Élenjáró nanotechnológia Szegedről

Vízhatlan, mégis lélegző, baktériumölő és öntisztuló felület – erre mind képes az a nanogél, amit nemrégiben fejlesztettek ki szegedi kutatók. A titanát nanoszerkezetekben rejlő lehetősége szinte határtalan.
Fotó: SZTE Informatikai Karának Alkalmazott és Környezeti Kémiai Tanszéke
A nanotechnológia alig néhány éve még a tudományos fantasztikum világához tartozott – ma már egyre inkább a mindennapjaink része. A Szegedi Tudományegyetem Természettudományi és Informatikai Karának Alkalmazott és Környezeti Kémiai Tanszéke – az Auro-Science Kft.-vel közösen – nemrégiben a világ élvonalába tartozó gyártási technológiát fejlesztett ki, éppen az ilyen, haladó nanotechnológiai termékek előállítására.
Az általuk előállított nanogél könnyen felvihető a legkülönbözőbb felületekre (vakolat, kő, beton stb.), ám különleges tulajdonságai biológiai és kémiai szempontból öntisztulóvá teszi azokat, megakadályozza a víz behatolását, miközben megtartja a lélegző képességüket.
Vajon hogyan készülnek ezek a molekuláris méretű szerkezetek, és milyen további lehetőségek rejlenek ezekben a kutatásokban?
Kukovecz Ákostól, a szegedi kutatás egyik vezetőjétől megtudtuk, a nanoszerkezetek előállítására két megoldás ismert. „A »top-down« módszerek a nagyobb méretektől haladnak a kisebb felé. Ilyenek például a félvezető mikroelektronika által használt litográfiás eljárások vagy a nagyenergiájú őrléssel végzett méretcsökkentés. A mi kutatócsoportunk a másik, ún. »bottom-up« megközelítést alkalmazza gyakrabban, így készítjük a titanát nanocsöveket is. Itt a lényeg az, hogy az atomok, molekulák szintjéről elindulva építjük fel a nanorészecskéket, mint egy LEGO-figurát.”
A kutatók természetesen a valóságban nem tudják az atomokat egyesével megfogni és a helyükre rakni, ehelyett az anyag természetes rendeződési, kristályosodási hajlamát használják ki. „Valójában minden, spontán meginduló kristályosodási folyamatban keletkeznek nanorészecskék – akár egy bögre meleg, tömény cukros tea lehűtésekor is. Ezek nagyon rövid ideig léteznek ebben a méretben, mert a kristályosodás előre haladtával gyorsan kinövik a nanométeres tartományt” – magyarázza Kukovecz Ákos.
A legtöbb, alulról építkező szintézismódszer lényege az, hogy a kutatók éppen a kívánt méret elérésekor állítják le a növekedést. „Ha pedig sikerül valamelyik kristálylap növekedési sebességét a többihez képest felgyorsítani, akkor megnyúlt, aszimmetrikus kristályokat is előállíthatunk. Az ilyen nanoszálak átmérője csak néhány nanométer, de a hosszuk ennek akár több tízezerszerese is lehet. A titanát nanocsöveket lúgos közegben, hidrotermális úton készítjük. Mivel a titanát nanocső az adott körülmények között a rendszer legstabilabb állapotát jelenti, ezért nagyon jó kitermeléssel, mellékreakciók nélkül, tisztán lehet gyártani.”
Titanát
A szegedi kutatások fókuszában álló nanocsövek mikroszkopikus szerkezete egy felcsavart szőnyegre emlékeztet, ám a „szőnyeg” vastagsága alig néhány molekulányi. Alapanyaga a titán-dioxid (TiO2), ami a természetben több ásványban is nagy mennyiségben előfordul. A titanát nanocsöveket lúgos közegben, hidrotermális úton készítik. Tömény lúgos oldatban, magas hőmérsékleten a lúgban jelenlévő nátrium-ionokkal közösen újrakristályosodva titanát kristályokat képeznek. A keletkező titanát kristályok alakja elvileg sokféle lehetne. Ha azonban jól állítják be a reakció paramétereit, akkor éppen a titanát nanocső lesz az a kedvezményezett forma, amilyenné az anyag lényegében „magától” alakulni szeretne.
A szegedi kutatócsapat egy titanát nanocső alapú anyagcsaládot fejlesztett ki, amelyből mindig a felhasználói igényeknek megfelelő tagot választhatják ki. Az ionos titanát nanocsövek, illetve nanoszálak használhatók ioncserélőként, nagy fedőképességű fehér pigmentként vagy műanyagokat erősítő adalékként. Alkalmasan módosított típusukat festékbe keverve antibakteriális, vízlepergető tulajdonságú felületet kaphatunk. Hőkezeléssel a titanát visszaalakítható titán-dioxiddá anélkül, hogy a nanoszál-szerkezetet elveszítenénk. Az így kapott anyag akár 700 °C feletti hőmérsékleten is stabil, porózus hálózatokat alkothat, és emellett fotokatalitikusan is aktív. Ezért készíthető belőle öntisztuló szűrőmembrán, felületükön erősített üveg, a szobalevegőt fotokatalitikusan tisztító festék, kopásálló bevonat stb. „Finn partnereinkkel végzett kísérleteink azt mutatják, hogy a megfelelően módosított és hőkezelt titanát nanoszálak egészen jól működnek a – megújuló energiaforrásokkal kapcsolatos kutatások egyik ‘Szent Gráljának’ számító – direkt fotokatalitikus vízbontási reakcióban is” – világít rá a kutató arra, hogy miért élenjáró a náluk folyó fejlesztő munka.
Forrás: Horváth Árpád