A grafén szerepe a vízhiány elleni küzdelemben: a Szigma – a holnap világa május 2-i adása

A grafén és a hozzá hasonló anyagok forradalmi jelentőségéről, méretéről, különleges működéséről beszélt Biró László Péter, az MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetének nanoszerkezetek csoportjának vezetője a Szigmában, az InfoRádió és az MTA tudományos magazinjában. Szemléletes hasonlatokkal érzékeltette, hogyan is működik ez a technológia és a nanoszerkezetek világa.

Milyen szerepet játszik a grafén-oxid a víztisztításban?

A grafén különlegességét az adja, hogy egyetlen atom vastagságú lemez, és emiatt a fizikai és kémiai tulajdonságai drasztikusan különböznek minden más anyagtól, amivel a hétköznapi életben dolgunk van. A hajlékony mobilképernyőktől a víztisztító berendezésekig terjedhet felhasználásának széles köre.

Gondoljunk bele, hogy Kaliforniában és Ausztráliában brutális vízkrízis van, a vizet úgy adják és veszik, mint máshol az olajat: tőzsdéken. Az előrejelzések szerint körülbelül tíz éven belül 1,8 milliárd ember fog nagyon komoly vízhiánnyal és vízkrízissel szembenézni. Nagyon sok víz van ezen a bolygón, de a többsége alkalmatlan arra, hogy megigyuk. Természetesen lehet sótlanítani lepárlással és más, igen költséges módszerekkel. A grafén-oxidra - a grafén egy származékára - alapuló szűrési módszer lényege az lenne, hogy nagy energia befektetése nélkül lehetne szétválasztani a vízmolekulákat a bennük oldott sómolekuláktól. Ez egy óriási krízist oldhat meg, ha tényleg működik.

A szűrőberendezés úgy működik, hogy grafén-oxid lemezeket rétegeznek egymásra, és azáltal, hogy ezek egy meghatározott távolságra vannak egymástól, bizonyos molekulákat, a vízmolekulákat átengedik, a kicsit nagyobb átmérőjű sóionokat azonban nem. Ez a szűrési mechanizmus alapja.

Mi kell a technológia ipari szintű felhasználásához?

A módszer egy kísérletileg, laboratóriumban kimért eljárás, az eredményeket az elmúlt hetekben publikálták. Ez természetesen nem azt jelenti, hogy holnap építhető egy ilyen tengervíz-sótlanító üzem valamelyik tengerparton, hanem azt, hogy ez fizikailag, kémiailag lehetséges. Innen még viszonylag hosszú út vezet odáig, hogy egy ipari alkalmazás létrehozható legyen, de ennek lehetőségét hordozza.

Számos tényezőt kell még tisztázni. Például hogy reagál a rendszer, ha nem laboratóriumi tiszta vizet, vagy tiszta sókkal sóssá tett vizet öntünk a szűrőrendszerbe, hanem a tengervizet - amit részint mi, részint a környezeti tényezők szennyeznek? Eltömődik vagy sem? Egyszóval még számos, úgymond technikai kérdést kell tisztázni, de az kijelenthető, hogy az angliai kutatók felfedezése nagyon izgalmas.

Mire lehet számítani, mennyi idő szükséges a gyakorlati alkalmazásig?

A tapasztalat azt mutatja, hogy általában tíz-tizenöt év, míg a laboratóriumból átmegy valami a gyakorlati megvalósítás világába. Néha ennél több is kell - attól függ, hogy mennyire van ipari fogadókészség és gazdasági motiváció erre. A nanotechnológia és az ahhoz köthető ipari alkalmazások terén egy kicsit másként néz ki a világ, mint az autó- vagy repülőgép-gyártásban, amelynek több évtizedes múltja van. A nanotechnológiai ipar most van születőben, még nagyon sok részletkérdését ezután kell kibogozni.

Egyre több, a grafénhez hasonló anyag van. Mi ezek jelentősége?

Azért nevezzük kétdimenziósnak ezeket az anyagokat, mert egyetlen atom vagy egyetlen molekula vastagságúak. Ezt nehéz a hétköznapi élet fogalmai szintjén érzékeltetni, de egy hasonlat nagyon szemléletese lehet: ezek nanométer vastagságú anyagok, egy nanométer körülbelül úgy viszonyul egy átlagos focilabda méretéhez, mint ahogy a focilabda átmérője viszonyul a Föld átmérőjéhez. Vagyis ezek eszméletlenül kis vastagságú, parányi dolgok. Az igazán nagy jelentősége ennek az ötven-száz körüli számú kétdimenziós anyagnak az, hogy lehetőség nyílt atomi rétegenként vagy molekularétegenként felépíteni olyan anyagokat, amelyek soha nem léteztek korábban. Csak az emberi fantázia és az idő szab határt annak, hogy milyen új anyagi rendszereket tudunk felépíteni.

Ennek az anyagtudományra gyakorolt hatása összemérhető azzal, mint amikor a biológiában felfedezték a DNS-t, vagy mint amikor a mikroelektronikában megépítették az első integrált áramkört. Ez utóbbiak már elég rendesen átírták a mindennapi életünket - például mindenkinek ott van a zsebében egy mobiltelefon, ami egy elég bonyolult integrált áramkördarab segítségével működik. A mobiltelefon elterjedése átírta azt, ahogy élünk, ahogy szervezzük az életünket a gyerekeinkkel, rokonainkkal, barátainkkal. Hasonló jelentőségű változások várhatók a kétdimenziós anyagoktól, melyek kutatása egy évtizede indult el. Ennek az időszaknak az első kétharmada a grafénre koncentrált, és az utóbbi években került a figyelem középpontjába a többi kétdimenziós anyag. Még öt-hat év kellhet ahhoz, hogy ezekből majd rétegelt szerkezeteket, előre megtervezett módon egymásra rétegelt molekuláris vagy atomi konstrukciókat tudjanak létrehozni.

Az egész olyan, mint egy molekuláris lego, ahogy a gyerek összepattintgatja a különböző elemeket, és ugyanazokból az elemekből egyszer kutyát, másszor űrhajót épít, ugyanúgy ezekből az atomi molekuláris lemezekből számtalan dolgot fel lehet építeni, amelyeknek teljesen más tulajdonságaik vannak attól függően, hogy más szekvenciában, más sorrendben követik egymást a rétegek. Picit olyan, mint a kártya. Tegyük fel, van egy pakli francia kártyánk. Abból a pakliból pókerben ki lehet osztani egy olyan kezet, amelynek semmi értéke sincs, és ki lehet osztani a pókert vagy a rojálflöst. Körülbelül ugyanezt lehet elképzelni az atomi molekuláris rétegekkel: össze lehet rakni olyan szerkezeteket, amelyeknek semmi hasznuk sincs, de minden bizonnyal léteznek olyan szerkezetek is, amelyek nagyon nagy jelentőséggel fognak bírni.

Felmerül a kérdés, hogy ha eddig soha nem tapasztalt minőségű anyagok is létrejöhetnek, akkor lehetséges, hogy eddig nem ismert rugalmas vagy éppen kemény anyag születik, amit akár az űrkutatásban is lehet használni?

Ez is könnyen megtörténhet, mert tényleg csak az emberi fantázia szab határt annak, hogy milyen anyagokat lehet létrehozni.Az információtechnikában hozhatnak nagyon sokat, valamint a molekulák és az atomok kezelésében. Ha például a beszélgetésünk kiindulópontjának számító vízszűréses technológiára gondolunk, akkor abban lényegében terelgetjük az atomokat és a molekulákat. Olyan rendszert hoztak létre a kutatók, mint egy közlekedési lámpa, amely megmondja az ionoknak és a molekuláknak, hogy te jobbra mész, te pedig balra. Molekulákat általában molekuláris méretű eszközökkel lehet szétválogatni, kezelni. Tehát ha olyan molekuláris vagy atomi méretű dolgokat lehet létrehozni, amelyek képesek a molekulákat szétválogatni, akkor komoly esély van arra, hogy egy csomó kémiai folyamatot, amelyet most nehezen, költségesen vagy környezetszennyező módon végzünk el, tíz-húsz-harminc év múlva sokkal kedvezőbb körülmények között tudjunk lebonyolítani.

A kétdimenziós anyagokban rejlő lehetőségek mellett a Szigma május 2-ai adásában Kriván Gergely, az Egyesített Szent István és Szent László Kórház Gyermek hematológiai és Őssejt-transzplantációs Osztály Főorvosa beszélt a nagy fejlődés előtt álló immunterápiáról, illetve arról, hogy milyen szerepet játszanak abban a vérképző őssejtek.

A következő nagy áttörés egyik útjának a génterápiát nevezte, amelynek keretében a beteg saját őssejtjeit kapja vissza módosított génállománnyal. A másik utat a transzplantációt követő sejtterápiák jelenthetik. Ezek során a daganatos betegség speciális antigén szerkezete ellen irányuló sejteket állítanak elő, amelyek specifikusan a beteg daganatát támadják. Az adásból többek között az is kiderül, hogy mikor van szükség vérképző őssejt transzplantációra, és meg lehet-e „fiatalítani” a vért fiatalabb embertől származó vérképző őssejttel.