Az anyagtudomány mely aspektusai szerepelnek az Országos Anyag­tudományi Konferencia programjában?

– Az anyagtudomány hihetetlenül széles szakterület, benne különböző meg­közelítésekkel, kutatási kérdésekkel és célokkal. Vannak olyan anyag­tudományi területek, amelyek kifejezetten technológiai szemléletűek. Ez azt jelenti, hogy a kutatás célja egy konkrét termék előállítási technológiájá­nak kifejlesztése. A paletta másik végén pedig ott találjuk azokat a természet­tudományos alap­kutatásokat, amelyek például az anyag­szerkezet általános törvényszerű­ségeit tárják fel. Ez utóbbi alapkutatások elengedhetetlenül szükségesek az előbbi, technológiai szemléletű kutatásokhoz. E területek tehát együttesen alkotják az anyag­tudomány egészét. Bár az elnevezésről a különböző fórumokon általában heves vita zajlik, a mi konferenciánk fókuszában legfőképpen a műszaki anyagtudomány áll. Vagyis

nem a természet­tudományos alapokkal foglalkozunk, és nem is közvetlenül a gyártás­technológiával, hanem a kettő között kapcsolatot teremtő témákat érintünk alapvetően.

Minden konferenciának van egy-egy kiemelt témája. Idén mi lesz ez?

– Valóban, ez már a tizen­negyedik Országos Anyag­tudományi Konferencia, és minden alkalommal igyekeztünk a legidősze­rűbb tudományos kérdéseket előtérbe helyezni a programban. Azt hiszem, egyértelmű, hogy az elmúlt időszakban mely anyag­tudományi részterület vált a leg­relevánsabbá: a fő téma idén az energetika, illetve az energetiká­ban használt anyagok lesznek. E kérdéskör elsősorban olyan szak­területeket érint, amelyek az energiát elő­­állító ipar számára létrehozott anyagokkal foglalkoznak. Vagyis nem maga az energia előállítása áll a fókuszban, hanem azok az anyagok, amelyek ebben az iparágban nagy jelentőséggel bírnak, sőt lét­szükségletnek számítanak.

A kompromisszum megtalálása

Tehát nem az energia­hordozó vegyületek anyagairól lesz szó, hanem az energia előállításához szükséges eszközök anyagairól. Milyen kihívásokkal kell az anyag­tudománynak megküzdenie ezen a területen?

– Az energia előállítása során számos olyan berendezést használunk, amelyek hatalmas igénybe­vételnek vannak kitéve. Gondoljunk csak a leg­egyszerűbb kazánra, amely fémből készül, és nagyon nagy hőmérsékleten üzemel. Ilyen helyeken természetesen olyan fémeket kell alkalmaznunk, amelyek jól bírják a nagy hőmérsékletet, károsodás és tönkremenetel nélkül. Csakhogy nem ilyen egyszerű a feladat, hiszen bár semmi akadálya annak, hogy olyan anyagokat állítsunk elő, amelyek tökéletesen bírnak mindenféle igénybe­vételt, viszont ezek az anyagok rendszerint borzasztóan drágák. Vagyis

meg kell találnunk azt a kompromisszu­mot, ami még gazdaságilag megfelelő,

megéri a beruházónak, miközben az adott célnak megfelel, és a tulajdonságai lehetővé teszik, hogy ellássa a kijelölt feladatot. Ugyanis nemcsak a nagy hőtűrő képesség az elvárás ezekkel az anyagokkal szemben, hanem az is, hogy a nagy nyomás se tegyen kárt bennük. Ezek az anyagok, amelyekből például a kazánokat, tartályokat vagy az erőművön belüli csővezetékeket építik, a legkülönfélébb mechanikai terheléseknek is ki vannak téve. A berendezések alkatrészeit össze kell kötni egymással, amihez a megfelelő kötés­technikai megoldást, például hegesztést kell alkalmazni. Ezek a kényszerek, feltételek mind kihívást jelentenek az anyag­tervezők és anyag­technológusok számára.

Hasonló kihívásoknak az ipari forradalom kezdete óta meg kell felelniük az energia­iparban és az ipar más területein alkalmazott anyagoknak. Mivel foglalkoznak az utóbbi évtizedekben előtérbe került anyag­tudományi területek?

– Eddig a hagyományos anyagokról beszéltem, amelyeket már nagyon hosszú ideje használ az emberiség, például az energia­termelés során. De az utóbbi időszakban valóban felmerültek olyan új téma­területek is, amelyek korábban nem léteztek, vagy legalábbis nem kaptak ekkora figyelmet. Az energia­termelésen belül említhetjük ezek között a megújuló energia hasznosítását. Az anyag­tudománynak központi szerepe van például az egyre elterjedtebb napelemek fejleszté­sében. Ezeknek az anyagoknak teljesen más feltételeknek kell megfelelniük, mint a hagyományos energia­termelésben használt anyagoknak. Itt ugyanis nem a mechanikai terhelést vagy a nagy hőmérsékletet kell kibírniuk, hanem a fényből kell áramot előállítaniuk, és ehhez teljesen különböző anyag­családot kell alkalmaznunk. Egyre nagyobb szerepe lesz az iparban a félvezető anyagok fejlesztésének, ugyanakkor a körülmények­nek sok esetben a kerámiák vagy éppen a polimerek felelnek meg a legjobban. A helyes döntések meghozatalához tisztában kell lennünk minden opció tulajdonságai­val és felhasználhatóságával is.

Tehát az anyagtudományi kutatás-fejlesztés az állandó kompromisszumokról szól?

– Amikor az egyetemen oktatjuk az anyag­tudományt a hallgatóknak, azt szoktuk nekik mondani, hogy az anyag­tudományban és az anyag­technológiában a „jó anyag” kifejezés nem értelmezhető. Az anyagok csak egy adott felhasználás szempontjából lehetnek jók vagy rosszak. Azt is szoktuk mondani ezért, hogy az anyag­­tudomány a kompromisszu­mok tudománya, hiszen rá kell találnunk arra az anyag­családra, anyag­összetételre vagy éppen elő­állítási technológiára, amely az adott cél szempontjából optimális megoldást jelenthet. Ehhez rengeteg célfüggvényt kell használnunk, és – túl a műszaki célokon – a gazdasági célokat, korlátokat is folyamatosan szem előtt kell tartanunk.

A folyékony nitrogén olcsóbb, mint a sör

Bár említette, hogy a konferencia fókusza az alap­kutatás és az alkalmazott kutatás közé tehető, az ember mégis azt gondolná, hogy az anyag­tudományi kutatások alapvetően a gyártás igényeit szolgálják ki. Ön egyetért ezzel?

– Ez teljes mértékben így van:

az anyag­tudománynak a gyártás igényeit kell kiszolgálnia.

Ez nem elhatározás kérdése, hanem alapvető adottság. Az anyag­tudomány elsődleges feladata a gyártás támogatása, az alkalmazás szempontjá­ból nincs értelme azoknak a kutatásoknak, amelyek végül nem hasznosulnak valamilyen termék, eljárás vagy az emberek életét megkönnyítő eszköz formájában. A végcél minden esetben a termék, legyen az jármű, energia, de az ide vezető út nem nélkülözheti az alapkutatásokat. Ugyanis az alap­kutatások által szolgáltatott eredményeket tudjuk felhasználni az alkalmazott fejlesztésekben. Hadd mondjak erre egy nagyon egyszerű pél­dát. Heike Kamerlingh Onnes holland fizikus 1911-ben fedezte fel a szupra­vezetés jelenségét. A szupra­vezetés azt jelenti, hogy bizonyos anyagok rendkívül kis hőmérsékleten, az abszolút nulla fok közelében teljes mértékben elvesztik elektromos ellenállásukat. Vagyis veszteség nélkül képesek vezetni az elektromos áramot. Ám ezzel abban az időben több probléma is volt. Az egyik, hogy a jelenség működéséhez 4 kelvin (–269 Celsius-fok) hőmérsékle­ten kellett tartani a rendszert. Ezért nagyon sokáig félre is tették ezt a témát, hiszen önmagában érdekes volt, de gyakorlati értelme akkoriban nem volt. Aztán 1980-ban, tehát 69 évvel a szupra­vezetés felfedezése után sikerült előállítani egy olyan anyagot, amely már 90 kelvinen (–183 Celsius-fokon) is a szupra­vezető állapotba került.

De még az is nagyon kis hőmérséklet.

– Korántsem annyira, hiszen a 90 kelvines hőmérsékle­tet ipari szinten már rutinszerűen elő tudták állítani. Ez a folyékony nitrogén hőmérsék­lete felett van (a nitrogén forráspontja 77 kelvin, –196 Celsius-fok – a szerk.), a folyékony nitrogén pedig meglepően olcsón előállítható. Képzelje el, hogy egy liter folyékony nitrogén olcsóbb, mint egy liter sör. Természetesen ettől még nem egyszerű az ilyen kis hőmérséklettel bánni, hiszen tárolni kell a folyékony nitrogént, óvintézkedéseket kell tenni. Mindenesetre a folyékony nitrogén már a hétköznapi ipari folyamatokban is elérhető eszköz, és így ez az anyag­tudományi fejlesztés lehetővé tette a köznapi életben használható, szupra­vezető technológiával működő berendezések építését. Így valósultak meg a lebegő vasutak, a részecske­gyorsítók, ígéretes kutatások folynak olyan számítógépek kifejlesztése érdekében, amelyekben a félvezető alkatrészeket ilyen kis hőmérsékleten tartva drasztikusan meg lehet növelni a komputer teljesítményét. A szupra­vezetés alkalmazásának története tehát azt bizonyítja, hogy az alap­kutatás elengedhetetlen, hiszen csak a már felfedezett jelenségeken alapulhatnak a későbbi kézzel­fogható eredmények, de a szigorú értelemben vett anyag­tudomány elsősorban a termék-előállítást célozza.

Ha a műszaki és tudományos híreket figyeli az ember, az az érzése támadhat, hogy az utóbbi években szinte minden technológiai fejlesztés közvetett vagy közvetlen módon kapcsolatban áll a mesterséges intelligenciával vagy annak alkalmazásával. Az anyag­tudományban is megjelent már a mesterséges intelligencia?

– Természetesen mi is érzékeljük ezt a folyamatot, éppen ezért kértük fel a konferencia egyik plenáris előadóját, Benczúr Andrást, a Számítás­technikai és Automatizálási Kutató­intézet, a SZTAKI kutatóját, hogy adjon elő arról, hogy a mesterséges intelligenciának milyen szerepe lehet az anyag­tudományban. Az anyag­tervezésben a mesterséges intelligencia sok terhet levehet a kutató válláról, ezzel pedig időt és kapacitáso­kat takaríthatunk meg. Azt gondolom, hogy a mesterséges intelligencia merőben új dolgokat nem fog tudni kitalálni, viszont a meglévő anyagok és megoldások olyan kombinációit tárhatja fel, amire eddig a kutatók még nem gondoltak.

A detektor hűtése

Mekkora szerepe van a hagyományos számítás­techni­ká­nak az anyag­tervezésben? Mennyire tudjuk előre meg­hatá­rozni például számítógépes modellezéssel egy létre­­hozandó anyag tulajdonságait?

A számítógépes modellezés ma már nélkülözhetetlen az anyag­tudományban,

ezért a konferencián általában van is modellezés­szekció. Amikor egy anyagot tervezünk, és arra vagyunk kíváncsiak, hogy különböző körülmények között hogyan viselkedik, akkor nincs mindig lehetőségünk arra, hogy azokat az adott körülményeket fizikailag is lemodellezzük vagy teszteljük. A hőerőművek alkatrészeit – turbinákat, csővezetéke­ket és minden egyebet – nagyság­rendileg húsz-negyven évre tervezik, viszont folyamatosan napirenden van az üzemidő-hosszabbí­tás. Igen ám, de amikor én megtervezek egy anyagot, valahogyan meg kell mondanom, hogy az ki fogja-e bírni azt a húsz-negyven évet. Nyilván nem tudjuk kipróbálni ezt a valóságban, hiszen nincs negyven évünk a tesztelésre. Ekkor lép be a képbe a számító­gépes modellezés: beépítjük az eddigi isme­reteinket a modellbe, és meg­jósoljuk az anyag viselkedését akár több évtizedes távlatban is.

Az anyagtudomány nemcsak az új anyagok kifejlesztésé­vel, hanem a meglévő anyagok vizsgálatával is foglalkozik. Mennyivel tudjuk ma pontosab­ban meghatározni egy anyag tulajdonságait, mint tíz-húsz évvel ezelőtt, és csökkent-e az anyag­vizsgáló eljárások invazivitása?

– Az anyagvizsgálatban ugrásszerű fejlődés zajlik. Az anyag­vizsgáló berendezések nagyon fontos eleme megint csak a számítás­­technikai háttér, így évről évre sokkal gyorsabbak és nagyobb képességűek lesznek az eszközeink, hála a számítógépek fejlődésének. Olyan vizsgáló­berendezése­ket tudunk ma már alkalmazni, amelyek valós időben tudják az anyag­szerkezet bizonyos folyamatait nyomon követni. Az, amit ezelőtt harminc évvel még elképzelhetet­lennek tartottunk, ma már rutinszerűen megvalósítható. De az anyag­tudományi kutatások is elősegítik az anyag­vizsgálat fejlődését, hiszen ezekben a berendezé­sekben ma már olyan anyagokat tudunk felhasználni, amelyek jobban szolgálják az adott célt. Hadd mondjak egy újabb példát a saját szak­területemről. Létezik egy olyan elektron­mikroszkóp, amely a vizsgált anyagokból kilépő röntgen­sugárzás elemzésével határozza meg az anyag összetételét. Ennek a berendezés­nek a félvezető detektor­egysége hűtést igényel: nagyságrendileg –30 Celsius-fokon kell tartani. Korábban úgy tudták elérni a működéshez szükséges kis hőmérsékletet, hogy az egész szerkezetre ráépítettek egy tartályt, amelybe folyékony nitrogént töltöttek, és ez hűtötte le az egész eszközt. Aztán a félvezető anyagok fejlődése következtében ezek a detekto­rok olyan kicsik lettek, hogy megoldható a hűtésük más módon is, így fölöslegessé váltak a korábbi 5-10 literes tartályok. Ma már egy egyszerű áramkört kell bekapcsolni, ami 15 másodperc alatt lehűti a detektort a kívánt hőmérsékletre.

Az anyagtudományi fejlődés tehát könnyebben használhatóvá tett egy anyag­tudományban alkalmazott eszközt, amely így a további fejlődést segít elő.

– Pontosan. De számtalan egyéb példát is hozhatunk erre. Ugyancsak a szűkebb szak­területemhez kötődik az alagút­mikroszkóp, illetve az atomierő-mikroszkóp. Mindkettő úgy működik, hogy egy rettenetesen hegyes tűvel letapogatja a vizsgálandó mintát. Ha ez a tű elég hegyes, akkor akár az atomi elrendező­dést is fel lehet térképezni. Ám ilyen hegyes tűt csak az utóbbi néhány évtizedben tudnak előállítani. A mikroszkópok működésének alapelve már a 20. század közepén ismert volt ugyan, de az eszközt a gyakorlatban csak akkor sikerült megvalósítani, amikor az anyag­technológia eljutott arra a szintre, hogy a szükséges tűt elő tudta állítani.

Az anyagtudomány oktatása mennyire különül el az egyéb mérnöki tudományoktól az egyetemen?

– A Miskolci Egyetemen működik kifejezetten anyag­mérnöki képzés, ahol az anyagok fejlesztésével és vizsgálatával foglalkozó szak­embereket képeznek. Ennek a képzésnek a Miskolci Egyetem jelentős nehézipari hagyományai adják az alapját. Ugyanakkor egyetlen mérnöki szakterület sem nélkülözheti az anyag­tudományt, a BME-n is az összes mérnöki karon tanulnak anyag­tudományt a hallgatók már az első évben, alapozó tantárgyként, természetesen súlypont­eltolódások­kal a tananyagban. Az ipar számos szegmensében van szükség anyag­fejlesztő szakemberekre, főként a nagyvállalatoknál, hiszen ez a tevékenység általában nem a kis cégek műfaja. Tipikusan ilyen a járműipar, ahol alapvető fontosságú az új anyagok kikísérletezése. Például az autók B oszlopa van az ütközéskor a leg­nagyobb erőhatásnak kitéve. Gyakorlatilag ezen múlik az, hogy karambol esetén mennyire biztonságos a jármű. Ebben a B oszlopban már olyan speciális anyagokat használnak a korszerű autókban, amelyeknek nem feltétlenül az alapanyaga változott meg, hanem a gyártási technológiája alakult át. Ezáltal egészen különleges tulajdonságo­kat tudnak velük elérni. Az efféle fejlesztések miatt a járműipar vagy a haditechnika folyamatosan szívja fel az anyag­tudományi mérnököket. Tehát a modern ipar és mérnöki tervezés egyszerűen elképzelhetetlen anyagtudomány nélkül.•