Nanotechnológiai Kutatások a Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közalapítvány Nanotechnológiai Intézetében (Bay-Nano) (Bemutatkozik a Bay-Nano)
2007. szeptember 18.-án hivatalosan átadásra kerül a Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közalapítvány Nanotechnológiai Intézetének újonnan épített anyagtudományi laboratóriuma Miskolcon. A szalagot Dr. Kóka János, Gazdasági és Közlekedési Miniszter vágja át Káli Sándor Miskolc város polgármestere és Prof. Hajtó János Közalapítványi FĘigazgató, jelenlétében és ezzel a megnyitóval új fejezet kezdĘdik a magyarországi nanotechnológiai kutatások történetében. Az elĘzményekhez tartozik hogy a Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal (NKTH) 2005 decemberében írta ki a NAP-NANO pályázat néven azt az orosz-magyar államközi kutatási szerzĘdéshez is csatlakozó nagypályázatát melynek eredményeként 2006 július 1.-én Miskolcon megalakult Bay Zoltán Kutatási Közalapítvány ötödik kutatási intézeteként mĦködĘ Nanotechnológiai Kutató Intézete (Bay-Nano). A Bay Zoltán Közalapítvány Nanotechnológiai Kutató Intézetének létrehozása szervesen illeszkedik Miskolc város 2007-tĘl 2013-ig terjedĘ Versenyképességi és Fejlesztési Pólus programjába. Ennek a programnak a keretein belül a Közalapítvány és ezen belül a BayNano tevékenységének a a legfĘbb célja az hogy Miskolc város és környéke legyen az Európai Unió egyik vezetĘ nanotechnológiai központja a kutatás fejlesztés, az oktatás és az innováció és gyártás területén és ily módon Miskolc és az Észak-Magyarországi régió áljon újra fejlĘdési pályára. A miskolci Nanotechnológiai Kutató Intézet létrehozása szorosan kapcsolódik az oroszmagyar kormányközi nanotechnológiai együttmĦködési programhoz. A program alkalmazott kutatási témaköreit a magyar és orosz fél már korábban rögzítette, ezek nanoporokra, nano-kompozit anyagokra, nano-szerkezetĦ fémekre és kisérleti termékekre, nano-diszpergációs technológiai alkalmazásokra, nano-medicina fejlesztésre, nanometrológiára és nanotechnológiai oktatásra irányulnak. Az orosz kutatások a világon élen járnak az atomi méretekkel foglalkozó nanotudományok különbözĘ szakterületein. Az magyar-orosz együttmĦködés fĘ témái olyan alkalmazott kutatási területekrĘl lettek kiválasztva ahol mind a magyar mind az orosz kutatók jelentĘs tapasztalattal, szabadalmakkal és know-how-val rendelkeznek a kutatási eredmányek ipari hasznosítására. A közös cél a nanotechnológiai kutatási eredmények ipari és üzleti hasznosítása Magyarországon és közös vállalatok létrehozása az Európai Unió gazdasági keretein belül. Hangsúlyozni kell hogy az orosz-magyar nanotechnológiai együttmĦködés nem zárja ki más partnerekkel való együttmĦködést, éppen ellenkezĘleg, mindkét fél hasznosnak tartja az együttmĦködés kiterjesztését a kölcsönös érdekek figyelembe vételével más
országokra (pld. USA, Nagy Britannia, Japán, Németország, India), és más speciális nanotechnológiai területekre. A magyar-orosz nanotechnológiai kutatási együttmĦködés eredményeinek hasznosítására a magyar-orosz kormányközi egyezmény alapján, Miskolcon, megalakult a Nanovo Kft melynek magyar igazgatója Pónus Ferenc és orosz társigazgatója Andrej Schleining. A Nanovo Kft 51% - 49% –ban magyar (Miskolc Holding Kft), illetve orosz tulajdonban (NT-NDT és Angstrem) van. A Nanovo Kft egy olyan holding vállalat amely egy megfelelĘ licensz szerzĘdés keretén belül átveszi a magyar és orosz kutatási eredményeket és üzleti terv alapján kidolgozza a gyártáshoz szükséges financiális és egyéb feltételeket. A Nanovo Kft munkáját egy nemzetközi tanácsadó bizottság (hat magyar és hat orosz szakértĘ) segíti akik értékelik a nanotechnológiai kutatások eredményeit és javaslatokat készítenek elĘ ipari, üzleti alkalmazásokra. A „nano”, a nanotudomány és a nanotechnológia rövid leírása A „nano” kifejezés egy mértékegységre utal, a nanométer (nm) a méter egy milliárdod része (1 / 1 000 000 000), vagy másképpen, egy milliméter egymilliomod része (1 / 1 000 000). Egy atom átlagos mérete 0.2-0.3 nm körül van (minden atomnak más és más), igy 1 nm hosszon kb. 4-5 atom helyezhetĘ el. Ezért, aki nanométer felbontású kutatásfejlesztést végez, valójában atomi – molekuláris felbontással dolgozik. A fentiek alapján a nanotechnológia olyan technológiát jelent amelynek segítségével legalább egyik dimenziójában nanométer méretĦ anyagot hozunk létre vagy nanométer méretĦ eszközt készítünk ilyen anyagokból. A nanotechnológiai mérethatár nem teljesen definiált, általában mondható hogy 100 nm a nano-tartomány felsĘ mérethatára, az ennél nagyobb egységeket a mikro-technológiába soroljuk. Az elmult évtizedben sok szó esett a mikrotechnológiákról, különösen a mikroelektronikáról, de a méretek fokozatos csökkenése eredményeként a közeljövĘben fokozatos átmenet következik be a mikrotechnológiától a nanotechnológiáig, beleértve a jelenleg már folyamatban levĘ átalakulást a mikroelektronikától a nanoelektronikáig. A nanotechnológia jelenleg a miniatürizálás lehetséges végsĘ határait ostromolja, amennyiben a nano tartomány alsó része egybeesik az atomi dimenziókkal. Fontos azonban megérteni azt is hogy egy anyag vagy eszköz akkor is tartozhat a nanotechnológia tárgykörébe, ha annak a külsĘ méretei ugyan nagyok (akár méter nagyságúak) de az anyag belsĘ szerkezetét a nanométer tartományba tartozó egységek határozzák meg. Az ilyen nano-szerkezetĦ anyagok tulajdonságai ugyanis gyakran lényegesen jobbak mint a megszokott mikroszerkezetĦ anyagok tulajdonságai. Ezért a nanotechnológia nemcsak a szoros értelemben vett high-tech iparágakat hasznosíthatja,
hanem olyan klasszikus iparágakat is mint például az acélgyártás. A Bay-Nano Kutató Intézet mottójává ezért a „Macrotechnologies for Nanostructures” angol kifejezést tettük ami magyarul lefordítva azt jelenti hogy „Nanostruktúrák létrehozása makrotechnológiák által”. A Bay-Nano Kutató Intézet tehát nemcsak a high-tech iparágak részére végez kutatás-fejlesztéseket, hanem a klasszikus anyag gyártó iparágak részére is. Amennyiben ezen klasszikus iparvállalatoknál gyártott anyagok új nanoszerkezetének köszönhetĘen a végtermékben reprodukálható tulajdonságjavulás érhetĘ el, akkor ez az iparvállalatoknak piaci elĘnyt jelent, ami végsĘ soron hazánk versenyképességének javulásához árul hozzá. Bay-Nano Intézet bemutatása A Nanotechnológiai Kutató Intézet (Bay-Nano) ma öt alkalmazott kutatási osztályból áll a következĘ szervezeti felépítésben: Igazgató: Dr. Kaptay György (MTA doktora, professzor) Igazgató helyettes: Dr. Pungor András (PhD) Nano-Átalakítás Osztály vezetöje: Dr. Krállics György (kandidátus) – az osztály célja intenzív képlékeny átalakítással nanoszerkezetĦ fémek és fémötvözetek elĘállítása. Nano-Diszperziós Osztály vezetĘje: Dr. Kiricsi Imre (MTA doktora, professzor) – az osztály célja vizes oldatból kiindulva nanoméretĦ fémek és fémötvözetek elĘállítása. Nano-Kompozit Osztály vezetĘje Dr. Kaptay György (lásd fent) – az osztály célja olyan fémmátrixú kompozitok elĘállítása amelyek nanoméretĦ erĘsítĘ fázist tartalmaznak. Nano-Medicina osztály vezetĘje Dr. Szebeni János (MTA doktora) – az osztály célja különbözĘ gyógyszerek nano-méretĦ kapszulázása, illetve különbözĘ nanotechnológián alapuló gyógyszerek fejlesztése (cél-betegségek: rák, AIDS, cukorbetegség stb.) Nano-Metrológia Osztály vezetĘje Dr. Pungor András (PhD) – az osztály célja olyan metrológiai eszközpark beszerzése, mĦködtetése és fejlesztése, melynek segítségével a laboratóriumi, vagy ipari minták nano-méter felbontással is „láthatóvá” válnak és különbözĘ analitikai módszerekkel vizsgálhatók. A Bay-Nano, a NAP-NANO pályázat elnyerése eredményeként 1.8 milliárd forintos állami támogatást kap mĦködésének elsĘ három évére. EbbĘl az összegbĘl a szükséges eszközparkot kell megteremteni, illetve az elsĘ három év mĦködési költségeit kell fedezni. A három év letelte után 2009 július 1.-étĘl közvetlen állami támogatásra már nem számíthatunk és a Bay Zoltán Közalapítvány többi intézeteihez hasonlóan a piacról kell majd megélnünk. A Bay-Nano kutatásaihoz és mĦködéséhez szükséges infrastruktúra végleges kialakítása a Miskolc város Pólus programján belül fog megoldódni. A végleges infrastruktúra kialakítása elĘtti fontos lépésnek tekintjük a Bay-Nano Anyagtudományi laboratórium felépítését, nanotechnológiai eszkĘzökkel való berendezését és a nanotechnológiai anyagtudományi kutatások koncentrálását az új laboratóriumban.
Az Anyagtudományi Laboratóriumot a Miskolc-i Egyetem-tĘl bérelt és a nanotechnológiai kutatási terveknek megfeleĘen átalakított E/3-as épületben hozta létre a Bay Nano. Az újonnan kialakított laboratóriumban mĦködnek a nano-diszperzió, a nanokompozit, a nano-medicina, a nanoszerkezetĦ fémek programjai keretében elĘállítandó anyagok gyártásához szükséges berendezések egy része és ezen anyagok karakterizációjához szükséges nano-metrológiai eszközök. Ezért az Anyagtudományi Laboratórium funkciója kettĘs, mind nano-anyagok elĘállításával, mind nano-anyagok karakterizációjával is foglalkozik. A Bay-Nano Anyagtudományi Laboratóriumban kialakított kutatási témák és a témákhoz kapcsolódó eszközök, berendezések leírása: 1. NanoszerkezetĦ fémek és fémötvözetek gyártása és ipari alkalmazásai A program a tömbi nanoszerkezetĦ félgyártmányok (rudak, lemezek) elĘállítására koncentrál, ezen félgyártmányokat titánból és egyéb fémekbĘl állítjuk elĘ. A nanoszerkezetĦ fémek elĘállítására az ugynevezett „intenzív képlékeny átalakítás módszerét használjuk.
Intenzív képlékeny alakítás módszere
IKA
NagyméretĦ szemcsék (mikron – milliméter )
Tömbi nanoszerkezetek
Különleges tulajdonságok
Intenzív képlékeny átalakítás módszere Az osztály fĘ feladata az ipari szintĦ gyártási eljárások feltételeinek kidolgozása és termékfejlesztés a következĘ területeken: orvosi implantátumok (protézisek), villamosipari érintkezĘk, mikroelemek. Ipari partnereink: DAM 2004 Acél és HengermĦ Kereskedelmi és szolgáltató vállalalat, Miskolc, Csavar és Húzottáru részvénytársaság, Alsózsolca.
Medimetál Csontsebészeti és Kereskedelmi Kft, Eger Orosz kutatási partnerünk az UFA-i Állami Egyetem (Igor Alexandrov kutatócsoportja). Az orosz-magyar nanotechnológiai együttmĦködés ezen a területen már egy közös szabadalmat eredményezett. 2. Nanokompozit anyagok elĘállítása és ipari alkalmazásai A program célja nano méretĦ szénszálakkal megerĘsített fém mátrixú anyagok elĘállítása. Ezen anyagok fajsúlya sokkal kisebb mint tiszta fémeké, de a mechanikai szilárdságuk nagyobb lehet mint például az acélé. Az egyik alkalmazási lehetĘség a villamos iparhoz kötĘdĘ, a nagyfeszültségĦ kábelek gyártása, mivel a nano-méretĦ szénszállal megerĘsített aluminium kábelek súlya azonos elektromos vezetĘképesség mellett csak fele az eredeti aluminium kábelnek. A nano-méretĦ szénszálak és az aluminium fém mátrix közötti tapadás és adhéziós erĘ optimalizálása szintén nano-méretĦ adalékanyagokkal történik melynek megoldására az osztály egy szabadalmat nyújtott be. Ipari partner: FUX Kft. Miskolc. (nagyfeszültségĦ kábelek anyagainak kidolgozása nanotechnológiai módszerekkel).
CNT SEM images (in-lens SE detector)
Nano méretĦ szénszálak
3. Nanotechnológián alapuló gyógyszerek elĘállítása és gyártásának elĘkészítése A program célja nanogyógyszerek és más nanotechnológián alapuló orvosigyógyászati termékek prototipusainak elĘállítása és ipari-gyártási technológiájának elĘkészítése. Közvetlen feladatként három program kidolgozása van folyamatban: a) generikus liposzomás doxorubicin gyártásának kidolgozása (Doxil program) b) gyulladásgátló liposzómák gyártásának kidolgozása (Nanocort program)
c) orosz nanogyógyszerek formulázása (Phosphogliv program)
Liposzómális Doxorubicin (Doxil) a
c Polymer védĘburok doxorubicin liposzóma
b
d
Doxil, elsĘ forgalmazott, sikeres rákellenes nano-gyógyszer a) Tem-tomogáfiás kép, b) TEM kép, c) sematikus ábrázolás, d) forgalmazott kiszerelések A vizszintes fehér vonalak 100 nm-t jelölnek
Doxil projekt Ezen célokat a közeljövĘben megalakítandó Nanomedicina Konzorcium keretén belül kívánjuk megvalósítani melynek tagjai a Bay Zoltán Alkalmazot Kutatási Közalapítvány (nanogyógyszer R & D), a Semmelweis Egyetem (Klinikai vizsgálatok), és a Richter Gedeon Ltd (nanogyógyszer gyártás). A konzorciummal együttmĦködve több kutatási intézmény illetve gyártó cég is részt vesz a nanogyógyszer fejlesztésekben: Ubichem Kft, gyógyszerformulázás, SERO-Science Kft, immunulógiai vizsgálatok, Horvath Laboratory of Bioseparation Sciences LLC (USA) (gyógyszer vizsgálatok), Cambridge University (UK), klinikai vizsgálatok, Walter Reed Army Institute of Research (USA), immunreakciók vizsgálata és Institute of Biomedical Chemistry of the Russian Acedemy of Science (Oroszország), gyógyszerformulázás és diagnosztika atom erĘ mikroszkópia felhasználásával. A nanomedicina gyógyszer program eddigi eredményeként két új szabadalom jött létre, amelyeket a Nanomedicina Konzorcium hasznosítani kíván és újabb szabadalmak vannak kidolgozás alatt a Konzorciumi partnerek között.
4. Nanodiszperzió projekt A nanodiszperzió projekt fĘ célja nanoméretĦ fémek és ötvözetek elĘállítása folyadék állapotból fémkomplexek ultrahangos gerjesztésével. A kidolgozott eljárások fĘ elĘnye az, hogy ily módon egységes, jól reprodukálható méretekben lehet a nanorészecskéket elĘállítani és a méretük mellett az alakjukat is lehet szabályozni. A kidolgozott nanotechnológia másik elĘnye az hogy ilyen módon olcsón és kis energiafogyasztással lehet nanorészecskéket elĘállítani. A kidolgozott eljárások szabadalmaztatás alatt vannak. Az alkalmazási területek igen széles körĦek lehetnek, az egyik terület olyan textil anyagok elĘállítása amelyek nanoméretĦ ezüst részecskéket tartalmaznak és igy antibakteriális hatásúak. Enek a programnak az ipari alkalmazása a tervek szerint magyar-orosz együttmĦködésben valósul meg. A következĘkben két konkrét ipari alkalmazási programot ismertünk: 1. Titanát nanoszálak és gyártásuk polimer erĘsítés céljából és öntisztuló felületek gyártására: A különbözĘ titán-oxid vegyületek közül a legnagyobb érdeklĘdés ez ideig a titándioxidot kísérte azért, mert fehér színe és elĘállításának viszonylagos egyszerĦsége – amibĘl a nagy volumenĦ gyártás lehetĘsége következik – fehér pigmentként történĘ felhasználását tette lehetĘvé festékekben és bevonatokban. A festékipari alkalmazás egyik további lehetséges útja annak kihasználása, hogy a titán-dioxid fotokatalitikus tulajdonságú, azaz fény hatására a megfelelĘ méretĦ kristályaiban elektron-lyuk párok képzĘdnek, amelyek kémiai reakciók iniciálására képesek. Ez a tulajdonsága a titán-dioxidnak kihasználható akkor, ha olyan mátrixba tudjuk beépíteni, amely biztosítja, hogy a gázfázisból az oxidálandó anyag, például valamely szennyezés, a titándioxid részecske felületére juthasson. Ehhez természetesen levegĘzĘ mátrix anyag kell. A titándioxid oldaláról követelmény, hogy részecskéinek döntĘ része nanométeres nagyságú legyen. A legegyszerĦbb sikerre vezetĘ megoldás az, amikor a titándioxid nanorészecskéket közvetlenül megkötjük az oxidáló felületen. Ilyen megoldás lehet az öntisztuló üvegfelület készítése. Egy másik titán-oxid vegyület a trititanátok családja. EzekbĘl az anyagokból lehet csöves szerkezeteket szintetizálni. Ezeknek a nanocsöveknek a felhasználása még nem teljesen kikutatott. Megállapították, hogy fotokatalitikus aktivitásuk nincs. Csöves struktúrájukhoz kapcsolódóan még nem tudunk érdemi kutatás-fejlesztési eredményrĘl. Mivel a titanát csövek spirális szerkezetĦek, azaz egy felcsavart lapoz hasonlíthatók, ioncserélhetĘ kationokat tartalmaznak, alkalmazási lehetĘségük ezekhez a tulajdonságokhoz lesz köthetĘ. Ha a titanát nanocsövek szintézisének kísérleti paramétereit megváltoztatjuk, titanát szálakhoz jutunk. Ezek a nanostruktúrák abban is különböznek a nanocsövektĘl, hogy hosszabbak, hosszuk a szintézis körülményeitĘl függĘen befolyásolható. A titanát nanoszálak alkalmazási lehetĘségei között a polimerek erĘsítése és fotokatalitikus tulajdonságuk kihasználása, pl. öntisztuló felületek készítése lehet a legfontosabb. Kutatómunkánk során kidolgoztunk egy új eljárást titanát nanoszálak gyártására. Az eljárás szabadalmi oltalom alá helyezése folyamatban van. A szabadalom tulajdonosa fele-fele arányban a BayNano Kutatólaboratórium és az SZTE Alkalmazott és Környezeti
Kémiai tanszéke. Az Alchemy Bt. Szeged, és az SSMP Vegyipari kft., Sajóbábony, vállalta a gyártás üzemesítésében való részvételt. 2. Ezüst nanorészecskéket tartalmazó kolloid oldat és gyártása: Az ezüst nanorészecskék szintézisét a legelsĘk között oldották meg ezüst-sók közvetlen redukálásával, felületvédĘ ágens nélkül és annak jelenlétében (felületvédĘ anyagként polimereket és/vagy felületaktív anyagokat szokás alkalmazni). Az ezüst nanorészecskéket különféle felületeken megkötve antibakteriális hatást lehet elérni. A nanoméret elĘnye abban mutatkozik meg, hogy nem csak merev, kevéssé hajlékony felületek, hanem hajtogatható, esetenként gyĦrhetĘ felületeken is alkalmazható. EbbĘl következĘen nemcsak falfelületeken, vagy mĦszerfelületeken hanem textíliákon is megköthetĘk. Az SZTE és a BayNano Kutatólaboratórium munkatársai kidolgoztak egy új eljárást, amelynek segítségével hatékony körülmények között, folyamatos eljárásban képesek magas koncentrációban ezüst nanorészecskéket tartalmazó kolloid oldat elĘállítására. Az oldat szabadon hígítható vízzel, a részecskék számottevĘ aggregációja nélkül. Az eljárás szabadalmi oltalom aláhelyezés stádiumában van. Ipari méretĦ gyártásának elĘkészítésében a méretnöveléssel járó kutatómunkában és a gyártás megszervezésében 3K Science Bt Tiszasziget és a Nanokoltech kft Szeged vesz részt.
5. Nanometrológia A Nanometrológia osztály biztosítja a méréstechnikai hátterét a Bay-Nano nanotechnológiai programjainak. A nagyberendezések közül érdemes megemlíteni a japán Hitachi Pásztázó Elektron Mikroszkópot amelynek felbontása 0.2 nm, tehát képes atomi méretekben vizsgálni egy adott minta felületét. Egy másik nagyberendezés az orosz atom erĘ mikroszkóp (NT-MDT gyártmány) amely az anyagok felületét szintén atomi méretekben képes vizsgálni és képes nagy felbontású Raman Spektroszkópiára is. A nagymüszer beszerzés utólsó stádiumába érkezett a nagyfelbontású Transzmissziós Elektron Mikroszkóp is melyet a közeljövĘben állítunk üzembe. A nanometrológia osztály mĦszerparkja nemcsak a Bay–Nano hanem a magyarországi nanotechnológiai kutatások számára is a legjobban felszerelt nanometrológiai mérési és vizsgálati lehetĘségeket nyújtja. Ennek megfelelĘen magyar és külföldi vállalatok és kutató intézmények nagy számban jelezték igényüket a nanometrológiai szolgáltatásokra. A nanometrológia program másik célja olyan nanoméretĦ szabványok kidolgozása amelyet a nanotechnológiai ipar közvetlen hasznosítani tud az ipari gyártások bevezetése során.
A nanometrológia osztály vezetĘje Dr. Pungor András aki az elmúlt két évtizedben az Egyesült Államokban, Utah-ban dolgozott. Több mint tíz évig az Utah-i Egyetem Bio-Mérnöki Kar kutató mérnöke volt ahol nagyrészt az itthonihoz méréstechnnikák kidolgozásában és alkalmazásában vett részt. Az utóbbi idĘben egy olyan projektben végzett kutatásokat, melynek célja az emberi agy számítógéppel való összekötése volt nano-méretĦ elektródák segítségével. A kisérleteket gerincsérült és ALS (mozgató idegsejtek imeretlen eredetĦ pusztulása) betegeken is folytattak le Dr. Pungor részvételével.
