A Műszaki Tudományok Osztálya Metallurgiai Tudományos Bizottsága, a Kémiai Tudományok Osztálya Elektrokémiai Munkabizottsága és az MTA Miskolci Területi Bizottsága Anyagtudományi és Metallurgiai Szakbizottságai közös tudományos ülést szervezett a Magyar Tudományos Akadémia Székházában „Új trendek és új kihívások a metallurgiai kutatások” címmel.

Török Tamás, az MTA doktora, a Metallurgiai Tudományos Bizottság elnöke a metallurgiai kutatások helyzetének ismertetésével indította a tudományos ülést. Bevezetőjében ismertette, hogy a fémelőállítással foglalkozók, gyártók, kutatók, fejlesztők a háborús évek után első sorban arra törekedtek, hogy az adott területen rendelkezésre álló nyersanyagforrásokat felhasználhassák. A kutatók mindig is próbáltak értéktelenebb, másodlagos anyagokból is, minél hatékonyabban és minél több fémet kinyerni. 50-70 évvel ezelőtt Norvégiában például kifejezetten rossz minőségű pirites rézércből a vasat nagy tisztaságban, a ként elemi formában és a kísérő fémek közül a rezet, cinket, kobaltot és a nemes fémeket bonyolult hidro-elektrometallurgiai módszerekkel igyekeztek kinyerni. Magyarországon pedig a vezető iparági kutatóintézetekben az alkalmazott kémia és változatos fémfeldolgozási technikák segítségével folytak kiterjedt metallurgiai kutatások, számos egyetem és a kohászati üzemek bevonásával. A magyarországi bauxitkészlet feldolgozásával kapcsolatban ilyen törekvések a múlt században például nagyon intenzíven folytak. A fémhordozó érckészletek csökkenése miatt viszont új világ következett a metallurgiában is. Az Euréka program keretében az idén meghirdetett kutatástámogatási pályázatok például a metallurgia témakörben – többek között – említik az elektrokróm bevonatokat, a mesterséges gyémánt bevonatos termékek előállítását, a nagy volumenű kohászati feldolgozási technológiákat, a különleges anyagminősítési módszereket. Európa élen jár a porkohászatban, a fémes alakítástechnológiákban, a korszerű gyártástechnológiák és bevonatok előállításának technológiái terén. Hangsúlyozta, ma már mindenhol fontos a kutatásban, a fejlesztésben a gyártástechnológiák során a gazdaságosságra, anyag-takarékosságra, újrahasznosításra törekedni.

Pajkossy Tamás, a kémiai tudományok doktora a társszervező bizottság elnöke, az MTA TTK Anyag- és Környezetkémiai Intézetből az alkalmazott elektrokémiai lehetőségekről számolt be. Mint elmondta, olvadékelektrolízissel már a XIX. század elején létrehoztak új elemeket. Azóta is mindig új igények keletkeznek; új ötvözeteket, új kristályszerkezetű anyagokat (pl. nanoszerkezeteket), új geometria szerint kell előállítani. Példának hozta az elektrokémiai módon molibdénre történő titán-diborid leválasztást. Ez egy 3000 ^oC fölötti olvadáspontú, korrózióálló, kemény anyag. A következőkben egy fontos félvezető technológiáról, a damascene eljárásról beszélt, melynek a lényege annak megvalósítása, hogyan kell nagyon bonyolult geometriájú, nagyon kicsiny rézszerkezeteket leválasztani. Harmadik példája az vas-szulfát oldatból elektrolízissel történő vas előállítás volt. Kitért arra, hogyan lehet megoldani nagyon kismennyiségű ötvöző anyag bevitelét egy fémbe. Ennek kapcsán felhívta a figyelmet az ún. ionfolyadékokra, amelyek szobahőmérsékleten folyékony ionos vegyületek. Az elektromos áramot vezetik, bennük elektrolízis hajtható végre; számos olyan fém leválasztható belőlük, amelyek vizes oldatokból nem.

Lakatosné Varsányi Magdolna, az MTA doktora a nanoszerkezetű anyagok előállítási technológiái közül a pulzáló áramú fémleválasztást mutatta be, amely költségkímélő eljárást biztosít vékony fém-, ötvözet és kompozit bevonatok, valamint multirétegek előállítására. Ez a technika a nanoszerkezetű bevonatok előállítására a széles körben elterjedten használt vákuumtechnikai eljárásokkal (CVD, PVD) szemben számtalan előnnyel rendelkezik:
nem igényel költséges vákuumtechnikai berendezéseket,
a leválasztás alacsony hőmérsékleten végezhető,
a legtöbb esetben csökkenti a bevonat szemcseméretét.
A nanoszerkezetű fémek leválasztása különböző céllal történhet. Az előadó néhány általuk előállított bevonat alkalmazását példákkal illusztrálta. A SZTAKI-ban litográfiai eljárással készített nyomóbélyegről másolatokat készítettek nanoszerkezetű nikkelréteg leválasztásával.
Az elektronikai eszközök méretcsökkentése új típusú lágymágneses anyagok fejlesztését igényli. A hagyományosan használt ferritek, 120 °C hőmérséklet felett nem használhatók, amelyek telítési mágnesezettsége jellemzően 0,4 T. Ezért világszerte intenzív kutatásokat folytatnak, hogy a MnZn-ferriteket olyan fémötvözetekkel helyettesítsék, amelyek nagyobb telítési mágnesezettséggel rendelkeznek és magasabb hőmérsékleten használhatóak. Nanoszerkezetű lágymágneses permalloyt, (vas-nikkel ötvözetet) választottak le gyűrű alakú FR4 (epoxi üvegszövet) hordozóra Fe- és Ni-szulfátot, Ni-kloridot valamint komplexképzőt tartalmazó elektrolitból. Az elektrokémiai leválasztás előtt az epoxi-üvegszövetet árammentes Ni réteggel tették vezetővé. A permeabilitás - frekvencia mérések azt mutatták, hogy a permalloy rétegek alkalmasak lapos, toroid transzformátor magok készítésére 10-20 MHz tartományban.
Egyes ortopédiai beavatkozásokban fémprotézisek, fémimplantátumok beültetésére kerül sor. Ezek az implantátumok gyakran titánötvözetek, amelyek könnyűek és nagy korróziós ellenállással rendelkeznek. Előfordulhat, hogy amennyiben a szervezetet valamilyen fertőzés megtámadja, akkor a baktériumok képesek elvándorolni az implantátum felületéhez és ott megtelepedve fertőzést okozhatnak. Közismert, hogy az ezüstionok elpusztítják a baktériumokat, ezért olyan eljárást dolgoztak ki, a beültetés előtt olyan ezüstszigetes réteget alakítottak ki az implantátum felületén, amely nem gátolja a sejtránövést, de a baktériumokat elpusztítja.

Péter László, az MTA doktora az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont munkatársa a nanohuzalok elektrokémiai leválasztásának módszereit mutatta be. Az elektrokémiai fémleválasztás, a sebességét tekintve, egy logaritmikus skálán félúton van a hengerlés és a molekulasugaras epitaxia között, és egy olyan vastagság-tartományt céloz meg, amit más módszerrel nem vagy igen nehezen lehet előállítani. Az elektrokémiai fémleválasztás a kémiai kompatibilitás vonatkozásában is kínálhat egyedi lehetőségeket: nem triviális dolog például amorf ötvözetet előállítani, kompozitként elegyíteni olyan anyagokat, amelyek egymással reagálnának vagy egymást nem nedvesítik és ezért nem elegyednek. Ugyanígy ultravékony rétegeknél, mikor a rétegvastagság rendkívül kis tartományban mozog, fizikai leválasztásoknál mindig új és új hordozóhoz kell nyúlni minden mintakészítéskor, míg elektrokémiai rendszerben a minták feloldása is megoldható. A nanohuzalokról elmondható, hogy az elektrokémiai leválasztás minden szempontból egyedülálló lehetőséget kínál, mert olyan hossz-keresztmetszet arányokat lehet elérni, amilyeneket más módon nem. Előadásában bemutatta a nanohuzal szintézis elvét: szükség van egy olyan sablonra –lényegében egy szilárd oldalfalat alkotó rendszerre, ami szabadon hagyja azokat a csatornákat, amelyekben a nanohuzal létre fog jönni. Ha ezen csatornák mérete a mikrométeres tartomány alá esik, akkor nincs az a másik eljárás, amivel a nanohuzalok előállítása megvalósítható lenne. Olyan hajtóerőt kell létrehozni, ami a csőben az anyag növekedéséhez vezet és biztosítani kell, hogy a folyamatos kitöltés elérhető legyen. Ez különösen azért nehéz, mert a hossz/átmérő arány akár a 10³… 10⁴ tartományba is eshet. A csatornák létrehozhatók egyrészt vékony polimer lemezkék ionbombázását követő kémiai marással. Ennek a típusú sablonnak a jellegzetessége, hogy a pórusméretet és a pórussűrűséget egymástól függetlenül tudják szabályozni, de szabálytalan pórusrendszer jön létre. A pórusalakot viszont lehet szabályozni a membrán marási módjának megválasztásával. Egy másik sablon típus az, amit fémek anodizálásával kapnak. Az egyik elektrokémiai lépés ekkor maga a sablon előállítása, ami stabil oxidréteggel rendelkező fémeknél lehetséges (leginkább alumíniummal). Előnye, hogy önszervező folyamat, ami rendszerezett pórusszerkezetet eredményez. Az eljárásnak –azon túl, hogy a sav sok mindent meghatároz–, van bizonyos modulációs szabadsági foka a pórusméret vonatkozásában. A másik elektrokémiai lépés a képződött csatornák feltöltése. Saját kutatásaikba is betekintést engedett. Alumínium-oxid rétegeket tudnak létrehozni az oxálsavas marási eljárással. Ha a pórusokat előzetesen inicializálják mechanikai úton, akkor a természetes növekedési módustól eltérő pórusnövekedés is elérhető, itt azonban látható, hogy a falvastagságnak lényegesen nagyobbnak kellene lennie, mint amin a térerősség az ionmozgást még ki tudja váltani. Az eljárással egy teljesen nyitott, szűrőszerű pórusrendszert kapnak, amit az egyik oldalán fémmel, rendszerint nemesfémmel be kell vonni ahhoz, hogy utána elektródként funkcionáljon. Ezeket a pórusokat az elektrolit oldattal megtöltve egy elektrokémiai cellában megkezdhetik a pórusok feltöltését elektrolízissel. A létrejövő nanohuzalokat alkotó anyagok összetételük (nemesfémek, mágneses anyagok, termoelektromos anyagok) szerint lehet csoportosítani. Meg lehet különböztetni homogén többszegmensű vagy multiréteges nanohuzalokat. Attól függően, hogy a fürdőt hogyan modulálják lehetőség van polikristályos vagy egykristály jellegű nanohuzal létrehozására. Olyan nanohuzalokat is elő lehet állítani, ahol a két fém spontán szegregálódik, és a nanocsatorna környezet olyan feltételeket teremt, ahol köpeny–mag jellegű nanohuzal növekedés is detektálható. Az előadás végén utalt egy magyar nyelvű rövid összefoglaló cikkére (Fizikai Szemle, 65. évf. 7-8. szám (2015.), pp. 223-226).

Kaptay György az MTA levelező tagjának az előadása két részből állt. Az első részben beszámolt az eddigi, az elektrokémia és a metallurgia határterületén elvégzett kutatásairól.
A 90-es években főleg vegyületek elektrokémiai szintézisével foglalkoztak, sóolvadékokból. Példaként főleg borid fázisokat (pl. titán-diborid) szintetizáltak, amik az alumínium elektrolízis inert katódjaként is szolgálhatnak. Ezen túl kidolgozták az elektrokémiai szintézis diagramok termodinamikai szerkesztésének elvét.
A 2000-es évek elején figyelmük a szén nanocsövek elektrokémiai szintézise felé fordult, szintén sóolvadékokból. Ehhez alkáli fémeket választottak le grafit katódon, melyek a grafén síkok közé interkalálódtak. A megfelelően nagy áramsűrűség esetén kialakuló mechanikai feszültség egyes grafénsíkok leválásához vezetett, melyek azután többfalú szén nanocsövekké tekeredtek össze. Ez a módszer a gázfázisban való szintézissel szemben kevésbé veszélyes, mivel a nanocsövek folyadékban (sóolvadékban) diszpergálva jelennek meg, ahonnan ráadásul viszonylag könnyen átvihetőek fémolvadékokba, ami a szén nanocsövekkel erősített fémmátrixú kompozitgyártás egyik lehetséges módszere.
Kaptay György előadása második felében új terveiről beszélt, nevezetesen a folyékony lítium elemek (elektromosenergia-tároló eszközök) megalkotásáról. Ezek annyiban különböznek szilárd társaiktól, hogy bennük mind a három fázis (anód, elektrolit és katód) folyékony halmazállapotú: az anód tiszta Li olvadék, a katód Li-alapú fémötvözet olvadék, az elektrolit Li ion tartalmú sóolvadék. Hátrányuk a szilárd analógokkal szemben, hogy csak statikus tárolást tesznek lehetővé, és kisebb az elérhető cellafeszültség. Előnyük a szilárd analógokkal szemben, hogy a katód és anód ciklikus térfogatváltozásának hatására nem repednek meg, illetve sokkal nagyobb áramsűrűséget tesznek lehetővé (ami a teljesítménysűrűségben túlkompenzálja a kisebb potenciálkülönbséget), mivel a folyadékokban nagyságrendekkel gyorsabb a diffúzió, mint a szilárd anyagokban. Eddigi EU és magyar pályázatai a témában sajnos nem kaptak finanszírozást. Szerinte azonban a modern elektromos hálózatok nem létezhetnek energiatárolás nélkül. Ezért - mivel a világpiacon ilyen termék nem kapható – tovább pályázik és bízik a jövőbeni finanszírozásban.

Kékesi Tamás, az MTA doktora nem valamilyen különleges anyag előállításáról beszélt, hanem különleges nyersanyagok hidro-elektrometallurgiai módszerekkel történő feldolgozását, hasznosítását mutatta be.
Példának említette, hogy ma már szigorú előírás, hogy ólommentes forrasztást kell megvalósítani. Az ólommal ötvözött ón eutektikus elegye kiváló tulajdonságú az olvadási hőmérséklet, a mechanikai és kémiai tulajdonságok szempontjából. A legelterjedtebb új (Sn-Ag-Cu) ólommentes ötvözet azonban a forrasztás közben nagymértékben oldja a rezet. A fejlett magyar elektronikai iparban is óriási az ilyen másodlagos forrás. Hasonló nyersanyag a nyomtatott áramkörök gyártása során keletkező réztartalmú hulladékoldat.
Kis méretekben és kis befektetéssel is gazdaságosan megvalósítható az értékes fémek kinyerése a hidro-elektrometallurgiai technikákkal. A fejlesztésekhez meg kell vizsgálni a hidratált ionok egyensúlyi állapotát az oldatokban. Légköri körülmények között oxidáció mehet végbe (az ónos és rezes oldatokban). Előnyösen alkalmazhatóak a sósavas-kloridos közegek a komplexképzésen alapuló elválasztási lehetőségek és a jó oldhatóság folytán. A Miskolci Egyetemen kifejlesztettek egy szimulációs módszert (ROKK), mellyel meghatározható, hogy különböző kloridion koncentrációk és redox potenciálok mellett mi várható egyensúlyilag. Tervezhető az elektrolitos fémkinyerés számára leginkább megfelelő oldatösszetétel és értelmezhetőek az áramhatásfokot és az oldat stabilitását befolyásoló folyamatok. A kinyerő elektrolízis esetében szükséges az anódos tér elválasztása egy kationcserélő membránnal, így megakadályozható a klór fejlődése az anódon, és a katódon igen tiszta réz választható le, miközben a katódtérben regenerálódik az aktív sósav. Így a tiszta réz mellett visszajáratható maratóoldat is keletkezik. A kifejlesztett rendszer áramoltatja az elektrolit oldatot, mert azt közvetetten hűteni kell az alkalmazott nagy áramsűrűségek miatt. A raffináló ónelektrolízis esetében kicsi az energiaigény és leginkább a gátolt transzportfolyamatok miatt rendezetlen elektro-kristályosodás okoz nehézséget. A módszer hosszú távú működése és a tiszta ón leválasztása érdekében különleges elektro-mechanikus, illetve forgó katódos elektrolizáló cellákat fejlesztettek ki, melyeket már szabadalmak is védenek. A kísérleti rendszereket az elektrolízis megvalósítására, illetve az elektródfolyamatok potenciodinamikus vizsgálatára, a hozzá tartozó vezérlő és adatgyűjtő szoftverekkel a Miskolci Egyetem Metallurgiai Intézetében saját erőből fejlesztették ki. A forrasztási hulladékból akár 99,99%-os tisztaságú katódón, valamint nagy ezüsttartalmú anódiszap állítható elő. Utóbbi melléktermék hidrometallurgiai feldolgozására szintén született módszer. Az ónelektrolízis magyarországi „pilot” ipari alkalmazása is folyamatban van. A publikációk és internetes kapcsolatok alapján, valamint a rugalmasabb hatósági feltételek miatt azonban Malajziában gyorsabban sikerült a megvalósítás.
A nagylaboratóriumi kísérleti elektrolízis rendszer is kialakult, amihez igen jelentős eszközfejlesztési segítséget nyújtott Horváth János, aki az intézettel önzetlen támogatóként értékes szakmai kapcsolatot tart, és a fémkinyerés szakirányos oktatásában is közreműködik.

Horváth János, Ph.D, (Alumínium 2000 Kft.) a program célkitűzéséhez igazodva trendekről, kihívásokról beszélt. Történeti áttekintésében utalt arra, hogy már a 1980-as évek közepén nagy gondok támadtak a hazai alumíniumiparban. Akkor erre a kihívásra azt a választ adták, hogy a meglevő ismereteiket úgy foglalták össze úgy, hogy azok értékesíthetők legyenek, mint szellemi export. A multinacionális alumíniumipari szervezeteknek saját kutatás-fejlesztési szervezetük van, de léteztek olyan alumíniumkohók is, melyek nem voltak részei egy teljes alumíniumipari vertikumnak . Ezek a kohók jelentették a potenciális lehetőségeket a szellemi exportra. Az elektrolízis ismeretek megjelentek különböző mérési módserekben és e célokra kifejlesztett mérőeszközökben. Egy 16 mérőcsatornás adatgyűjtő és feldolgozó rendszerbe épültek be az elektrolízis folyamat elektrokémiai ismeretei, a kádkonstrukció minősítésére mágneses indukciót mérő rendszert dolgoztak ki, mely modell számításokkal egészült ki. A folyamat energia hatásfokát hőáram-mérő segítségével határozták meg. Ezekkel a helyszínen végrehajtott mérésekkel számos nemzetközi munkát nyertek el, melyek közül hármat tárgyalt részletesebben. Az első értékesítésre és helyszíni mérésekre egy iráni alumínium kohóban (IRALCO, Arak) került sor. A mérések alapján tettek javaslatokat a technológia korszerűsítésére. Ezután Amerikai Egyesült Államokban Hawesville Kentucky) végeztek helyszíni méréseket alumínium kohóban. Itt már nem egyszerűen korszerűsítési javaslatokat vártak, hanem a termelési kapacitás bővítésére kértek javaslatokat. Az elgondolt bővítéshez akartak megerősítést, támogatást kapni, mivel mögöttük nem volt fejlesztési apparátus. Szintén dolgoztak indiai alumínium kohóban is (NALCO, Angul, Orissa). Ez volt a legkorszerűbb alumíniumkohó, ennek ellenére, az üzemviteli problémát kutatás-fejlesztés nélkül nem tudták megoldani. Arra a kihívásra, ami a 80-as évek közepén kirajzolódott, a hazai kutatás, fejlesztés sikeres szellemi exporttal adta meg a választ. Sajnos idő közben ezeket az egyedi kohókat a globalizáció következtében felvásárolták. Ehhez jött még a vörösiszap katasztrófa, ami tovább gyengítette a piaci lehetőségeket.
Most új kihívásokra, új válaszokat kell adni a kirajzolódó új metallurgiai kutatásokban. Mi a lehetséges trend, a jövő? Egy válasz lehetséges a-hazai tapasztalatokra építve- az olvadékok elektrokémiájának a kutatása. Az olvadékok elektrokémiája interdiszciplináris tudománnyá vált az elektrometallurgia és az anyagtudomány között.
Az elektrometallurgia terén nagy erőfeszítések történnek az oxidból történő elektrokémiai redukcióra, kiváltva azokat az eljárásokat, melyeknél a köztes termék egy oxid, amiből a fémet különböző – aluminotermiás, magneziotermiás, szenes, hidrogénes redukcióval – állítják elő. Az aktív fémek jelentős részét olvadékelektrolízissel állítják elő, visszanyerésük során az olvadékelektrolízis megkerülhetetlen.

Az anyagtudomány számára is számos lehetőséget kínál az olvadékok elektrolízise: fémek tisztítása, ötvözetek előállítása, bevonatok készítése, nanoszerkezeti anyagok előállítása.