Lendületesek – Makk Péter
A kétdimenziós (tehát egyetlen atomsorból álló) anyagok egyszer majd forradalmasíthatják az elektronikát, és nagy szerephez juthatnak a kvantum-számítástudományban is. A közismert grafénen kívül számos más kétdimenziós anyag létezik, és ha ezek rétegeit egymásra helyezzük, még különlegesebb jelenségeket lehet előcsalogatni belőlük. Ezeket kutatja győztes Lendület-pályázata segítségével Makk Péter, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Fizika Tanszékének docense, aki egy új kifejezéssel: a csavartronikával is megismertet bennünket.
Makk PéterMakk Péter kutatása kétdimenziós anyagok fizikájával foglalkozik. Ezek elsőként megtalált és legismertebb képviselője a grafén, amely egyetlen réteg hatszöges rácsba rendeződött szénatomból áll. A grafén rengeteg izgalmas fizikai tulajdonságát még csak most kezdjük felfedezni, de az biztos, hogy elektromos tulajdonságai lehetővé teszik, hogy ma még nem ismert, és számos tekintetben korszakalkotó elektronikai eszközöket, például nagyon gyors transzisztorokat lehessen majd belőle gyártani a jövőben.
De a grafén és általában a kétdimenziós anyagok alapkutatási szempontból is érdekesek, hiszen az elektronok nagyenergiás részecskék módjára viselkednek bennük, így a vizsgálatuk révén alapvető fizikai jelenségeket lehet kutatni. A grafén sikere megteremtette a kétdimenziós anyagok kutatásának területét, és csakhamar felfedeztek más összetételű kétdimenziós (egyetlen atomi rétegből álló) anyagokat is: félvezetőket, szupravezetőket, mágneseket.
Új irány az anyagtudományban
„Rájöttek arra is, hogy a kétdimenziós anyagokat egymásra lehet rétegezni. Grafént például elő tudunk állítani úgy, hogy egy grafitkristályról celluxszal letépünk egyatomnyi vastag rétegeket. Ezután ezeket a különböző kétdimenziós kristályokat egymásra fektetjük, és ezáltal befolyásolni tudjuk a tulajdonságaikat – mondja Makk Péter. – Az anyagtudományban ez teljesen új irányt jelentett, hiszen így
különböző tulajdonságú anyagokat építhetünk más és más viselkedésű rétegek meghatározott sorrendű egymásra helyezésével.”
Például megvizsgálhatjuk, hogy egy szupravezető és egy ferromágneses anyag hogyan viselkedik egymáson. A létrejövő új összetett anyag tulajdonságait az egymáson fekvő rétegek elforgatási szöge is befolyásolja. Az így megváltoztatható elektronikai tulajdonságok jelenségét angolul twistronicsnak nevezik, amit Makk Péter „csavartronikának” magyarított. Ha két kétdimenziós anyagot meghatározott szögben elforgatva helyezünk egymásra, akkor a két anyag ismétlődő szerkezete egy új, ugyancsak periodikus struktúrát hoz létre. Néhány éve azt találták, hogy ha két grafénréteget egymáshoz képest elforgatva helyeznek egymásra, akkor egy ún. mágikus szögnél (a grafénnél ez 1,06 fok) a rendszer szupravezetővé válik.
A szupravezetés kutatásának reneszánsza
Az utóbbi három-négy évben felfedezték, hogy számos kétdimenziós anyagból is teljesen új tulajdonságokat lehet előcsalni, ha nagyon pontosan meghatározott szögben helyezünk egymásra két réteget belőlük. Ily módon Makk Péter szerint rendkívül érdekes anyagi rendszereket lehet létrehozni, például
két nem mágneses anyagból is mágnest lehet csinálni, ha pont jó a csavarás szöge.
Az így létrejövő „egzotikus fázisok” kialakulásának az az oka, hogy ilyenkor a kétdimenziós rétegekben lévő elektronok erősen kölcsönhatnak egymással, és ez az erős Coulomb-kölcsönhatás határozza meg az egész anyag viselkedését.
Az elektronok kölcsönhatásai már évtizedekkel ezelőtt is kedvelt kutatási téma volt, de a nem kétdimenziós anyagoknál igen nehézkes volt az eltérő számú elektront tartalmazó minták előállítása. A kétdimenziós anyagok vékonysága miatt azonban egy kapuelektróda segítségével könnyedén változtatható a bennük lévő elektronok száma, így ez a lehetőség az elektronkölcsönhatások és velük együtt például a magas hőmérsékletű szupravezetés kutatásának reneszánszát hozták. Azt a fázisdiagramot, amelyet korábban akár egyévnyi kutatással mértek ki, ma már egyetlen éjszaka alatt felrajzolják, kétdimenziós anyagokat vizsgálva.
„A kétdimenziós anyagok vizsgálata a fizika jelenleg egyik legforróbb területe. A Lendület-kutatásunkban mi is ezeket a rendszereket fogjuk tanulmányozni, eközben pedig igyekszünk egyedi megközelítést alkalmazni – folytatja Makk Péter. – A kutatásaink során speciális technikákat alkalmazunk ezen anyagok vizsgálatához. Az egyik célunk, hogy olyan kétdimenziós anyagok egymásra helyezésével felépített rendszert hozzunk létre, ahol a rétegek közötti távolságot változtathatjuk, és így vizsgálhatjuk, hogy a távolság hogyan befolyásolja a tulajdonságokat.”
Itt persze nagyon kicsi, nanométer alatti rétegtávolságokról van szó, amit felülről ható nyomással tudnak befolyásolni, a kutatócsoport-vezető becslése szerint öt-tíz százalékkal. De ez már nagy különbséget jelenthet, hiszen a rétegtávolságtól exponenciálisan függenek a kölcsönhatási erősségek. Vagyis ha csak kicsit változtatunk a rétegtávolságon, a rendszer viselkedésén akkor is nagyon sokat tudunk módosítani.
A felépített anyagi rendszereken alacsony hőmérsékleten elektromos méréseket fognak végezni. Az alacsony hőmérsékletet komolyan kell venni:
a kutatók képesek akár 20 millikelvint is előállítani, ami 2 századfokkal van csak az abszolút nullafok felett.
A rétegekre gyakorolt nyomás mellett olyan módszeren is dolgoznak, amelynek segítségével a kétdimenziós anyagokat oldalirányba is képesek lesznek megfeszíteni. Ettől azt várják a fizikusok, hogy akár fázisátalakulásokat is megfigyelhetnek a meghúzás hatására.
Grafénszuperrács (szürke), amelyen elektromos mérések végezhetők a sárga elektródák és a felső és alsó kapuelektródák segítségével. A zöld és kék nyilak a nyomást, illetve húzást szimbolizálják.A vizsgálatok határozottan alapkutatási jellegűek, így Makk Péter a Lendület-kutatásokkal a kétdimenziós anyagokról meglévő tudásunkat szeretné bővíteni. Kissé konkrétabban az a kutatás célja, hogy megtudjuk, az egymásra rétegzett anyagok tulajdonságait hogyan lehet változtatni a rájuk gyakorolt erőhatás segítségével, és milyen új fázisátalakulásokat lehet ily módon létrehozni rajtuk. A szilárdtest-fizikai kutatások hosszú távon általában az elektronikai eszközök fejlesztése felé haladnak, és válnak alkalmazott kutatássá. Nagyon valószínű, hogy a kétdimenziós anyagoknak is lesz szerepük egyszer az elektronikában, illetve a kvantum-számítástudományban.
A témához kapcsolódó cikkeink
Lendületesek: Kubinyi Enikő
Tizenöt új kutatócsoport-vezető folytathatja a következő években kutatásait az MTA kiválósági programja, a Lendület támogatásával. Őket mutatjuk be most induló sorozatunkban. Elsőként Kubinyi Enikő, az ELTE TTK Biológiai Intézet Etológia Tanszékének tudományos főmunkatársa ismerteti nyertes pályázatát, amelynek célja a társállattartás evolúciós mozgatórugóinak, illetve következményeinek vizsgálata.
Lendületesek: Fekete Andrea
Fekete Andrea orvos már másfél évtizede kutatja a vese, illetve a tüdő hegesedéssel járó elváltozásait. Munkatársaival felfedezték, hogy egy sejtfelszíni receptor, a szigma-1 aktivitása védőfunkciót tölt be a hegesedés ellenében. Lendület-győztesként Fekete Andrea és kutatócsoportja most a zöld hályog kialakulását igyekszik megakadályozni egy szemcsepp kifejlesztésével, amely ugyancsak a hegesedés megakadályozása révén fejti majd ki a hatását. Kutatási programjuk ismertetésével folytatjuk annak a 15 kutatócsoport-vezetőnek a bemutatását, aki az elkövetkező években az MTA kiválósági programja, a Lendület támogatásával folytathatja tudományos munkáját.
Lendületesek: Horváti Kata
Amint azt a koronavírus-járvány is megmutatta, a gyökeresen új alapokra helyezett oltóanyagok akár a korábbiaknál is hatékonyabbak lehetnek, gyorsabban elő lehet állítani őket, és olyan fertőző betegségek ellen is védelmet nyújthatnak, amelyek ellen korábban nem létezett vakcina. Nemcsak mRNS-alapon képzelhető el azonban új típusú vakcina: a peptideket is fel lehet használni e célra. Horváti Kata, az Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar Szerves Kémiai Tanszékén működő MTA-ELTE Peptidkémiai Kutatócsoport munkatársa ilyen peptidalapú vakcinák fejlesztését lehetővé tévő stratégiák kidolgozására nyerte el a Lendület-pályázat támogatását. Kutatási programjának ismertetésével folytatjuk az MTA kiválósági pályázatán legutóbb támogatást nyert kutatók bemutatását.
Lendületesek: Mészáros Szabolcs
Az égbolt soha nem látott részletességű felmérésében vesz részt az MTA Lendület Programjának támogatásával Mészáros Szabolcs asztrofizikus és kutatócsoportja. Munkájuk során az eddigieknél egy nagyságrenddel több csillagról gyűjtenek azok kémiai összetételére vonatkozó információt. A körülbelül ezer csillagászt foglalkoztató nemzetközi kutatói konzorcium tagjaiként folytatott kutatásaik eredményeképpen sokkal jobban fogjuk ismerni a Tejútrendszer összetételét és kialakulását, mint manapság.
Lendületesek: Tuboly Ádám Tamás
A modern tudomány megszületésének egyik alappillére volt az az elv (vagy inkább vágy), hogy a tudománynak függetlennek kell lennie a társadalmi értékektől, előítéletektől, a kutatók személyes preferenciáitól és általában a történelmi kontextustól. Ezt a célt tökélesetesen soha nem sikerült megvalósítani, és újabban egyes tudományfilozófiai iskolák nem is tartják feltétlenül helyesnek e megközelítést. A Lendület-pályázat támogatásával a Bölcsészettudományi Kutatóközpont (MTA Kiváló Kutatóhely) Filozófiai Intézetében Tuboly Ádám Tamás vezetésével megalakult Értékek és Tudomány Kutatócsoport e problémakört vizsgálja. Kutatási programjának ismertetésével folytatjuk az MTA kiválósági pályázatán támogatást nyert kutatók bemutatását.
Lendületesek – Tököly Jácint
Az állatok testmérete alapvetően meghatározza sikerességüket életük során. De hogy pontosan mi az összefüggés a méret és például a szaporodási siker vagy az élettartam között, azt sokkal kevésbé értjük. Ezen fog változtatni a Lendület-nyertes Tökölyi Jácint, aki kutatócsoportjával a világon egyedülálló módon a testméret kísérletes megváltoztatására alkalmas állatmodellrendszert alkotott egy csalánozó segítségével.
Lendületesek – Szalma Ivett
A gyermekvállalás az ember életének talán legmeghatározóbb döntése. Nemcsak az egyén és családja sorsára van alapvető hatással, de a nemzet demográfiai folyamatait is befolyásolja. Ezért elsődleges fontosságú, hogy megértsük, milyen személyes és globális hatások játszanak szerepet a gyermekvállalásról hozott egyéni döntésekben. A Szalma Ivett vezetésével alakult Lendület-kutatócsoport e döntések hátterét fogja vizsgálni.
Lendületesek - Juhászné Csapó Edit
A jövőben akár a szervezetbe fecskendezett nanoarannyal is diagnosztizálhatják a szakemberek a korai rákot. Ehhez járulhatnak hozzá a Szegedi Tudományegyetemen a Juhászné Csapó Edit által vezetett Lendület-kutatócsoport eredményei. A szegedi kutatók olyan nanoszerkezetekkel foglalkoznak, amelyek aranyból vannak. E nanoszerkezetek szenzorként működő kismolekulákat hordoznak, amelyekkel szennyeződéseket vagy akár tumorsejteket lehet detektálni. Ha megtörtént a felismerés, a részecskék által kibocsátott fluoreszcens fény megváltozik.
Lendületesek – Szöllősi Gergely
Szöllősi Gergely evolúcióbiológus egy ötéves ciklusban már vezette az MTA-ELTE Lendület Evolúciós Genomika Kutatócsoportot. Munkáját egy újabb Lendület-pályázat támogatásával folytatja. Az evolúció legnagyobb átmenetei közül kettőt vizsgál munkatársaival: az eukarióta sejt és a soksejtűség kialakulását, illetve ennek folyományát, a testi sejtek szomatikus evolúcióját is. Enélkül sem a sejtek differenciálódását, sem a rák legalapvetőbb mechanizmusait nem lehet megérteni.
Lendületesek – Varga Zoltán
A rákellenes immunterápiák számos daganattípus esetében jelentősen javítják a betegek túlélését. Csakhogy eközben megnövelik a szív- és érrendszeri megbetegedések kockázatát. Az immunterápiák várható elterjedésével ez a mellékhatás a jövőben rengeteg embert érinthet. Varga Zoltán, a Semmelweis Egyetem Farmakológiai és Farmakoterápiás Intézet tudományos főmunkatársa támogatást nyert Lendület-pályázata ezt a problémát szándékozik orvosolni.
Lendületesek – Biró Péter
A Közgazdaság-tudományi Intézetben (MTA Kiváló Kutatóhely) működő, Biró Péter vezette Lendület-kutatócsoport az úgynevezett párosítási piacok kutatásával foglalkozik. Kutatásaik nyomán számos társadalmi elosztófolyamat válhat egyszerre igazságosabbá és hatékonyabbá: például több és sikeresebb vesetranszplantációt végezhetnek a jövőben, és a középiskolába vagy egyetemre jelentkező diákok (és maguk az iskolák is) jobban megtalálhatják a számításukat.
Lendületesek – Bérczi Kristóf
A matroidok a lineáris függetlenség tulajdonságát megfogó absztrakt struktúrák a matematikában, ugyanakkor számos gyakorlati alkalmazásuk létezik, a hidak szerkezetének stabilitásvizsgálatától a piacok árazásáig. Az ELTE Matematikai Intézetében működő, Bérczi Kristóf vezette Lendület Matroidoptimalizálási Kutatócsoport részben teoretikus matroidelméleti, részben gyakorlati kérdésekkel foglalkozik.
