Fázismező-modellezés és biomineralizáció: ahol az anyagtudomány találkozik a biológiával

Gránásy László Széchenyi-díjas kutató, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont tudományos tanácsadója és számítógépes anyagtudományi kutatócsoportja német kísérleti kutatókkal (Igor Zlotnyikov és csoportja, Drezdai Egyetem Molekuláris Biomérnöki Központ) együttműködve azt vizsgálja, hogy az anyagtudományban a kristályos megszilárdulásra kidolgozott matematikai módszerek mennyire alkalmazhatók a biológiai megszilárdulási folyamatok modellezésére.

A biomineralizáció során hierarchikusan szervezett, különlegesen ellenálló szerves-szervetlen kompozitok jönnek létre, amelyek tulajdonságaikat a mikroszerkezetüknek köszönhetik. A biomineralizációs folyamatok közé tartozik a csontok, fogak képződése, a vesekő, a koleszterinlerakódások a véredények falán vagy a kovamoszatok, kagylóhéjak, illetve a korallvázak kialakulása.

A számítógépes anyagtudomány az egyik alapvető tényezője a tudásalapú anyagtervezésnek. A fémek, polimerek, műanyagok és különféle kompozitok megszilárdulása/kristályosodása során lezajló folyamatok elemzésével ma már hatékony módszerek állnak rendelkezésünkre a komplex megszilárdulási folyamatok és a mikroszerkezet kialakulásának leírására. Ezen a területen különösen hatékony modellnek bizonyult a fázismező-elmélet egy speciális változata, amely alkalmasan választott rendparaméterek (mint a szerkezeti változást követő fázismező, a lokális kémiai összetételt megadó koncentrációs mező és a lokális kristálytani orientációt jellemző orientációs mező) kombinációjával írja le a kristályosodás folyamatát.

2. ábra
Az Unio pictorum édesvízi kagyló héjának keresztmetszeti elektron-visszaszórási diffrakciós (EBSD) felvételei (Igor Zlotnyikov és csoportja, Drezdai Egyetem Molekuláris Biomérnöki Központ). Alul (a héj külső C rétegében) véletlen orientációjú finom kristályok láthatók, melyekből feljebb haladva (D–E) orientációs rendeződést mutató oszlopos szerkezet alakul ki, míg legbelül (F) lemezes szerkezetű gyöngyház jön létre. Forrás: Schoeppler V., et al., Biomineralization as a Paradigm of Directional Solidification: A Physical Model for Molluscan Shell Ultrastructural Morphogenesis, First published: 21 September 2018, DOI: (10.1002/adma.201803855). Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Reproduced with permission.

A magyar és német kutatók az Advanced Materials folyóiratban megjelent cikkükben látványos egyezést találnak a kagylóhéjak elektronmikroszkópos mérésekkel, elektron-visszaszórási diffrakcióval (EBSD) és szinkrotronos röntgen-mikrotomográfiával meghatározott mikroszerkezete és a fázismező-elméleti szimulációk eredménye (1–2. ábra) között. Ezzel első alkalommal került sor ilyen összetett szerkezetek matematikai és számítógépes modellezésére, amivel megnyílhat az út a még bonyolultabb biomineralizációs folyamatok megértése irányában. Bár ezek a vizsgálatok elsősorban alapkutatási jellegűek, biológiai érdekességük mellett a megszerzett ismeretek megalapozhatják a magasan szevezett kompozitstruktúrák létrehozásához szükséges, alacsony hőmérsékleten működő, környezetbarát technológiák kidolgozását is.