Új, geometriai ötleten alapuló megoldást javasolnak az egyrétegű anyagok szupramolekuláris mintázatának pontos feltérképezésére Konstantin S. Novoselov Nobel-díjas tudóssal közös tanulmányukban a BME és az ELKH kutatói.
Az elektronmikroszkópos képalkotás virtuális kiterjesztésének is tekinthető módszernek az anyagtudomány egyik leggyorsabban fejlődő területén, az intelligens anyagok fejlesztésében juthat szerep,
amelyektől nemcsak a rák gyógyításában, hanem mesterséges emberi sejtek és szövetek létrehozásában és az úgynevezett környezeti energiák hasznosításában is áttörést várnak.
A nemzetközi kutatócsoport eredményeiről beszámoló tanulmány a BME és az ELKH kutatóinak vezetésével a Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) című szakfolyóiratban kedden jelent meg.
A 21. század csodaanyagának tartott, a gyémántnál keményebb, a réznél jobb elektromos vezető, a guminál rugalmasabb grafén 2004-es megjelenése óta az anyagtudományi kutatás egyik legforróbb területe az egyrétegű anyagok fizikájának megértése, ugyanis ezeken keresztül vezet az út az úgynevezett intelligens anyagok fejlesztéséhez, amelyek forradalmasíthatják hétköznapjainkat is.
Az egyrétegű anyagok szerkezetének egyik kulcsfontosságú eleme a lényeges anyagszerkezeti tulajdonságokat hordozó úgynevezett szupramolekuláris mintázat. Az anyagszerkezet feltárásának jelenleg legerősebb képalkotó eszköze az akár 0,1 nanométeres (nm) felbontásra is képes pásztázó elektronmikroszkóp, bármennyire is fontos volna azonban a szupramolekuláris mintázatok pontos feltárása, ez sok esetben még ezzel a rendkívüli felbontású berendezéssel sem valósítható meg.
A mintázat geometriája leírásának egyik fő része ugyanis a molekulák közötti kötések pontos feltérképezése, amelyek megjelenítésére a mikroszkópos képek gyakran nem alkalmasak.
Képalkotó eljárás hiányában az anyagkutatók rendkívül idő- és költségigényes, részben mesterséges intelligencián alapuló szuperszámítógépes szimulációkkal próbálják megismerni a szupramolekuláris mintázatok geometriáját. E téren hozhat jelentős fordulatot a most megjelent tanulmány, amelynek vezető szerzője Regős Krisztina, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem (BME) Morfológia és Geometriai Modellezés Tanszékének elsőéves doktoranduszhallgatója.
A publikáció elkészítésében a Bázeli Egyetem, valamint a Berni Egyetem kutatói mellett Domokos Gábor, az ELKH-BME Szilárd Testek Morfodinamikája Kutatócsoport vezetője, a BME Morfológia és Geometriai Modellezés Tanszékének kutatóprofesszora, a Gömböc egyik feltalálója, továbbá a grafénnal kapcsolatos kutatásaiért 2010-ben fizikai Nobel-díjjal kitüntetetett Konstantin S. Novoselov professzor is részt vett.
A tanulmány alapötlete, hogy a vizsgált szupramolekuláris mintázatokat mint térkitöltő geometriai mozaikokat több léptékben értelmezi. A kutatók tisztán geometriai eszközökkel becslést adtak a molekulák közötti kötések által kirajzolt mintázat elektronmikroszkóppal nem látható, anyagtudományi szempontból azonban kulcsfontosságú geometriai tulajdonságaira.
A becslést leíró képlet bemenő adatai a mikroszkópos képeken látható mintázat geometriáját, valamint a mintázatot alkotó molekula geometriai és kémiai tulajdonságait hordozzák. Szintén matematikai eszközökkel bebizonyították, hogy becsléseik élesek, tehát tovább nem javíthatók.
Ezt kísérletekkel is igazolták, melyek során a módszerrel adott teljes becsült tartományban észleltek mintázatokat.
Az elektronmikroszkópos képalkotás virtuális kiterjesztésének is tekinthető becslések segítségével az anyagkutatók gyorsan és egyszerűen nyerhetnek információt a szupramolekuláris mintázatokról. A jelen cikk kizárólag hidrogénkötésekkel foglalkozik, de az elmélet elvben más, ennél összetettebb kötéstípusokra is kiterjeszthető.
Ezek is érdekelhetnek:
(Forrás: ELKH)