Az elmúlt években gyakran idézték Richard Feynman mondatát – Rengeteg hely van odalenn –, amely arra utal, hogy „lentről fölfelé”, egészen apró elemekből is lehet építkezni, akár működő szerkezeteket alkotni. Önök valóban „lent” dolgoznak – miért választották ezt a megközelítést?

Sok alkalmazási területen nagy lehetőség rejlik az összetett rendszerekben, amelyek a nanométeres skálán strukturáltak, de ezek megvalósítása a „felülről lefelé” módszerekkel időigényes. Tény, hogy az ilyen módszerekkel jól definiált rendszerekhez juthatunk, de csak körülményesen. Ezzel szemben, amikor nanoméretű elemekből próbálunk meg létrehozni „valami nagyobbat”, akkor elvileg adott az a lehetőség, hogy megfelelően tervezett építőelemeket „eresszünk össze” egymással, és ezek hoznak létre olyan struktúrát, amely akár az alkalmazás szempontjából is érdekes lehet. A mi látóterünkben elsősorban orvosbiológiai és szenzorikai alkalmazások vannak.

Különleges részecskékkel dolgoznak.

Azt mondanám inkább, hogy számos kutatócsoport dolgozik a világon hasonló rendszerekkel, hasonló koncepció szerint – mi inkább abban vagyunk jók, és emiatt „piacképesek” a nemzetközi színtéren, hogy a dolgok mélyére nézünk: a nanorészecskék szintézisétől, felületük módosításától elkezdve a részecskék között fellépő kölcsönhatásokig megpróbáljuk a lehető legjobban megismerni az összefüggéseket. Ez elég időigényes, és nem sokan veszik hozzá a fáradságot.

Ehhez nemcsak a „kémiát kell tudniuk”, hanem a fizikában is járatosnak kell lenniük.

Igen; régen ezt a tudományt kolloidkémiának hívták, most a nanotudományok közé sorolják. A vizsgálat tárgya és azok a gondolatrendszerek, elméletek, amelyekkel foglalkozunk, nagymértékben átfednek a klasszikus kolloidkémia világával, de túl is mutatnak azon: a kolloid kölcsönhatási számítások mellett például optikai mérőrendszereket, számítógépes programokat fejlesztünk – elég széles skálán játszunk.

Milyen részecskékkel kísérleteznek?

A laborunkban többféle részecsketípussal dolgozunk; a leggyakrabban nemesfém- (arany-) nanorészecskékkel, illetve dielektrikumokkal (szigetelőkkel), például amorf szilícium-oxid részecskékkel. Ezeket a különböző alakú, méretű, felületi kémiájú részecskéket mi készítjük az irodalomból ismert módon, viszont nagyon odafigyelünk a kivitelezésre: azok a részecskék, amelyeket a laborban létrehozunk, legalább olyanok, de gyakran jobbak, mint amilyeneket a kereskedelmi forgalomban árulnak, nagyon drágán.

„Aranymagok”, majd nanoméretű aranyrudak előállítása (CTAB: cetil-trimetil-ammónium-bromid)

Az aranyrészecskéket azért is szeretjük, mert optikai tulajdonságaik megkönnyítik a munkánkat: pontosan látjuk, hogy mit csinálunk a részecskékkel, hogyan módosítjuk a felületüket, és jó lehetőséget kínálnak arra, hogy viszonylag egyszerű módon különböző morfológiájú nanorészecskéket hozzunk létre, például nanorudakat, -prizmákat, -háromszögeket. Ezek a folyamatok mind-mind nedveskémiai módszerekkel kontrollálhatók. Tulajdonképpen a részecskék alakjának anizometriáját használjuk fel a felületük szelektív módosítására: például meg tudjuk oldani, hogy egy 100 nanométernél rövidebb, rúd alakú részecskének csak a végeit „dekoráljuk” valamilyen molekulával.

És ha egy nanoméretű objektumon létrehozunk egy még kisebb léptékű felületkémiai inhomogenitást, akkor ezt kiválóan felhasználhatjuk arra, hogy nagyon kis méretskálán (100 nanométer alatt) irányítsuk az objektumok közötti kölcsönhatásokat. Hiszen más erők hatnak a részecskék között, ha a végükkel találkoznak vagy ha az oldalukkal. Így lehet már a szintézis során, nedveskémiai módszerekkel „belekódolni” olyan hajtóerőt a rendszerbe, hogy ha ezután önszerveződést „hajtunk végre”, magyarán összeeresztjük egymással a megfelelő felületkémiájú részecskéket, akkor azok az elképzelésünk szerinti struktúrát alakítsák ki. De ehhez tisztában kell lennünk a rendszer felületkémiai és kolloid kölcsönhatási aspektusaival.

A polietilén-glikollal (PEG) „foltosított” rúdnak csak a végein van ciszteamin, így a rúd – a környezettől függően – többféle kölcsönhatásba léphet például a citrátburkos arany nanogömbbel

Mit jelent valójában az „önszerveződés”?

Az „önszerveződés” csak terminológia: arról van szó, hogy egy adott rendszerben az építőelemek között fellépő kölcsönhatások megszabják, milyen struktúra jöhet létre. Ha így fogjuk fel, tulajdonképpen a sejtmembrán is önszerveződött rendszer: a lipid kettősrétegben a molekulák közötti kölcsönhatások szabják meg a membrán szerkezetét. Ezt nyilván lehet módosítani – ha különböző molekulákat juttatunk be, akár szét is kapcsolhatjuk.

Említette az előbb, hogy a kolloidkémiai összefüggéseket is vizsgálják.

Nem arról van szó, hogy nagyon sok újat kellene kitalálni, hanem inkább arról, hogy régen a kolloidikusok nem tudták közvetlenül, ennyire „közelről” megnézni a rendszereiket. A műszerezettség azóta sokat fejlődött, vannak elektronmikroszkópjaink, különböző mérési technikáink, amelyekkel sokkal jobban megfigyelhetjük ezekhez a nanoméretű rendszereket, mint korábban. A kolloid kölcsönhatásokkal kapcsolatos összefüggések, részben emiatt, általában olyan analitikus végeredmények voltak, amelyek egy összetett probléma nagyon leszűkített területére vonatkoztak, mert ahhoz férhettek hozzá kísérletesen. Különösen ezeknek az anizometrikus részecskéknek az esetében, amelyeknek a felülete is inhomogén, nincs analitikus megoldás. Rá vagyunk utalva a modern számítástechnikai eszközökre. Az alapelvek nem változtak, de sok olyan rendszer van, amelyet most tudunk csak igazán vizsgálni, és most hangolhatjuk össze az elméleti meggondolásokat a jelenségekkel.

Az elméleti eredmények mellett körvonalazódnak már olyan szerkezetek, amelyek „hasznosak” lehetnek a későbbi fejlesztések után?

Ezen a területen még az alapkutatás az elsődleges, mert annyira gazdag a fizikája és a kémiája, hogy nem tudjuk pontosan, mi mire lehet jó. Az már mindenképpen látszik például, hogy programozott önszerveződéssel létrehozhatók olyan szerkezetek, amelyek szerepet kaphatnak a szenzorikában: egyes analitikai vizsgálatokban, egy Raman-spektroszkópiai mérés során akár a százszorosára növelik a jelintenzitást.

Korábban, a posztdoktori időm alatt, plazmamodulált szerves optoelektronikával foglalkoztam Münchenben; ott az volt a cél, hogy az organikus napelemek hatásfokát beépített, önszerveződő rendszerekkel növeljük meg. És ha már a napelemeknél tartunk: a festékérzékenyített napelemekben is van egy nanorészecskés félvezető hordozóréteg, amelyre önszerveződő festékmolekulákat ültetnek. Látjuk, hogy nagyon sok, működőképes rendszerbe bekúszik az önszerveződés, de az alulról szerveződő struktúrák előnyeinek kihasználására még kevés az alkalmazás.

2016. december