Magyarország nanonagyhatalom

A nanotechnológia első említésének időpontja pontosan ismert: 1959. december 29-én, az akkor már Nobel-díjas tudós, Richard Feynman tartott egy előadást az amerikai fizikusok szokásos éves kongresszusán There's Plenty of Room at the Bottom címmel.

Feynman nem egy száraz, pontosan hivatkozott tudományos előadással készült, hanem egy általa elképzelt tudományos jövőt vázolt fel: „Ha 2000-ben visszatekintenek a mostani időkre, azon gondolkoznak majd, hogy miért nem kezdett el senki komolyan ebbe az irányba mozdulni. Miért nem tudjuk felírni egy tű hegyére az Encyclopaedia Britannica 24 kötetét?” Ez a kijelentés talán a tudománytörténet egyik legnagyobb önbeteljesítő jóslata lett, hiszen a ma nanotechnolgóiának tekintett széles körű kutatások a kilencvenes évek végén kezdődtek.

Bejött Feynman jóslata a számítógépekkel kapcsolatban is. A mikrocsip akkor még nem létezett, de a kutató úgy képzelte, hogy az akkor még szobányi méretű hardvereket apró egységek váltják majd fel, amelyeket atomnyi szélességű vezetékek kötnek össze. Azóta megépült egy tíz atom széles tranzisztor, és egy pár atomnyi áramkör is.

Kicsi és népszerű

Az első, nanotechnológiával foglalkozó tudományos mű 1986-ban jelent meg K. Eric Drexler tollából, Engines of Creation címmel. 1988-ban ő indította el az első egyetemi kurzust a témában, 1989-ben pedig elkészült a híres, xenon atomokból álló IBM–logó.

A nanotechnológia az elmúlt évtizedben azok közé a tudományágak közé nőtte ki magát, amelyekről az emberek legtöbbet beszélnek, és amelyeket a legmeghatározóbb kutatási területeknek tartanak a jövő szempontjából. A társaság illusztris, talán a géntechnológia és az atomok fúziója mozog hasonló mértékben közszájon.

A fantáziát könnyen megmozgatja a miniatűr dolgok létrehozása, de azt már kevesen tudják, pontosan mit is takar valójában a nanotechnológia. Manapság van némi keverés az elnevezés körül, a legtöbben már használják a terminust mindenre, ami kisebb a mikrométernél.

A hétköznapokban általában a milliméter, a méter ezredrésze a legkisebb mértékegység, amire szükségünk lehet. Ennek ezredrésze (1*10^-6 m), tehát a méter milliomod része a mikrométer (µm).  Ennél is jóval kisebb mérték a nanométer (nm): egy méter egymilliárd nanométer. Összehasonlításképpen, egy emberi hajszál átlagosan százezer nanométer vastag. Az atomok mérete 0,1-0,5 nanométer, a vörösvértestek körülbelül hétezer, egy átlagos vírus száz, egy hidrogénatom 0,1 nanométer átmérőjű.

Mi a nano?

A szűkebb definíció szerint nemcsak a méret számít, a nanotechnológia nano- és mikroméretű tárgyak építése atomról atomra, molekuláról molekulára. Ezért sok esetben az, amit nanotechnológiaként aposztrofálunk, nem nanoméretű tárgyak, hanem mikrométer méretű, nanométer nagyságú részekkel rendelkező dolgok létrehozásáról szól. Ennél a méretnél már kvantumeffektusok, a kvantummechanika törvényei is bejönnek a képbe.

Lassan minden létező szó elé odabiggyesztik a nano jelzőt, viszont legtöbbször egyszerű marketinghadjáratról van szó, mint mondjuk a 3D esetében, ahol már a tusfürdőre is ráírják, hanem valóban nagyon sokféle eszköz és alkalmazás lehetséges. Összeszedtük a legfontosabbakat.

A nanorészecske olyan részecske, amelynek mérete 1-100 nanométer. A nanocsövek belül üres, henger alakú szerkezetek. Felhasználásuk nagyon sokrétű, a 2006-os Tour De France győztese például az 1991-ben felfedezett szén nanocsövekkel megerősített biciklivel nyert. Az ilyen anyagok nagyon erősek, mégis kicsi a tömegük. A szén nanocsövek kutatása a grafének felfedezésével kezdődött, amelyért 2010-ben fizikai Nobel-díj járt.

A (micelláris) nanotartályok (nanocontainers) olyan nanométerű polimer tartályok, amelyekkel például nagyon pontosan lehet célbajuttatni gyógyszereket. A nanokémcsövek (nano-test-tubes) pedig olyan nanotartályok, amelyekbe valamilyen anyagokat tesznek és azok között reakció játszódik le. A nanoanyagokban uralkodó körülmények miatt ezek a reakciók hatékonyabbak. Mágneses nanorészecskékkel a rákkutatók kísérleteznek. A cél az, hogy lokálisan lehessen bejuttatni adott szervbe a mágneses anyagot, így célzottan csak a rákos részeket pusztítanák el melegítéssel (pörgetni kezdik a mágneses térben).

A nanokristályok (nanocrystals) sokszor keményebbek, erősebbek és kopásállóbbak mind ugyanazok az anyagok ömlesztett formában. A kristályokkal nagyon ellenálló anyagok készíthetőek, sőt, műanyagokhoz és más anyagokhoz adva új típusú szerkezetek hozhatók létre. Jó lehet még tökéletes üvegek és bio-szenzorok elkészítéséhez. Legutoljára példáulfogsor készült belőlük. A nanoméretű eszközök úgynevezett nanoszálakból (nanowires) épülnek fel, melyek egyedülálló elektronikai és optikai tulajdonsággal rendelkező egydimenziós struktúrák. A sávozott vagy szuperrácsos nanoszálak tranzisztorként, ledként, egyéb optoelektronaikai eszközként, biomechanikai érzékelőként és hőpumpáló eszközként is videlkedhetnek.

A nanopórusok (nanopores) lényegében nagyon apró lyukak, amelyeket szűrőkre vagy szenzorokra helyezhetnek, hogy azok jobban működjenek. Nagy szerepük van a biológiában is, segíti például a sejtek alkalmazkodását a változó kelső és belső körülményekhez. Végül, a nanoszűrők (nanofilters) leginkább a biológiában lehetnek hasznosak. Segítségükkel elkülöníthetőek lesznek az egyes fehérjék, DNS molekulák, de megállíthatják a nanométerű vírusokat is.

Más törvények uralkodnak

Az általános iskolában megszerzett tudás már nem elég a nanovilág megértéséhez: míg az általunk felfogható, látható világban a klasszikus fizika törvényei uralkodnak, addig nanoszinten a kvantummechanika törvényei érvényesek. Ez azért van így, mert atom-méretű skáláknál járunk. Mivel a nanoszerkezetű anyagoknál nagyon kicsi a szemcse, így a felület dominál, ami azt jelenti, hogy nem az anyag belsejében, hanem a felületén találjuk a legtöbb atomot.

Az pedig könnyen belátható, hogy itt más tulajdonságok érvényesek: szemléletes példa mondjuk a víz, amelynek felületén egyértelműen más törvények uralkodnak, mint a belsejében – így tud például néhány vízimadár a felületi feszültség kihasználásával a vízen járni.

Mivel vizsgáljuk?

A nanovilágról nincsen érzékszervi tapasztalatunk, nem tudjuk megfogni az atomokat, ezért különböző eszközökre van szükségünk a vizsgálatához, például elektronmikroszkópra, vagy alagútmikroszkópra. Ezek neve kicsit megtévesztő: amikor mikroszkópról beszélünk, mindenki az optikai mikroszkópra gondol. Ez lencsékkel fókuszálja a fényt, így nagyítja fel a tárgylemezre helyezett anyagokat, élőlényeket.

A pásztázó elektronmikroszkóp ezzel szemben nem fényt fókuszál, hanem elektronsugarat, így pásztázza végig a minta felszínét. A másik módszer, hogy átvilágítják a mintát, ezt csinálja a transzmissziós elektronmikroszkóp, ahol az áteresztett elektronsugár energiájából lehet következtetni a minta alakjára.

A pásztázó alagútmikroszkóp és az atomierő-mikroszkóp működése hasonló. Van egy tű, amelynek a végén egyetlen atom található, az eszközzel a tű és a minta között mérnek valamilyen kölcsönhatást. A pásztázó alagútmikroszlópnál adott egy vezető minta, a végén egy atommal, e közé és a minta közé feszültséget kapcsolnak, és ha közel teszik a tűt a felülethez, de még nem érnek hozzá, akkor alagútáramot lehet mérni. Amennyiben ezt a mérést a minta felett pontról pontra elvégzik, akkor ebből a számítógép már tud rajzolni egy képet. Az atomierő-mikroszkóp majdnem ugyanígy működik, csak ott nem az alagútáramot, hanem atomi erőket mérnek a tű és a minta között. A mikroszkóp elnevezés azért is furcsa, mert ezekkel az eszközökkel nemcsak viszgálni lehet a tárgyakat, hanem módosítani is: ha az atomokhoz hozzáérintjük a tű végét, az arrébb tudja rakni őket.

Itthon vizsgálják az esetleges veszélyeket

Magyarországon már a kezdetektől folynak nanotechnológiával kapcsolatos kutatások, az elmúlt években pedig több, koncentrált programmal is támogatták ezt a tudományágat. 2010-ben még csak mi tudtuk megmunkálni a fizikai Nobel-díjat érő grafént, majd részt vettünk a nanogyémánt létrehozásában. Mindkét eredmény az MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézetében született.

Miskolcon oktatási és kutatási tevékenység folyik, amit dr. Kaptay György vezet a nanotechnológia és az anyagtudomány határterületén. A Miskolci Egyetem Műszaki Anyagtudományi Karán folyó anyagmérnöki képzésen belül 2008. szeptembere óta folyik nanotechnológiai oktatás. A nanotechnológiával kapcsolatos kutatások 2006-ban kezdődtek a BAY-NANO kutatóintézetben, ezek 2010 óta a BAY-LOGI kutatóintézetben folynak.

Az egyetem Egészségtudományi Karának Nanobiotechnológiai tanszékén a nanotechnológia vívmányainak lehetséges veszélyeit is vizsgálják. Dr. Fodor Bertalan tanszékvezető szerint a nanoanyagok kis mérete fokozott kockázatot jelent: egyrészt itt már a mikro- és makro mérettartománynál fennálló, ismert fizikai és kémiai törvények átértelmeződnek, másrészt pedig ezek a nanorészecskék könnyen bejutnak az emberi szervezetbe, a sejtekbe – ami egyfelől előnyös (például a gyógyszerek célzott bejuttatásához), de emiatt mindenképpen fokozott figyelmet kell fordítani a potenciálisan megnövekvő toxikológiai kockázatra is.

Ezen kívül gondot jelenthet, hogy sok nanorészecske nagyon lassan, akár többezer év alatt bomlik csak le. A nanoanyagok napjainkban már mindenhol kapcsolatba kerülnek az emberi szervezettel, ugyanakkor pontos élettani hatásait még nem ismerjük.

Az Egészségtudományi Karon a nanotoxikológia kutatások mellett különböző gyógyszerjelölt molekulákat fejlesztenek, amelyek segíthetnek a tumoros, rákos sejtek elleni hatékonyabb fellépésben. Vizsgálják az orvostudományi képalkotással kapcsolatban a nanoméretű szuperparamágneses vasoxid előállításának és hordozóba csomagolásának  lehetőségeit. Kutatások folynak még az úgynevezett regeneratív medicina témában is, elsősorban a cukorbetegség és bizonyos ízületi betegségek területén.

Öntisztuló műtő

A Szegedi Tudományegyetemen két területen folynak nanotechnológiai kutatások: az anyagtudomány és az élettudomány területén – mondta el az Indexnek Buzás Norbert az SZTE kutatás-fejlesztési és innovációs igazgatója. Az anyagtudományban érintett kémia tanszékeken speciális anyagok, például titán-nanocsövek, és olajiparban hasznosítható oldószerek létrehozásával foglalkoznak.

Egyelőre laboratóriumi körülmények között előállítanak olyan anyagokat is, amelyek a fénnyel kölcsünhatásba lépve baktériumölő hatást fejtenek ki. Ehhez a projekthez, amivel még idén elkészülnek,  a General Electric készít egy speciális lámpát, melyet beépíthetnek például műtőkbe, ahol a falakat az egyetemen előállított anyaggal festik le, így csupán a világítás folyamatosan fertőtleníti a helyiséget.

Az Orvostudományi- illetve a Gyógszerésztudományi Karon a nanotechnológiát a gyógyszertervezésben használják, többek között molekuláris csomagolással befolyásolják hatóanyagok szervezetben történő eloszlását valamint felszívódását.

Nanotárgyak

Az MTA Szegedi Biológia Kutatóközpontjának Biofizikai Intézete az úgynevezett 2PP technológiával foglalkozik. A two-photon polymerization, vagyis a kétfotonos polimerizáció (2PP vagy TPP) technológiája egy lézeres megvilágításon alapuló kémiai eljárás, amivel mikroméretű targyakat lehet készíteni. A polimerizáció során egy lefókuszált lézernyalábbal elérik, hogy egy fényérzékeny anyag a fókusz környékén megkeményedik. Így a fókusz és a fényérzékeny anyagot egymáshoz képest 3D-ben mozgatva tetszőleges testek alakíthatóak ki.

A technológia alkalmas mindössze 100 nm részletességű szerkezetek előállítására is. Fő előnye, hogy nagyon részletes, hátránya, hogy csak kis méretű eszközöket lehet vele előállítani. Például a 3D nyomtatókban nem ezt a technológiát használják, de ezzel készítették el például osztrák kutatók a bécsi Szent István-székesegyház mikroméretű modelljét is.

Kelemen Lórándt, az intézet kutatója két diákjával együtt lézeres kétfotonos polimerizációval olyan mikroszerkezeteket hoz létre, amelyeket valamilyen fizikai alapjelenség megfigyelésére használnak fel. Bár ugyanazzal a technológiával készülnek, ezek nem olyan látványosak, mint a bécsi kollégák alkotásai, inkább kutatási célokat szolgálnak. Az általuk alkotott szerkezetek jellemző mérete a 10 mikrométer körül van, egyes részletei pedig már csak néhány száz nanométeresek.

A 2PP technológia a kilencvenes évek végétől létezik, kimondottan a szub-mikrométeres részletekkel rendelkező, fénnyel előállítandó eszközök készítésére. Ebbe a trendbe Magyarország igen korán, 1999-ben bekapcsolódott.

Végtelen lehetőségek

A nanotechnológiának számtalan területe van, a nanoanyagokkal pedig még az elején tartunk a kísérleteknek. Az már látszik, hogy nemcsak egy új tudományágról van szó, hanem ennél valamivel többről: mintha a nanotechnológia felülről lenne kompatibilis minden technológiai tudással, amit az emberiség eddig megszerzett. Tökéletesítjük a tárgyainkat, gyógyszereinket, öntisztító felületeket hozunk létre – már most elérhető számos olyan dolog, ami pár éve még elképzelhetetlen lett volna. Hatalmas robbanás előtt állunk, valószínűleg egyre többet fogjuk hallani a nano szót az elkövetkezendő években.