Nemzetközi figyelem a kerámia nanorészecske-kutatásainkra
Mind több anyaggal kapcsolatban emlegetjük a nano kifejezést. Létezik valamiféle rendező elv, amely alapján csoportosítani lehet ezeket?
– Célszerű két részre bontani a nanoanyagokat: az egyik a funkcionális anyagok csoportja, a másik a szerkezeti anyagoké. Az előbbiek valamilyen környezeti hatásra aktív visszajelzést adnak – például hőmérséklet-változáskor változik a színük – vagy valamilyen más külső hatásra egy más tulajdonságuk módosul, és ezt „jelzik” a külvilág felé. Funkcionális nanoanyagokat használnak igen sok érzékelőben, de a festékekben és a különböző mágneses anyagokban is előfordulnak. Ahol nagy az előrelépés és hosszabb távon is fejlődés várható, az az érzékelők területe, például a gázérzékelőké, a különböző szagok érzékelésére alkalmas berendezéseké. Felettébb érdekes alkalmazást jelentenek a különböző vegyi és biológiai fegyverek kis mennyiségben való kimutatására alkalmas érzékelők. Például az anthrax baktérium kimutatásának egyik problémája, hogy hagyományos eszközökkel napokba telik e veszélyes kórokozó egyértelmű azonosítása. A most folyó fejlesztések eredményeként elképzelhető, hogy hamarosan speciális nanorészecskékhez kötött biológiai érzékelőkkel egy órán belül jelezni tudjuk majd az anthrax jelenlétét. Léteznek olyan nanoanyagok, amelyek – a napelemekhez hasonlóan – a fénysugárzást elektromos energiává alakítják át. Speciális korróziógátló festékek is készülnek nanoanyagokból, amelyeket kisebb mennyiségben kell az adott felületre felhordani, mégis nagyobb védelmet nyújtanak. A szerkezeti anyagokra példa az öntisztuló üveg. Ennek lényege, hogy minimális mértékben tapad meg rajta a szennyezés, és azt a csekély szennyezést is egy kisebb eső lemossa. A titok nyitja: titán-dioxid-nanorészecskéket építenek be egy hordozóanyagba, amelyet felvisznek az üveg külső felületére. A titán-dioxid-részecskék katalizátorként működve segítik a megtapadó szerves anyagok lebontását, az ehhez szükséges energiát a napsugárzás biztosítja. A bomlástermék vízoldható anyag lesz, így nem lesz szükség arra, hogy a toronyházak üvegtábláit alpinisták segítségével kelljen lemosni. Nanorészecskéket speciális fényvédő bevonatként is használnak, ugyanis a hősugárzás egy részét visszaverik. Ezt az anyagot üvegépületek külső homlokzatára „felhordva” jelentősen csökkenthető a nyári időszakban a légkondicionálásra felhasznált energia.
Az anthrax baktériumMilyen eredményeket tud felmutatni az MTA Kémiai Kutatóközpont Anyag- és Környezetkémiai Intézete a nanoanyagok kutatásában?
– A kerámia nanorészecskék előállításában és tulajdonságaik feltárásában elért eredményeinket a nemzetközi tudományos élet is számon tartja. E területen egy különleges fejlesztésben is részt veszünk: hazai és svéd partnerekkel közösen anyagokat és eljárást dolgozunk ki magas hőmérsékleten is használható, a radarsugárzást elnyelő bevonatokhoz. Olyan különleges kerámiákra van szükség, amelyek – azon túlmenően, hogy tartósan kibírják a repülőgépek sugárhajtóműiben jelentkező 600-1000 Celsius-fokos hőmérsékletet – elnyelik azt a radarsugárzást is, amellyel a harci gépek helyzetét kívánják azonosítani. A bevonatokat speciális módszerrel: plazmaszórással alakítjuk ki. Ám a haditechnikai alkalmazáson kívül az ilyen és hasonló kerámiai anyagokat a polgári életben is sokrétűen fel lehet használni, például belső égésű motorokban. Ezek egyes elemeit – például a szelepeket vagy a dugattyú és a henger felületét – kerámiaanyagból, illetve kerámiabevonatból kialakítva, a motorban akár 150-200 Celsius-fokkal magasabb égési hőmérséklet érhető el, ami jelentősen növeli az üzemanyag-felhasználás hatékonyságát.
Szilícium nitrid alapú kerámiakompozit, szénnanocsövekkel erősítve (a nyilak mutatják a szénnanocsövek helyét)A nanoanyagokat az elektronikában is gyakran emlegetik…
– Igen. Hadd utaljak egy példára. A mikroelektronikai chipek a működésük során hőt termelnek, amit el kell vezetni, mert túlmelegedne a chip. A chipek méretének csökkenésével a térfogategységre jutó hő növekszik. Ha a chipet kívülről, jó hővezető képességű szilícium-karbid kerámiával borítják, akkor a keletkező hő jó hatékonysággal elvezethető.
Ez a technika nem igényel költséges – például vákuumtechnikai – berendezéseket, a leválasztás alacsony hőmérsékleten végezhető, a megfelelően választott impulzus-paraméterekkel jelentősen csökkenthető a bevonat szemcsemérete. Elsőként nanoszerkezetű nikkelbevonatot állítottak elő, amelyet sikeresen alkalmaztak fotolitográfiai műveletekkel kialakított, fotoreziszt-ábra háromdimenziós másolására.
A nanoszerkezetű anyagok fizikai-kémiai tulajdonságai eltérnek a hagyományos mikrokristályos anyagokétól, hangsúlyozza Lakatos-Varsányi Magda, aki szerint az intézetükben előállított nanoszerkezetű vas-, nikkel/vas, vas/foszfor ötvözet bevonatok kitűnő lágy-mágneses tulajdonságúak, amelyek alkalmasak elektronikai egységek méretcsökkentésére.
A professzor – a szájsebészeti klinikáról érkezett egyik PhD-hallgatójával – azt tanulmányozta, hogy az állkapocscsont rögzítésére használt titán felületén képződő titán-oxid sérülése esetén milyen gyorsan áll helyre a védő oxidréteg.
Ez a munka szinte megelőlegezte a Bay Zoltán Intézet újabb jelentős nanotechnológiai programját.
Ortopédiai beavatkozások után gyakori panasz, hogy a csípőízületeknél használt titánötvözeteken, kobalt-króm ötvözeteken, esetleg rozsdamentes acélfelületeken megtelepedő baktériumok fertőzéseket okoznak. Ezek megelőzése érdekében A baktériumok okozta fertőzés megakadályozása nanotechnológiával címmel – a Jedlik Ányos pályázat keretében –, a Nemzeti Kutatási Technológiai Hivatal támogatásával keresik, kutatják a Bay Zoltán Intézetben e probléma megoldását.
Több szakcikkben is történt utalás arra, hogy a fémimplantátumokon kialakított ezüstbevonat hatékony megoldást jelenthet. Az ezüstöt valamilyen módon fel kell vinni a protézis felületére, és el kell érni, hogy a felületről folyamatosan, de kellően lassan, hosszú ideig, ezüstionok oldódjanak, mivel ezek az ionok biztosítják a nanoszerkezetű bevonat antimikrobiális tulajdonságát. A spontán oldódást a felületen kialakuló mikro galváncellák biztosítják.
A mikrobiológusokból, orvosokból, elektrokémikusból álló szakmai konzorciumnak sikerült a problémákra megoldást találnia. Az állatkísérletekkel egyértelműen igazolt antibakteriális hatású, nanoszerkezetű ezüstréteg felvételének módja akár szabadalmat hozhat. A Semmelweis Egyetemen az is bebizonyosodott, hogy ez az ezüst nanoréteg biokompatibilis. Lakatos-Varsányi Magda szerint a következő lépés az ilyen bevonattal ellátott, kutyákba ültethető protézisek előállítása, persze a végső cél: a humán alkalmazás.
Az előbbiekben példaként említette a nanofestékeket. Kaphatók már a piacon nanorészecskét tartalmazó festékek?
– Igen, sőt már korábban is volt ilyen anyag a piacon: az egyes titán-dioxid-tartalmú festékek például ilyenek. Tehát nemcsak új felfedezések, hanem újrafelfedezések is vannak e területen.
Hol tartunk most: még a nanovilág megalapozásánál vagy már túlléptünk azon?
– Nagyon sok területen már van példa gyakorlati alkalmazásra is. Az viszont egyértelmű: sok anyagot úgy állítottunk elő, hogy nem tudjuk pontosan mire alkalmasak, illetve milyen előnyös tulajdonságaik vannak. Ezért egyre nagyobb figyelmet szentelünk annak megértésére, hogy mi történik a nanoszerkezetek kialakítása során. Lényeges az is, hogy összefüggéseket tudjunk megállapítani az anyagok tulajdonságai, előállítási eljárásai és a felhasználhatóságuk között. Minél többet tudunk ezekről a kapcsolatrendszerekről, annál nagyobb eséllyel találunk újabb alkalmazást.
Balra tojáshéjból előállított nanokristályos hidroxiapatit, jobbra biokompatibilis hidroxiapatit-polimer kompozit
A fullerén szénszerkezeteA fullerént csaknem húsz éve ismerjük, eddig mégsem találtunk rá nagyobb volumenű alkalmazást…
– Eddig sajnos nem, de ez bármikor változhat. Intézetünkben olyan eljárást dolgoztunk ki, amellyel olcsóbban, gyorsabban és más összetétellel állíthatók elő fullerének. Az eddig alkalmazott eljárással döntően 60 szénatomból álló fullerén gyártható, a terméknek csupán egyötöde a nagyobb szénatomszámú fullerén. A mi eljárásunknál a termék felerészben tartalmaz nagyobb szénatomszámú fullerént. Ez azért fontos, mert nagy reményt fűzünk a felhasználásukhoz. Lehet, hogy tévedünk, mert amikor a 60 szénatomból álló fullerént felfedezték, sokan gondolták úgy, hogy a gyógyszeripar, a katalizátorgyártás, a környezetvédelem sokat profitálhat ebből. Eddig nincs információnk a nagyobb mértékű gyakorlati felhasználásról. A fulleréneket azért sem lehet „temetni”, mert a hasonló jellegű szén nanocsöveket már lényegesen szélesebb területen használják, és különösen nagy jövőt jósolnak a kvázi egydimenziós szén nanoszerkezetnek: a grafénnak. Általában elmondható, hogy a nanoanyagok felhasználási lehetőségeinek felderítésében még a kezdeteknél tartunk. A nanotartományban – pusztán a méretcsökkenés miatt – a hagyományos méretben tapasztalttól eltérő tulajdonságok jelentkeznek. Az aranyból készített nanorészecskékről például kimutatták: ha azok mérete az egy-három nanométeres tartományba esik, akkor már szobahőmérsékleten is katalizálnak olyan kémiai reakciókat, amelyek eddigi ismereteink szerint csak néhány száz Celsius-fokon mennek végbe. Ez mind energetikai, mind környezeti hatás szempontjából óriási különbség. Mivel ez a hatás csak 1–3 nanométer átmérőjű aranyszemcséknél jelentkezik, nagyobbaknál nem, különleges feladatot jelent ilyen szemcsék nagyobb tömegben történő előállítása.
Növesztett, 1–2 mm hosszú cink-oxid nanoszálak (molekuláris érzékelőknél használatos technológia alapja)Lehetnek-e veszélyei a nanorészecskék alkalmazásának?
– Igen. Kicsiny méretük miatt nagyon lassan ülepednek ki a levegőből. Ha bejutnak a légzőrendszerünkbe, problémát okozhatnak. Tavaly érdekes közlemény jelent meg a Nature magazinban arról, hogy a rákos sejtek miként kötik meg a nanorészecskéket. Kiderült: függetlenül attól, hogy a nanorészecske milyen anyagból volt, a rákos sejtek nagyobb gyakorisággal kötötték meg ezeket, mint az egészséges sejtek. Ez a megfigyelés ígéretes egészségügyi alkalmazást vetít előre.
50–100 nm átmérőjű, 1–10 mm hosszú réteges szerkezetű TiONW szálak
SzénszerkezetekMilyen jövő vár ránk a nanotechnológia fejlődésével?
– Bizonnyal látványosan megemelkedik a nanotechnológiát alkalmazó háztartási eszközeink száma. Én például a közelmúltban vettem egy nanoszerkezetű cirkon-dioxidból készült, japán gyártmányú kerámiakést. Ellenáll a legkülönfélébb kémiai hatásoknak, és a szokásos acélpengéknél jóval lassabban kopik. Gyakorlatilag egy életre ki van élezve. Ez pedig csak egy példa arra, hogy miként segítheti, változtathatja meg mindennapjainkat a nanotechnológia.•
A titán-oxidhoz képest a TiONW az egydimenziós struktúrából adódóan magas felületi borítottságot biztosít és katalizátorként is viselkedik. (Forrás: Nanobakt Kft.)
A nanogyógyszerek és -gyógyászati szerek terén a piacon lévő 40 termék már eddig is több milliárd dolláros forgalmat ért el. A fejlesztés alatt álló termékek száma jelenleg mintegy 160, az előrejelzések szerint ezek piaci forgalma 2015-re több százszorosára, egy évtizeddel később pedig több ezerszeresére nőhet, jósolta ez év elején – a nanomedicina fejlődési irányait összegző tanulmányában – Szebeni János, a Semmelweis Egyetem Nanomedicina Kutató és Oktató Központjának professzora.
Az eddig forgalomba hozott nanogyógyszereket főként a tumoros és gombás betegségek gyógyításában alkalmazzák. Mindenképpen ki kell emelni a petefészekrákra, a Kaposi-szarkómára és a myeloma multiplexre engedélyezett liposzomális doxorubicint, azaz a Doxilt.
A Doxil az első sikeres, a ráksejtekhez irányítható nanogyógyszer, de magas ára miatt hazánkban és sok más országban visszafogott az alkalmazása. Előnye abban mutatkozik meg, hogy a betegek szervezete jobban tolerálja ezt az orvosságot, mint a nem nanokapszulázott, hagyományos gyógyszert. Különösen igaz ez a kijelentés a szívbetegekre, hiszen körükben a Doxil szívkárosító hatása jóval enyhébb a szabad doxorubicinénál.
A nanoméretű objektumok alkalmazása a diagnosztikában és a gyógyításban is mind elterjedtebb lehet. A diagnosztikában a nanorészecskéket például képalkotásra használhatják fel. Egy „intelligens” részecske – például nanokristály – felismerhet egy adott szövetet, sejtet. Ha izotóppal jelöljük meg az intelligens részecskét vagy fluoreszkáló anyagot teszünk rá, akkor jelezheti, hogy az éppen hol tartózkodik az ember szervezetében. Ezek az eljárások jelenleg fejlesztés alatt állnak, ám az eddigi eredmények roppant ígéretesek.
A nanotechnológia a laboratóriumi diagnosztikában is hatékony lehet, mert nanochipek segítségével csekély koncentrációban jelen lévő anyagot is kimutathatnak. A terápiás nanoeljárások esetén fontos a liposzómákba – zsírtestecskékbe – csomagolt hatóanyagok alkalmazása. Ilyenkor a gyógyszerek toxikus tulajdonságai rejtve maradnak.
Néhány évvel ezelőtt az optimisták abban reménykedtek, hogy belátható időn belül nanorobotok segítségével is gyógyulhatunk. Most már látjuk, hogy távoli még az az idő, amikor az ilyen miniatűr „eszközök” aprítják kisebb darabokra a vérrögöket vagy amikor egy nanorobot egy zsírlerakódást – azaz plakkot – leszed az érfalról. Az viszont elképzelhető, hogy belátható időn belül mágneses szenzort juttatnak az emberi szervezetbe, amelynek az az értelme, hogy a mágneses nanorészecskét – külső mágneses térrel – terelgetni lehet, MRI-vel pedig pontosan nyomon követhető a testen belüli mozgása. Ezt a mágneses szenzort forgásba is lehet hozni, ami az adott ponton hőtermeléssel jár, ezzel pedig akár tumorsejteket is el lehet pusztítani. Jóllehet intenzív munka folyik ezen a területen, az orvosi gyakorlat még nem váltotta be a reményeket.
