Dr. Kaptay György: összefogásra van szükség a magyar nanotechnológia- kutatás terén © Stiller Ákos

„A Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közalapítvány Nanotechnológiai Kutatóintézete (BAY-NANO) egy orosz-magyar kormányközi megállapodás részeként jöhetett létre” – avat be a kezdet részleteibe dr. Kaptay György igazgató. „Az intézmény helyszíneként Miskolcot jelölték ki, amely egyrészről a térségfejlesztés szempontjából is előnyös volt, másrészt illeszkedik abba a koncepcióba, hogy Miskolc térségében egy metrológiai – anyagtudományi – központ létesülhessen. Az intézetben zöld mezős beruházásként kialakított laboratóriumokat 2007 szeptember 18-án Kóka János gazdasági miniszter és Káli Sándor, Miskolc polgármestere avatták fel. Az építkezés időszakában az intézet dolgozói már megkezdték a kutatásokat saját egyetemi tanszékeiken, illetve más kutatóintézetekben, azonban ma már itt a helyszínen végezhetjük a vizsgálatokat.”

A kormányközi tárgyalás során az orosz fél egy listát adott át a magyaroknak azokról a területekről, amelyeken jelentős eredményeket értek el. A magyar állam innen kiválasztott négyet, amelyekről úgy gondolták, hogy sikereihez hazánk is hatékony fejlesztésekkel és kutatásokkal járulhat hozzá. Ehhez a listához később lett hozzáillesztve ötödik elemként a nano-medicina témaköre.

A 'nano'

A nanométer a méter egymilliárdod (10-9) része. A nanotechnológia és a nanotudomány ebbe a mérettartományba eső alkotóelemekkel foglalkozik.

A nanotechnológia alapeszméje: nanoléptékben dolgozni és nanoléptékben ellenőrizni. Valójában a különböző tudományágak – (félvezető-)fizika, szupramolekuláris és kolloid-kémia és a méréstechnika – szoros összefonódásáról beszélhetünk. A miskolci csapat mottója azonban ettől némileg különböző: a ma is gyártott  anyagok (vagyis azok, amelyeknek már ma is van piaca) szerkezetét akarják a 100 nanométer alatti tartományban javítani úgy, hogy ezen szerkezetjavulás az adott felhasználás szempontjából tulajdonságjavulást, és ezért hozzáadott értéket is adjon a gyártott anyagnak, és ezzel versenyelőnyhöz juttassa a kutatókat. Ez a záloga annak, hogy a miskolci BAY-NANO kutatóintézet rövid időn belül integrálódni tudjon a magyar ipari valóságba.

„A BAY-NANO jelenleg négy nagyobb projekttel foglalkozik, ez négy különálló munkacsoportot jelent. Ezek a nano-kompozit, a nano-diszperziós, a nano-alakítási és a nano-metrológiai projektek, kiegészülve a nano-medicinával” – magyarázta dr. Pungor András, a nano-metrológiai osztály vezetője, akit a Utah University biomérnöki karáról hívtak haza. Ottani kutatási területe az emberi agy és a számítógép összekapcsolása volt.

A dr. Kaptay által vezetett nano-kompozit osztály karbon nanoporok és nanocsövek által megerősített alumínium-mátrixú nano-kompozitik előállításával foglalkozik. Ez utóbbiak iránt a nyolcvanas évek végén élénkült fel a tudományos érdeklődés, a szénmolekulákból előállított „focilabda”, a „buckyball” kapcsán. Manapság a karbon-nanocsövek számos fejlesztés alapköveit képezik, a BAY-NANO-ban pedig ezeknek az építőelemeknek egy újfajta előállítási  és felhasználási módján dolgoznak.

„A hétköznapi konyhasóból 800 Celsius-fokon olvadék készül, amelybe egy grafitdarabot helyezünk” – magyarázta a szakember. „Ha ezen áramot vezetünk keresztül, természetesen kontrollált körülmények között, akkor 10 nanométer átmérőjű, 10 mikron hosszúságú csövek keletkeznek, amelyeknek a fala összetekeredett grafitcsíkokból áll. Ha ezeknek módosítjuk a felületi tulajdonságaikat, akkor önként átmenneka az alumínium-olvadékba, ami egyébként mind kémiailag, mind fizikailag kompatibilis a konyhasó olvadékával. Ezzel a módszerrel állítható elő (egyelőre csak elvileg) a karbon nanocsövekkel erősített alumínium mátrixú nano-kompozit, amit az egyszerűség kedvéért nevezhetünk „nano-alumínium”-nak is.”

Az így nyert nanocsöveket speciális, úgynevezett „nano-alumínium” előállítására szeretnék felhasználni. Hagyományos alumíniumba ültetve ezeket ugyanis a létrejövő kompozitnak javulnak a hő- és elektromos vezetési képességei, illetve mechanikai tulajdonságai is.

„Hétköznapi nyelvre lefordítva például az autógyárak számára lehet jó egy ilyen könnyű, de roppant szilárd anyag” – fejtette ki Kaptay György. „Főleg a mai időkben, amikor a környezetbarát technológiák felhasználása elsődleges fontosságú. Gondoljunk csak bele: egy mai egy-másfél tonnás autóba körülbelül 900 kilogramm acélt építenek be. Ezt a tömeget kell mozgatnia az üzemanyaggal működő motornak. Egy nano-alumíniumból készült autónál azonban már akár az is fontos lehet, hogy hány kilót nyom a sofőr, aki vezeti. Félreértés ne essék, a könnyű autó nem egyenlő a jó autóval, utóbbinak ugyanis megfelelően szilárdnak is kell lennie.”

© Stiller Ákos

Ha a BAY-NANO munkacsoportja sikeresen előállítja a nano-alumíniumot, a segítségével kiválthatóak lennének a nagy és nehéz acélpanelek, amelyeket az autógyártásban alkalmaznak. Jelen pillanatban sehol a világon nem tudnak ilyesmit készíteni, ezért ha sikerül a megfelelő stabilitást és szilárdságot elérni, a miskolci intézet világszabadalommal állhat elő.

„Jelen pillanatban ott tartunk, hogy írásba mertem adni: 2009-re a kezünkben lesz az anyag, potenciálisan piacképes formában” – fejtette ki az intézetigazgató. „Egyelőre az a baj, hogy, mivel nem létezik ez a megcélzott új anyag, ezért nem ismerjük a pontos tulajdonságait sem. Léteznek persze elméleti modelljeink, de gyakorlatilag még nincsenek róla pontosabb ismereteink. Ha a prototípusok elkészülnek, mintákat küldhetünk a potenciális gyártóknak, hogy eldönthessék,  érdekükben állhat-e ilyen anyagokkal dolgozni, ám az előzetes sejtéseink alapján ez a kompozit pontosan ilyen célokra lehet majd jó.”

Gábor Tamás, a BAY-NANO egyik munkatársa üzembe helyezi az elektronmikroszkópot © Stiller Ákos

A dr. Kiricsi Imre által vezetett nano-diszperziós osztály legfőbb területe a kolloid-kémia, vagyis a szilárd szemcséket tartalmazó vizes oldatok kémiája. Itt az oldatokat különböző vegyi és szonokémiai eljárásokkal kezelik – utóbbi során hanghullámok energiáját felhasználva igyekeznek nanoméretű szemcséket kiválasztani vizes oldatokból.

A különböző fémes, félvezető és szigetelő típusú anyagokkal dolgozva különböző iparágakban felhasználható nanovegyületeket lehet előállítani. Az ilyen módon előállított nanoezüst bevonatot például már ma is alkalmazzák mosógépek és hűtőszekrények antibakteriális bevonataként. Az ezüstionokat tartalmazó oldatokból szonokémiai eljárással előállított nanoméretű ezüstszemcsék felülete ugyanis a szemcsemérettel fordítottan arányos; minél kisebbek tehát a részecskék, annál jelentősebb a baktériumölő hatásuk.

„A háztartási eszközök mellett azonban a sebtapasztól kezdve a zoknibélésen át egészen a katonák sivatagi ruhájáig terjedhetnek a felhasználási lehetőségek” – tette hozzá Kaptay György.

A másik fontos terület a nanoelektronikával, nanohuzalok előállításával foglalkozik. A nanoméretű chipekhez ugyanis nem lehet hagyományos, jóval vaskosabb vezetékeken át eljuttatni az elektromosságot. Erre a célra nanohuzalra van szükség, amelyet speciális módszerrel, tintasugaras nyomtatóval szeretnének létrehozni. A tintában elhelyezett nanoméretű, elektromosan vezető szemcsék segítségével lehetséges áramkört nyomtatni, ha a nyomtató képes egy szemcse átmérőjének megfelelő méretű csíkot húzni. Ezzel a nanochipek mellett akár pénzhamisítás elleni azonosítókat is létre lehetne hozni.

A dr. Krállics György által vezetett, nanoalakítással foglalkozó osztályon úgynevezett nanoszerkezetű fémtömbök előállítása a cél. A hagyományos fémgyártás során kialakul a fémek szemcsemérete. Ez átlagosan 10 mikrométer, s ez biztosítja azokat a tulajdonságokat, amelyek meghatározzák, hogy egy adott fémet mire lehet használni.

© Stiller Ákos

„Vegyük példaként az implantátumokat” – fejtette ki az igazgató. „A fémek között kevés olyat találni, amely biokompatibilis, azaz a test könnyen asszimilálja, kicsi a kilökődés veszélye. Önmagában a titán megfelel ennek, azonban a mechanikai tulajdonságai nem túl jók, elég gyengék. Persze különböző adalékok hozzáadásával lehetséges szuperötvözet létrehozása, ez azonban már nem biokompatibilis. Olyan vegytiszta titánból készült implantátumok előállítása a célunk, amelynek a teherbíró képessége jobb, mint a 'hagyományos' titáné. Ezt az ezüstrészecskékhez hasonlóan a szemcseméret csökkentésével lehet elérni.”

Ahhoz, hogy a szemcseméretet csökkenteni lehessen, a 10 mikron méretű szemcséket szó szerint össze kell zúzni, hogy 100 nanométeres, vagy még kisebb részecskék jöhessenek létre. Az ilyen módon előállított nanotitán mechanikai tulajdonságai jelentősen javulnak, nem beszélve arról, hogy a legtöbb implantátumot bizonyos időközönként cserélni kell, ez pedig hosszas procedúrát igényel a beteg és az orvos részéről egyaránt.

„Ez egészségügyi szempontból sem elvetendő, ugyanis nem mindegy, hogy mikor kerülnek be az implantátumok, öt évente mennyit kell költeni a biztosításra, illetve, hogy az adott munkaerő mennyi ideig esik ki az állásából” – magyarázta Zambóné Benkő Mária, a kutatóintézet mérnök végzettségű Adminisztrációs vezetője. „Remélhetőleg a módszerben a magánbiztosítók is látnak majd fantáziát, így ugyanis kevesebbe kerül egy-egy beteg kezelése, miközben életminőségük is javul..”

A tudomány mai állása szerint ilyen nanotitánt már elő lehet állítani, ám csak kis mennyiségben és laboratóriumban. A BAY-NANO célja, hogy az iparban folyamatosan működtethető gyártási technológiát dolgozzanak ki a már ismert anyagra.

© Stiller Ákos

A konkrét alkalmazásokhoz ennél is közelebb álló területtel foglalkozik a dr. Szebeni János által irányított nanomedicina osztály. Itt többek között a doxorubicin nevű rákellenes szer egy újfajta kiszerelésén dolgoznak, mely lehetővé teszi a gyógyszer biztonságosabb alkalmazását. A nanokapszulás-formulát (Doxil) jelenleg az igen magas százalékban jelentkező petefészek- és egyéb nőgyógyászati daganatok ellen használják – egyelőre - főként a fejlett nyugati országokban.  A Doxil az első sikeres, ráksejtekhez irányítható nanogyógyszer, de sajnos igen magas ára miatt hazánkban, és sok más országban, alkalmazása erősen limitált. Különleges előnye, hogy a betegek jobban tolerálják mint a szabad (nem nanokapszulázott) hagyományos gyógyszert, különösképpen a szívbetegek, mivel a Doxil szívkárosító hatása látványosan enyhébb a szabad doxorubicinéhez képest.

A BAY-NANO által kifejlesztett nanokapszula, a liposzóma, a szervezet számára természetes anyagokból (zsírokból és szénhidrátokból) áll. Úgy van kialakítva, hogy a daganatos szövetben felhalmozódik, míg a mellékhatások helyeit (így a szívet) elkerüli.  Ez lehetővé teszi, hogy nagyobb mennyiségben, mégis kisebb veszéllyel adagolhassuk a gyógyszert, ami sok esetben - a mellékhatások csökkenése mellett - eredményesebb terápiás hatást is biztosít. Természetesen ezzel kapcsolatban még a kezelőorvosoknak, gyógyszerészeknek is lesz egy-két tanácsa - hangsúlyozza az Igazgató.

Jelenleg a gyógyszer igen drága a fejlesztő gyógyszercég monopóliuma és szabadalma miatt. Ám ha a szabadalom lejár, lehetséges lesz úgynevezett generikus formában előállítani a gyógyszert, így egy magyar gyártónak megérheti az új technológia alkalmazása, nem beszélve a betegekről, akik így jóval olcsóbban juthatnak hozzá a szerhez.

A nanometrológiai osztály külön ágat képvisel, itt ugyanis olyan eszközöket fejlesztenek, amelyek segítségével megjeleníthetőek lesznek a nanoméretű anyagok.

Dr. Pungor Andrást a Utah University-ről hívták haza © Stiller Ákos

„A célunk az, hogy „lássuk a nanót”” – magyarázta dr. Pungor András osztályvezető. „Ez a legegyszerűbb célunk, de nemcsak az intézet kutatóinak szeretnénk szolgáltatást nyújtani, hanem szeretnénk, ha önerőből tudnánk ilyen eszközöket létrehozni, amelyek akár más iparágak számára is érdekesek lehetnek.”

„Nem titkolt célunk, hogy referencialaboratórium is legyünk” – tette hozzá dr. Kaptay György. „Szeretnénk, ha az intézet aktívan beléphetne a nanométer felbontású mérőeszközök fejlesztésének piacára is, amely rögtön ötödik kutatási területünkké válhatna. Ehhez szükséges a megfelelő eszközpark fejlesztése, de tagadhatatlanul üzletképes területről beszélünk. Ha a régióban megtelepednének olyan gyárak, amelyeknek szüksége lehet a technológiára, akkor megindulhat a bevizsgálás, s akár önállóan is nyújthatnánk ilyen szolgáltatásokat. A Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal segítségével jelenleg több mint félmilliárd forint áll a rendelkezésünkre.”

„Gyakorlatilag szinte megszámlálhatatlan azoknak a száma, akik nanotechnológiával foglalkoznak, ugyanis minden olyan kutatóintézet, amely biológiával, fizikával, kémiával vagy anyagtudománnyal foglalkozik, felismerte, hogy az európai projektekben abszolút preferenciát élvez a nanotudomány” – foglalta össze a magyarországi nanohelyzetet dr. Kaptay György. Az erőforrásokat azonban hasznos koncentrálni. Budapesten és a természettudományos egyetemi képzés városaiban (Szegeden, Debrecenben, Pécsett) ezek az erőforrások az elmúlt évtizedekben kiépültek. A BAY-NANO létrehozásával a nanotechnológia művelésének alapvető infrastruktúrája jött és jön létre Miskolcon, a Miskolci Egyetemmel összefogásban. Ezzel Miskolc városa is felkerül hazánk és Európa nano-térképére. Azon dolgozunk, hogy minél jelentősebb kutatási és fejlesztési eredményekkel bizonyítsuk be, hogy a magyar tudománynak és gazdaságnak jó befektetés volt Miskolcra telepítenie a BAY-NANO kutatóintézetet.”

© Stiller Ákos