmentesen árnyékolt laboratóriumokban. Utoljára nagy léptékű, célzott műszertámogatást – ami meghaladta a 120 millió forintot – a Széchenyi-terv-pályázaton, 2002-ben kaptunk. Ha azóta tétlenül vártunk volna kormányzati támogatásra, ma már nem tudnánk dolgozni. Ha nem is mindig új, de előnyös együttműködések, szolgáltatások kiajánlásával – az eredeti ár töredékéért – próbálunk hiányzó, 20-80 milliós értékű berendezésekhez hozzájutni. A nanotechnológiában az analitikai rész nagyon költséges, a valamirevaló eszközök egymillió dollárba kerülnek. Ha egy-két éven belül nem kapunk anyagi segítséget, akkor további egy-két éven belül nem kapunk felkéréseket sem együttműködésre, s emiatt kiesünk a nemzetközi vérkeringésből, kutatóink elmennek külföldre.

Biológiai érzékelés: optikai kiolvasás alapeleme a rács-csatolt hullámvezető chip,
amelyre a bioreceptorokat leválasztják

Mire a legbüszkébb?

B. I.: Több mindenre. A májusi akadémiai közgyűlésen két munkatársam is Akadémiai Díjat kapott. Munkánk minőségét bizonyítja, hogy hazai egyetemek folyamatos együttműködést keresnek velünk. Nemcsak belföldön, hanem külföldön is számon tartanak bennünket. Az intézetünkben felállt koreai–magyar közös laboratóriumban – Biró László Péter vezetésével – a grafén megmunkálását célzó kutatások folynak. A grafén tíz éven belül forradalmasíthatja a hajlékony síkképernyők fejlesztését, és esélyes a szilícium kiváltására az integrált áramkörökben. A grafén alkalmazásánál két kihívással kell szembenézniük a kutatóknak: a nagyméretű és jó minőségű grafénlemezek létrehozásával és a nanoméretű mintázatok lemezeken történő kialakításával.

8x8 vektoriális erőmérőt tartalmazó integrált tapintásérzékelő chip (Forrás: MTA MFA)

Szilárd test felületén atomok manipulációjával kialakított „atomkoszorú”
pásztázó szondás felvétele

Ön a hazai nanotechnológiai kutatások megkerülhetetlen alakja. A grafénen túl milyen apróságokat tart kiemelkedő fontosságúnak a tudományterületen belül?

Biró László Péter: A grafén az „első fecske”, azaz az első olyan anyag, amit sikerült egyetlen atom vastagságú rétegben előállítani. Mi voltunk az elsők a világon, akik ezt az egyetlen atom vastagságú lemezt atomi pontossággal voltunk képesek megmunkálni. De, ahogy az első fecskét számtalan társa követi, a grafént is követik majd további anyagok, amelyek egyetlen atom- vagy molekulavastagságban – például a hexagonális bórnitrid – hasonlóan izgalmas tulajdonságokkal rendelkeznek. A grafén és a bórnitrid atomi szerkezete szinte tökéletesen megegyezik, ezért igen jól egymásra rétegezhetők, ugyanakkor a bórnitrid szigetelőnek tekinthető a grafénhoz képest. Adódik a következtetés, hogy a közeljövőben képesek lehetünk olyan mesterséges anyagok előállítására, amelyeket egyetlen atom vastag rétegek egymásra rendezésével állítunk elő. Ezeknek az atomi kompozitoknak teljesen újszerű, ma még előre nem látható tulajdonságaik lehetnek. Annak érzékeltetésére, hogy milyen széles lehetőség, paletta áll előttünk, hadd említsem meg a fotonikus kristály típusú nanokompozitokat. Ezek két, átlátszó, de eltérő optikai tulajdonságú anyagból épülnek fel, ahogy például a levegő és a víz. Ha oldalról ránézünk egy félig vízzel teli pohárra, amelybe egy szívószálat helyezünk, akkor úgy látjuk, mintha a szívószál törött lenne a vízfelszínnél. Ez a levegő és a víz eltérő törésmutatójának a következménye. Ha egy hasonló kompozitot nanoskálán állítunk elő – a két eltérő tulajdonságú anyag néhány tíz vagy száz nanométerenként váltja egymást –, akkor ez a nanokompozit képes manipulálni a fény terjedését. Azaz, bizonyos hullámhosszúságú vagy színű fény nem tud egy ilyen szerkezetben terjedni, ezért visszaverődik róla. Ha ebben a nanokompozitban létrehozunk egy „hibát” – például egy vonal mentén „elrontjuk” a szerkezetét –, akkor olyan vezetéket nyerünk, amely ara kényszeríti a bizonyos hullámhosszúságú fényt, hogy pontosan kövesse a „hiba” útvonalát. Ezzel a módszerrel például rá lehet kényszeríteni a köztudottan egyenes vonal mentén terjedő fényt arra, hogy egy girbegurba úton haladjon. Olyan áramköröket is létre lehet hozni, amelyek nem elektronokkal működnek, mint a mai chipek, hanem fénnyel. Ennek számos előnye lehet, például az ilyen chip nem melegszik, jóval magasabb frekvenciájú órajellel működhet, mint az elektronokat használó áramkörök, sokszorosan gyorsabb lehet, mint a mai processzorok. Az emberiség húsz éve foglalkozik ilyen anyagok kutatásával, azonban a biológiai evolúció már 500 millió évvel korábban „kialakított” ilyen szerkezeteket, amelyeket azóta is „javítgat”. Ezért is nyerhetünk nagyon hasznos információkat azokból a természetes szerkezetekből, amelyek például valamennyi kék-zöld lepke színéért felelősek. Néhány éve egy olyan lepkével foglalkoztunk, melynek szárnya felül fémes kék a színű, a fonákja pedig matt zöld: ez a Cyanophrys remus. Mindkét színt más és más jellegű fotonikus nanoarchitektúrák hozzák létre. Ezek a színek és a fotonikus nanoarchitektúra, a textiliparban is hasznos lehet. Olyan terveken dolgoznak a kutatók, amelyek elvezetnek az intelligens textilig. Ez képes érzékelni a környezet és viselőjének fiziológiai állapotát, esetleg a hangulatát is. Például egészségügyi vészhelyzetben azonnal rádióriasztást ad le, kevésbé súlyos esetben „csak” figyelmezteti a viselőjét, hogy pihenjen meg. Az intelligens textil témakörben például a grafénkutatás és fotonikus kristály típusú anyagokkal kapcsolatos kutatások jól hasznosulhatnak. A grafén remekül vezeti az elektromosságot, kivételesen hajlékony, ugyanakkor nagyobb szilárdságú anyag, kiválóan alkalmas lehet a ruházatba építhető elektronika létrehozására. A fotonikus kristályok segítségével pedig tetszés szerint változtatható egy ruhadarab színe vagy mintázata.

Egyre több ruházati termék, kozmetikai cikk, ékszer, sportfelszerelés, számítástechnikai eszköz,táplálékkiegészítő készül nanotechnológiai módszerrel. Ám egyre több tanulmány hívja fel arra is a figyelmet, hogy e termékeknek a környezetre és az egészségre gyakorolt hatását nem ismerjük pontosan. Mind több kutató szorgalmazza a teljes életútelemzés elvégzését, amelyből kiderül, hogy az adott termék a gyártástól a felhasználáson át a használatból történő kivonásáig milyen hatással van a környezetre, illetve a használójára. Mit tudunk a nanotechnológiai termékek megbízhatóságáról?

B. L. P.: Jogos a kérdés. Én is találtam a világhálón több olyan terméket, amit nem szívesen használnék. A tudomány és a technológia vívmányait csak megfontoltan és kellő körültekintéssel szabad alkalmazni, különösen azokon a területeken, amelyek szoros kapcsolatban vannak az emberek mindennapi életével. Költséges és nem ritkán hosszú, alapos kutatás szükséges ahhoz, hogy biztonsággal eldönthető legyen, minek mekkora a kockázata. A kutatóknak erre nincsenek anyagi erőforrásaik, ezért a politika vagy az üzleti szféra finanszírozására van szükség. Mi „csak” felhívhatjuk a figyelmet a kockázatokra és az odafigyelést igénylő területekre. A hatásvizsgálatok adott esetben több évtizedes, folyamatos kutatatási programok meglétét feltételezik. Sajnos manapság Magyarországon nemhogy évtizedes programok nincsenek, de – az európai uniós országok többségével ellentétben – nemzeti nanotechnológia programunk sincs.

Visszatérő téma a nanotermékekre jellemző mérgezés­adatok hiánya. Van-e bármiféle kockázatuk hosszú távon az emberi egészségre, biztonságra? Mi történik az ilyen termékekkel az elhasználódásuk, eldobásuk után? Hogyan s mennyi idő alatt bomlanak le? Milyen hatással lesz a környezetünkre, ha az elhasználódott termékek felhalmozódnak?

B. L. P.: Az az ideális, ha a nano- és a nem nanotermékeket nem eldobnánk, hanem újrahasznosítanánk. Ehhez a nanotechnológia talán alkalmasabb, mint a klasszikus technológiák, hiszen atomokból, molekulákból építkezik. Ismét egy természetbeli példa: a kék-zöld lepke, a Cyanophrys remus színét adó fotonikus nanoarchitektúra kitinből és levegőből épül fel. A kitin sok tekintetben a papírt alkotó cellulózhoz hasonló anyag. Amikor a rovar elpusztul, a kitin – ártalmas következmények nélkül – lebomlik, viszont múzeumi tárlókban a lepke színei évszázadokon keresztül megőrizhetők. Szélesebben értelmezve a kérdést, a legjobban működő nanotechnológia bennünk, a Föld élőlényeiben található meg, hiszen sejtjeink a legcsodálatosabb „nanogyárak”, mivel szénből, oxigénből, nitrogénből, foszforból, kénből és néhány nyomelemből, atomonként vagyunk „összerakva”, teljesen „környezetbarát”, szobahőmérsékleten zajló folyamatok során. Nagyon sokat kell még tanulnunk a természet törvényszerűségeiből addig, amíg képesek leszünk „utánozni”.•