Forradalmi geometriai ötleten alapuló megoldást javasolnak az egyrétegű anyagok szupramolekuláris mintázatának pontos feltérképezésére Nobel-díjas tudóssal közös tanulmányukban a BME és az ELKH kutatói

Grafén szerkezeti rajza

A BME és az ELKH kutatóinak vezetésével most jelent meg a világ egyik legtekintélyesebb folyóiratában, a Proceedings of the National Academy of Sciencesben (PNAS) az a tanulmány, amelyben egy nemzetközi kutatócsoport új, geometriai ötleten alapuló megoldást javasol az egyrétegű anyagok szupramolekuláris mintázatának pontos feltérképezésére. Az elektronmikroszkópos képalkotás virtuális kiterjesztésének is tekinthető módszernek az anyagtudomány egyik leggyorsabban fejlődő területén, az intelligens anyagok fejlesztésében juthat szerep, amelyektől nemcsak a rák gyógyításában, hanem mesterséges emberi sejtek és szövetek létrehozásában és az úgynevezett környezeti energiák hasznosításában is áttörést várnak.

A 21. század csodaanyagának tartott, a gyémántnál keményebb, a réznél jobb elektromos vezető, a guminál rugalmasabb grafén 2004-es megjelenése óta az anyagtudományi kutatás egyik legforróbb területe az úgynevezett egyrétegű anyagok fizikájának megértése, ugyanis ezeken keresztül vezet az út az úgynevezett intelligens anyagok fejlesztéséhez, amelyek forradalmasíthatják hétköznapjainkat is.

Grafén szerkezeti rajza Forrás: Eötvös Loránd Kutatási Hálózat Titkársága

Az egyrétegű anyagok szerkezetének egyik kulcsfontosságú eleme a lényeges anyagszerkezeti tulajdonságokat hordozó úgynevezett szupramolekuláris mintázat. Az anyagszerkezet feltárásának jelenleg legerősebb képalkotó eszköze az akár 0,1 nanométeres (nm) felbontásra is képes pásztázó elektronmikroszkóp, azonban bármennyire is fontos volna a szupramolekuláris mintázatok pontos feltárása, ez sok esetben még ezzel a rendkívüli felbontású berendezéssel sem valósítható meg.

A Bázeli Egyetemen működő pásztázó elektronmikroszkóp (Forrás: Bázeli Egyetem) Forrás: Eötvös Loránd Kutatási Hálózat Titkársága

A mintázat geometriája leírásának egyik fő része ugyanis a molekulák közötti kötések pontos feltérképezése, amelyek megjelenítésére a mikroszkópos képek gyakran nem alkalmasak.

Képalkotó eljárás hiányában az anyagkutatók rendkívül idő- és költségigényes, részben mesterséges intelligencián alapuló szuperszámítógépes szimulációkkal próbálják megismerni a szupramolekuláris mintázatok geometriáját.

Balra: pásztázó elektronmikroszkópos felvétel a 2,7-pyrenedione molekula (jobb oldali kép) által létrehozott két eltérő szupramolekuláris mintázatról. A molekula a bal oldali képen pontnak látszik, a mintázat leírásának szempontjából lényeges molekulák közötti kötések a felvételen nem különböztethetők meg. (Forrás: Bázeli Egyetem) Forrás: Eötvös Loránd Kutatási Hálózat Titkársága

E téren hozhat jelentős fordulatot a világ egyik legtekintélyesebb folyóiratában, a Proceedings of the National Academy of Sciencesben (PNAS) most megjelent tanulmány, amelynek vezető szerzője Regős Krisztina, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem (BME) Morfológia és Geometriai Modellezés Tanszékének elsőéves doktoranduszhallgatója. A publikáció elkészítésében a Bázeli Egyetem, valamint a Berni Egyetem kutatói mellett Domokos Gábor, az ELKH-BME Szilárd Testek Morfodinamikája Kutatócsoport vezetője, a BME Morfológia és Geometriai Modellezés Tanszékének kutatóprofesszora, a Gömböc egyik feltalálója, továbbá a grafénnal kapcsolatos kutatásaiért 2010-ben fizikai Nobel-díjjal kitüntetetett Konstantin S. Novoselov professzor is részt vett.

A tanulmány alapötlete, hogy a vizsgált szupramolekuláris mintázatokat mint térkitöltő geometriai mozaikokat több léptékben értelmezi. A kutatók tisztán geometriai eszközökkel becslést adtak a molekulák közötti kötések által kirajzolt mintázat elektronmikroszkóppal nem látható, anyagtudományi szempontból azonban kulcsfontosságú geometriai tulajdonságaira. A becslést leíró képlet bemenő adatai a mikroszkópos képeken látható mintázat geometriáját, valamint a mintázatot alkotó molekula geometriai és kémiai tulajdonságait hordozzák. Szintén matematikai eszközökkel bebizonyították, hogy becsléseik élesek, tehát tovább nem javíthatók. Ezt kísérletekkel is igazolták, melyek során a módszerrel adott teljes becsült tartományban észleltek mintázatokat. Az elektronmikroszkópos képalkotás virtuális kiterjesztésének is tekinthető becslések segítségével az anyagkutatók gyorsan és egyszerűen nyerhetnek információt a szupramolekuláris mintázatokról.

A jelen cikk kizárólag hidrogénkötésekkel foglalkozik, de az elmélet elvben más, ennél összetettebb kötéstípusokra is kiterjeszthető.

A tanulmány első szerzője Regős Krisztina, aki a térkitöltő mintázatokról mint geometriai modellekről készítette a diplomamunkáját 2022-ben, amelyet a BME Építészmérnöki Kar Hauszmann-díjjal tüntetett ki. 2021-ben elnyerte az ifjúsági Gábor Dénes-díjat és a FameLab országos döntőjének közönségdíját, PhD-tanulmányait pedig az Albrecht Science Fellowship támogatásával végzi.

Az ELKH-BME Szilárd Testek Morfodinamikája Kutatócsoportról

A kutatócsoport egyik kiemelt témája természeti mintázatok leírása térkitöltő mozaikok mint matematikai modellek segítségével. A közelmúltban a szintén a PNAS hasábjain megjelent cikküket – amelyben repedésmintázatokat modelleztek geometriai mozaikokkal, és ezt összekötötték az ókori filozófus, Platón elméletével és a Gömböccel – a Science magazin 2020 tíz legérdekesebb tanulmánya közé sorolta. A csoport másik kiemelt témája geofizikai és planetológiai alakfejlődési folyamatok leírása. A Naprendszerben először észlelt csillagközi objektum, az 'Oumuamua különleges, elnyúlt formájáról, melyről a Harvard egyetem kutatói azt feltételezték, hogy űrhajó, a kutatócsoport igen egyszerű, természetes magyarázatot publikált, amely az Amerikai Csillagászati Társaság folyóiratában hónapokig a legolvasottabb közlemény volt.

(Forrás: Eötvös Loránd Kutatási Hálózat Titkársága: http://www.elkh.org/)