A polikristályos anyagok kialakulásának modellezésével foglalkozik Gránásy László professzor és csapata. A kutatáshoz 2018 elején támogatást nyertek el az NKFI Hivatal által kidolgozott Élvonal kiválósági program keretében. A cél, hogy a kristályosodás folyamatának teljes megértése után az eredményeket a biológiai rendszerekben is felhasználják.

Gránásy László, egyetemi tanár

A Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal által kidolgozott, és első ízben meghirdetett ÉLVONAL kiválósági programban 12 olyan kutatócsoportvezető nyert el egyenként 150 és 300 millió forint közötti, összességében 3 milliárd forint keretösszegű támogatást, amelyet a következő öt évben kutatócsoportja létrehozására vagy bővítésére, és világszínvonalú eredményeket ígérő felfedező kutatási projektje magyarországi megvalósítására fordíthat. A nyertes kutatók egyike Gránásy László professzor, a Magyar Tudományos Akadémia Wigner Fizikai Kutatóközpontjának tudományos tanácsadója.

Első ránézésre kevés közös vonás fedezhető fel az eszközeink nagy részét alkotó fémötvözetekben, az ablakon kialakuló jégvirágban, az emberi csontban, a kagylóhéjban, illetve az Alzheimer-kór során az agyban kialakuló ún. amiloid plakkokban. Mégis van ilyen: mindegyikük polikristályos anyag, azaz nagyszámú kristályszemcséből épül fel, mely szemcsékben az atomok, illetve molekulák térben ismétlődő rácson helyezkednek el.

A polikristályos anyagok fizikai és kémiai tulajdonságai erősen függnek a kristályszemcsék méret-, alak- és kémiaiösszetétel-eloszlásától, összefoglaló néven a mikroszerkezettől. Az olvadáspontja alá hűtött (túlhűtött) folyadék megszilárdulásával létrejövő mikroszerkezet nagyon változatos. Viszont, annak ellenére, hogy a fent felsorolt polikristályos anyagok igen eltérő geometriájú molekulákból épülnek fel, a mikroszerkezet szintjén érdekes hasonlóságok is megfigyelhetők közöttük: a megfagyó vízben ugyanazt a fenyőágszerű, elágazó alakzatot láthatjuk, mint a fémeknél, vagy akár a kristályosodó polimereknél. Hasonlóképp általánosak a tűszerű kristályokból felépülő kör, illetve gömb alakú polikristályos alakzatok, a szferolitok.

A hasonlóság miatt valószínű, hogy ezek a folyamatok leírhatók közös matematikai alapon. A polikristályos mikroszerkezet kialakulását három folyamat határozza meg: a kristálycsíra-képződés – ilyenkor véletlen atomi mozgásokkal növekedésre képes kristályszemcsék jönnek létre; a kristálynövekedés – ez az anyagtól és a körülményektől függő sebességgel történik; végül a szemcsedurvulás – a polikristályos anyagban a nagyobb kristályszemcsék a kisebb szemcsék rovására növekednek.

Húsz év már benne van

A polikristályos anyagok kialakulását Gránásy László és munkatársai hosszabb ideje vizsgálják az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpontjában. „Közel húsz éve foglalkozunk a mikroszerkezetet meghatározó folyamatok modellezésével – kezdi Gránásy. Nagyjából hét-nyolc év munkával létrehoztunk egy olyan orientációs mezőn alapuló fázismező modellt, amely lehetővé teszi a kristálymagképződés mechanizmusainak és a polikristályos megszilárdulás ának az együttes kezelését a fázismező-elmélet keretében, melyben a termikus fluktuációk szerepét a mozgásegyenletekhez adott zaj, azaz megfelelő tulajdonságú véletlen számok játsszák. A modellel a világon először lehetett olyan összetett megszilárdulási mintázatokat modellezni, mint a rendezetlen dendriteké, a kristály kévéké, a szferolitoké és a fraktálszerű polikristályos aggregátumoké. Ugyancsak sikerrel írtuk le az idegen részecskék és a kristályosodási front kölcsönhatását, a polimerrétegek megkarcolásának, illetve átszúrásának hatását a kristályosodás morfológiájára. Ahol kísérleti adat áll rendelkezésre az orientáció eloszlásra, ott jó egyezés figyelhető meg a kísérlet és az elmélet között.” Ezt a munkát a Science News amerikai szakmai folyóirat szerkesztősége a fizika minden ágát tekintve a 2004. év 15 legfontosabb eredménye közé választotta.

A kutatócsoport alapvetően kétféle méretskálán dolgozik: az atomi skálán (nanométerek szintje), ahol a kristálycsíra-képződés zajlik, és a mezoskálájú modellezésen, amely egy mikrontól néhány milliméterig terjed. „Modellünket más, fizikailag megalapozott módszerekkel kombinálva eljutottunk odáig, hogy egy 2 cm × 4 mm-es felületen modelleztük az alumínium-titán ötvözetekben kialakuló morfológiai átalakulást. Természetesen a szimulációkban megjelenő morfológiák csak statisztikus hasonlóságot mutatnak a valósággal, minthogy a fluktuációk miatt a természetben sem jön létre kétszer ugyanaz a mikroszerkezet, azaz ilyen részletességgel nem jósolható meg, hogy mi történik” – hangsúlyozza Gránásy professzor.

A modellfejlesztésre irányuló felfedező kutatásaik eredményeit sikeresen alkalmazták ipari célból fontos anyagok kifejlesztésére irányuló kutatásokban, amivel számos nemzetközi, az Európai Űrügynökség (ESA) és az Európai Unió által finanszírozott, alkalmazás motivált projektben vettek részt. Ezek lágymágneses anyagok optimalizálására, magasabb hőmérsékleten működő turbinalapát-anyag, ólommentes önkenő csapágyanyag és speciális optikai tulajdonságú, ún. metaanyagok kifejlesztésére irányultak. Sikereiket tükrözi, hogy az elmúlt másfél évtizedben eredményeik kilenc alkalommal kerültek tudományos publikációk (köztük a rangos Nature Materials folyóirat) címlapjára.

Univerzális tudás?

Felvetődik a kérdés, hogy a felhalmozott tudás mennyire univerzális, azaz alkalmazható-e más anyagcsaládok esetére. Erre keresi a választ egy, az év elején indult projektjük, melyet a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal által indított Élvonal Kutatói Kiválósági Program támogat. A polikristályos megszilárdulásra vonatkozó ismeretek univerzalitását három témakörben tervezik tisztázni:

Az első témakörben végzett munka a kristálycsíra-képződés megértésére irányul egyszerű folyadékok (mint a fémolvadékok) esetén. Itt az a különleges helyzet állt elő, hogy míg az egyszerű folyadékoknál a rendelkezésre álló elméleti leírások sokszor nagyságrendeket tévednek, a kolloid szuszpenziókon végzett közelmúltbeli kísérletek részletes ismereteket adtak a kristálycsíra-képződés folyamatára: például a kristálycsíra kialakulását megelőzően egy rendezetlen, amorf, de már szilárd sziget jön létre, a kristály pedig ennek a felületén jelenik meg. „Ha ez igaz a fémekre is, akkor mindent át kell írni, amit eddig a fémekben zajló kristálycsíra-képződésről gondoltunk” – véli a kutató.

A polikristályos anyagok egyik fő jellemzője a kristálytani orientáció térbeli változása. Ez motiválja a második témakörben tervezett vizsgálatokat. Bár a kutatócsoport a korábbiakban jó egyezést talált a polimer filmekben kialakuló szferolitokra vonatkozó elméleti és kísérleti orientáció eloszlások között, csak kevés megfelelő minőségű kísérleti adat állt rendelkezésre. Az elmúlt évek során a kísérleti módszerek fejlődésével a korábbiaknál jóval részletesebb felületi és térfogati információ vált elérhetővé különböző anyagcsaládok esetében. Ez lehetővé teszi az orientációs mezőn alapuló fázismező-elméletek széles körű ellenőrzését, ha szükséges, további fejlesztését, és lehetőséget nyújt az orientációs leírás univerzalitási körének tisztázására.

A harmadik, talán legizgalmasabb és ezzel együtt legkockázatosabb témakör az anyagfizikai módszerek alkalmazhatóságának vizsgálata ún. biomineralizáció esetén. A biomineralizáció során biológiai rendszerben hierarchikus struktúrájú szervetlen-szerves kompozitanyagok jönnek létre. Ilyen folyamat például a csontok, a fogak, a vesekő, ill. az artériákban a kristályos koleszterin-lerakódás kialakulása. Ezt a témát a magyar kutatócsoport a Drezdai Műszaki Egyetem Molekuláris Biomérnöki Központjának kutatóival szoros együttműködésben tervezi vizsgálni. Elsőként egy viszonylag egyszerűbb problémával kezdenek: a kagylóhéjak képződésének matematikai leírását célozzák meg. „Adott egy nagyon egyszerű élőlény, a kagyló, amely egy meglehetősen bonyolult struktúrát hoz létre: a vastagságához és anyagához képest nagyon ellenálló kagylóhéjat. A kagyló egy kocsonyás réteg összetételének változtatásán keresztül befolyásolja a héj mikroszerkezetét. Mennyire tudjuk eltanulni ettől az egyszerű élőlénytől ezt a technikát? A hosszú távú cél az, hogy más összetevőkből a kagylóhéjnál még erősebb könnyű szerkezeteket tudjunk létrehozni. Ezzel megnyílhat a biomineralizáció bonyolultabb esetei felé vezető út is.”

A 2018-tól 2022-ig terjedő munkára a kutatócsoport közel 200 millió forintot kapott a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivataltól. Az összeg túlnyomó része, nagyjából 126 millió forint fedezi a humánköltségeket, további 15,5 millió forint jut a meglévő hardveres kapacitás kiegészítésére, a maradék pedig konferenciákon való részvételre, a tervezett nemzetközi együttműködések támogatására és anyagbeszerzésre. „Valójában több forrást szerettünk volna fordítani a humánköltségekre, hogy fiatal kutatóinknak versenyképes fizetést adhassunk. Nehéz ugyanis versenyezni a nyugati kutatói fizetések csábításával, de még a hazai ipari kutatás fizetéseivel is. Az utóbbi miatt már elveszítettem egy kutatómat.” – mondja a kutatócsoport-vezető. A munka azonban folytatódik, a kutatási eredményeket mindenképpen igyekeznek a gyakorlatban is hasznosítani.