Kézsmárki István mta.hu

Kutatási téma

Intelligens anyagok kutatása fotonikai és optikai bioszenzor alkalmazásokhoz

A modern technológiában mind nagyobb teret hódító multifunkcionális anyagok optikai tulajdonságait tanulmányozza az Augsburgi Egyetemről hazatérő Kézsmárki István. A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen önálló kutatócsoportot alapító fizikus az elektromos és mágneses tulajdonságaik összefonódása révén az információtárolás és az optikai kommunikáció eszköztárában új utakat nyitó magnetoelektromos anyagokat, valamint az orvosi diagnosztikában és képalkotásban felhasználható mágneses nanorészecskéket vizsgálja. A Lendület program támogatásával, ezen anyagok különleges optikai tulajdonságaira alapozva, új eszközök fejlesztését is tervezi, amelyek az adattovábbítás mellett a világviszonylatban rendkívül komoly népegészségügyi kockázatot jelentő malária diagnózisának megkönnyítéséhez is hozzájárulhatnak.

Befogadó intézet

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

A kutatócsoport működési időszaka

2014–2019.

A kutatócsoport tagjai

Bordács Sándor PhD; Fehér Titusz PhD; Molnár András; Penc Karlo, az MTA doktora; Bocz Katalin; Butykai Ádám; Farkas Dániel; Kocsis Vilmos; Orbán Ágnes;
Szaller Dávid

Interjú a kutatóval

Az interjú 2014. október 27-én jelent meg az mta.hu-n.

Az optikai jeltovábbítóktól az adattároláson át a világviszonylatban áttörést ígérő maláriadiagnosztikai eszköz fejlesztéséig számos területen felhasználható eredményeket ígérnek Kézsmárki István Lendület-csoportvezető kutatásai. A Németországból hazatérő tudós a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen folytatja tevékenységét.

A mágneses momentum
A mozgó elektromos töltések mágneses teret hoznak létre maguk körül. Ehhez hasonlóan – mozgásukból adódóan – az atommag körüli pályákon lévő elektronok is rendelkeznek mágneses momentummal. Ezen túl azonban van egy saját (mozgásuktól független) mágneses momentumuk is, a spin.„Az elektronok kollektív viselkedése – az, hogy rendezett mintázatokba szerveződnek-e, vagy rendezetlenül kavarognak – határozza meg döntően az anyagok hétköznapi életben megfigyelhető tulajdonságait, például a színüket, elektromos vezetőképességüket és mágneses jellemzőiket. Azokat az anyagokat, amelyekben az elektronok elemi mágneses momentumai rendezetten egy irányba mutatnak, ferromágneseknek nevezzük. Más anyagokban az elektronok rendezett módon, az atomtörzsekhez képest egy irányban mozdulva el, elemi töltésük révén ferroelektromosságot hoznak létre. Tudományos szempontból még izgalmasabb, amikor ez a két tulajdonság összekapcsolódik: ekkor beszélünk multiferroikus (egyszerre ferroelektromos és ferromágneses) rendeződést mutató anyagokról. A kutatócsoportommal ezt az anyagcsaládot vizsgáljuk optikai módszerekkel. Többek között arra keressük a választ, hogyan lehet olyan kristályokat előállítani, amelyek hétköznapi körülmények között is multiferroikus rendeződést mutatnak, ugyanis ez a tulajdonság a ma ismert anyagok többségében csak alacsony hőmérsékleten jelentkezik" – összegezte kutatásaik fő irányát az idén Fizikai Díjjal kitüntetett Kézsmárki István. A fiatal fizikus kutatócsoportja fedezte fel, hogy a multiferroikus anyagokat különleges optikai tulajdonságok is jellemzik, például képesek megkülönböztetni az egymással szemben haladó fénynyalábokat: csak az egyik irányból jövőt engedik át, míg a másikat nem (azaz az anyag az egyik irányból átlátszó, a másik oldalról viszont sötét). További, technológiai szempontból fontos sajátosságuk, hogy mágneses, illetve elektromos térrel felcserélhetjük bennük az átlátszó és fényelnyelő irányt. „Ez csak a multiferroikus anyagokra igaz, a pusztán ferromágneses vagy pusztán ferroelektromos anyagoknál a jelenség elképzelhetetlen" – hangsúlyozta a kutató.

Informatika és gyógyszerfejlesztés

A ferroelektromos anyagok - Valójában a legtöbb ferroelektromos anyag ionos vegyület, amelyben a ferroelektromosságot döntően nem az egyes atomok elektronfelhőjének polarizációja okozza, hanem az ellentétes töltésű ionok egymáshoz képest történő, rendezett elmozdulása.A multiferroikus anyagok számos területen felhasználhatók, például a számítógépes adattárolásban. „A számítógép merevlemezén elektromos árammal, illetve az általa létrehozott mágneses térrel rögzítjük a mágneses információt. Ennek hátránya, hogy az áram alkalmazása hőtermeléssel jár együtt, és a keletkezett hőt el kell vezetni. A multiferroikus anyagokkal más megközelítés is lehetségessé válik, mivel e szigetelő kristályokban áram nélkül, pusztán elektromos térrel megváltoztatható a mágnesezettség, ráadásul egy bit információ várhatóan kisebb területen tárolható. E tulajdonságok megteremtik az információtárolás új, hatékonyabb generációjának feltételeit" – foglalta össze a kutató. Egyirányú átlátszóságuknak köszönhetően további felhasználási területnek ígérkezik az optikai kommunikáció, valamint az optikai bioszenzorika. „A biológiai szempontból alapvető fontosságú molekulák, például a cukrok és az aminosavak királisak, azaz térszerkezetük aszimmetrikus: »jobbkezes« és »balkezes« változatuk is előállítható. A természetben azonban csak az egyik fajta fordul elő: az aminosavak csak »balkezesek«, a cukrok csak »jobbkezesek«. Ezért az élő szervezetek másképp reagálnak az ugyanolyan összetételű, de más térszerkezetű molekulákra, ez pedig a gyógyszerhatóanyagok fejlesztésénél bír nagy jelentőséggel: ugyanis ugyanazon vegyület egyik változata gyógyító hatású, míg a másik mérgező lehet" – foglalta össze Kézsmárki István. A mágneses felület, illetve az arra felvitt királis anyagok – a multiferroelektromos anyagokhoz hasonlóan – egyirányú átlátszóságot mutathatnak, azaz az optikai egyenirányítás elvén működő bioszenzorokkal a királis molekulák célzottan kimutathatók.

Mágnes a vérben

Szintén magnetooptikai elven alapul az a malária diagnosztizálására szolgáló eszköz, amely világviszonylatban áttörést hozhat az óriási népegészségügyi problémát jelentő betegség felismerésében. A kórokozó ugyanis a vörös vértestben található hemoglobinnal táplálkozik, amelyet a vastartalmú, úgynevezett hem-csoport, valamint fehérjeburok alkot. A kórokozó a fehérjéket elfogyasztja, a hem-csoport azonban számára mérgező, ezért azt vízben nem oldódó mikrokristályokká, úgynevezett maláriapigmentté alakítja, amely fertőzés esetén a véráramban is megjelenik. A diagnózis alapja, hogy a kristályok hosszúkásak, és vastartalmuknál fogva mágnesezhetők. „Mágneses tér hatására a vérben az egyébként rendezetlenül úszkáló maláriapigment-kristályok egy irányba rendeződnek. Ezért polarizált fénnyel detektálható a jelenlétük, sőt a mennyiségük is, ami a fertőzés előrehaladottságára utal. Az eljárás a jelenleg alkalmazott módszernél egyszerűbbnek, költséghatékonyabbnak ígérkezik, a műszer pedig hordozható méretű" – számolt be a jelenleg is nemzetközi konzorciumi partnerekkel való együttműködésben folyó fejlesztésről a kutató. „A következő lépés egy Magyarországon egyedülálló malária-sejtkultúrás labor létesítése a BME-n, ami komoly kutatási potenciált jelenthet többek között az MTA Természettudományi Kutatóközpont számára is. Jövőre Afrikában és Thaiföldön, terepen folytatjuk a műszer tesztelését" – ismertette az eszközre vonatkozó terveiket Kézsmárki István.

Tokió, Augsburg, Budapest

A kutató mintegy tíz éve, tokiói posztdoktori ösztöndíja alatt ismerkedett meg a magnetooptika szakterületével a fizikai és kémiai Nobel-díjra több rendben felterjesztett Yoshinori Tokura professzor laboratóriumában. „A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen diplomamunkásként és doktoranduszként Mihály György professzor volt a témavezetőm. Az ő vezetésével kristályos anyagok elektromos és hővezetési tulajdonságait tanulmányoztam. Magnetooptikai kutatások korábban nem folytak Magyarországon, ezt én hoztam haza Japánból" – idézte fel a szakterület meghonosítását Kézsmárki István, aki azt is elmondta, kutatócsoportja zömét egykori tanítványai alkotják. „Nagyon sok külföldi együttműködést alakítottunk ki, hogy minél jobb infrastrukturális körülmények között végezhessük a kísérleteinket. 2013-tól az Augsburgi Egyetemen folytattam a kutatásaimat, oda is gyakran jöttek ki a diákjaim, munkatársaim" – utalt a szoros munkakapcsolatra, a tudományos iskola létrehozását megalapozó oktatói felelősségre Kézsmárki István. A kutatócsoportot befogadó Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem új, alapvető kutatási infrastruktúrával (többek között cseppfolyós héliumrendszerrel, nagynyomású gázrendszerrel és optikai asztallal) felszerelt laborral, az adminisztratív háttér biztosításával és két posztdoktor kutató, valamint egy technikus alkalmazásával támogatja. A kutatócsoportot szenior kutatók – Bordács Sándor PhD, Fehér Titusz PhD, Molnár András, Penc Karlo, az MTA doktora – mellett nagyszámú diák – Bocz Katalin, Butykai Ádám, Farkas Dániel, Kocsis Vilmos, Orbán Ágnes, Szaller Dávid – alkotja. Kutatási témáikba hallgatóként és posztdoktorként egyaránt lehetőség van bekapcsolódni.

„Jól éreztük magunkat Augsburgban, a család is könnyen beilleszkedett, de szívesen jöttünk vissza. A németországi tartózkodásunk sokkal hosszabbra is nyúlhatott volna; a Lendület-pályázat hozott haza. Tudományos szempontból nagyon eredményes időszak volt ez az év, hatékonyan tudtam dolgozni, ám hiányzott a BME-n megszokott szellemi és szociális pezsgés" – zárta szavait a kutató.