Áttörést ígér az anyagtudományban a grafén Nobel-díjas feltalálójával közösen jegyzett magyar megoldás
„Ugyanazt a geometriai eszköztárat, amivel két éve Platón kockáit megtaláltuk
a geológiában, most a szupramolekuláris mintázatokra szabadítottuk rá” – mondta a Qubitnek Domokos Gábor alkalmazott matematikus, a legendás gömböc egyik feltalálója, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Morfológia és Geometriai Modellezés Tanszékének professzora.
Az említett mintázatoknak az anyagtudomány egyik leggyorsabban fejlődő területén van kulcsszerepük. Ebben a szektorban olyan intelligens anyagok fejlesztése a cél, amelyek az orvoslástól az energiatermelésig számtalan módon felhasználhatók.„Ilyenek a magyarul egyrétegűnek is nevezett olyan monolayerek, mint amilyen a szénatomokból felépített kétdimenziós grafén. A 2D anyagok elméleti kutatásával párhuzamosan ezerrel zajlanak már a pásztázó elektronmikroszkópos fejlesztési kísérletek, hogy minél előbb sor kerülhessen az ilyen anyagok gyakorlati alkalmazására. Minket is meglepett, hogy a sztártudósoktól hemzsegő területen újat tudtunk mutatni” – mondta Domokos.
A kutatók munkáját eddig sokszor akadályozta, de mindenképp jelentősen lassította, hogy a létrehozandó 2D molekulahálózatok szerkezetét csak magas számításigényű, gépi tanulásra és komplex matematikai teóriákra épített szuperszámítógépes módszerekkel képesek előre jelezni, ráadásul a valóságban létrejövő mintázatok között olyan is akad, amely nem szerepelt a predikciókban.
Közös gömböc
A téma a BME kutatói közösségét is foglalkoztatja, ennek köszönhető, hogy a Domokossal már korábban is együtt dolgozó elsőéves doktoranduszhallgató, Regős Krisztina egy jóval egyszerűbb geometriai modellel állt elő. A kettőjük által csiszolgatni kezdett ötlet olyannyira működőképesnek látszott, hogy Domokos néhány hónapja elküldte a módszer vázlatos leírását a grafén feltalálásárt 2010-ben fizikai Nobel-díjjal jutalmazott Konsztantyin Szergejevics Novoszjolov (angolosan Konstantin Novoselov) orosz fizikusnak is.
A 2001-ben Angliába költözött, azóta a világ számos pontján dolgozó sztártudós postafordultával válaszolt, hogy beszállna a közös munkába. Az eredményt ismertető tanulmány szerdán, április 12-én jelent meg a PNAS folyóiratban.
A jelenleg Szingapúrban kutató Novoszjolov bizalmát megalapozta, hogy nagy tisztelője a legendás orosz matematikus, Vlagyimir Igorevics Arnold munkásságának, így tisztában volt vele, hogy a Domokos-féle gömböc a négynél kevesebb egyensúlyi pontú testek létezését előre vetítő egyik Arnold-sejtés máig szenzációsnak tartott materializálódása.
A kapcsolatfelvételt megkönnyítő közös nevező azonban kevés lett volna, ha a grafén megalkotóját nem győzi meg az anyagtudományi probléma geometriai megoldásának ötlete, aminek köszönhetően 2023 elején meghívta a két magyart az egyrétegű anyagok kutatásának és fejlesztésének egyik első számú globális központjába, Szingapúrba.
Molekulamozaik
A gömböc megtalálásához vezető geometriai módszerekről Domokos szerint már korábban kiderült, hogy segítségükkel lehetséges a számok nyelvén formákról beszélni, így morfológiai alapon katalogizálni az élettelen természetet. Mint elmondta, „ennek köszönhetően a jelenben látott formák alapján meg tudjuk fejteni, hogy milyen folyamatok alakíthatták ezeket. A jelenből a jövőre és a múltra is tudunk következtetni”.
A most megjelent tanulmányban ismertetett megoldás megértéséhez érdemes tudni, hogy a 2D anyagok szerkezetének egyik kulcsfontosságú eleme a lényeges anyagszerkezeti tulajdonságokat hordozó, úgynevezett szupramolekuláris mintázat. Ennek feltárásához jelenleg az akár 0,1 nanométeres felbontásra is képes pásztázó elektronmikroszkópot tartják a legerősebb képalkotó eszköznek, amellyel azonban sok esetben még a rendkívüli felbontás ellenére sem valósítható meg a matériák molekulahálózatának pontos feltérképezése. A molekulák közötti kötések megjelenítésére ugyanis a mikroszkópos képek gyakran nem alkalmasak.
Az anyagkutatók így rendkívül idő- és költségigényes szuperszámítógépes szimulációkkal próbálják megismerni a mintázatok geometriáját. Regős, Domokos és Novoszjolov módszerének alapötlete, hogy a vizsgált mintázatokat térkitöltő geometriai mozaikokként értelmezi.
Vagyis, mint Domokos mondja, „tisztán geometriai eszközökkel becslés adható 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.
Regős és Domokos a matematikai eszközök mellett kísérletekkel is igazolta, hogy a módszerrel adott teljes becsült tartományban észleltek mintázatokat.
Az elektronmikroszkópos képalkotás virtuális kiterjesztésének is felfogható módszer segítségével az anyagkutatók gyorsan és egyszerűen nyerhetnek információt a szupramolekuláris mintázatokról.
Domokos a Qubitnek azt is elmondta, hogy a PNAS-tanulmány első szerzője Regős Krisztina, aki a térkitöltő mintázatokról mint geometriai modellekről készítette a diplomamunkáját 2022-ben, amelyet a BME Építészmérnöki Kar Hauszmann-díjjal tüntetett ki. Regős 2021-ben elnyerte az ifjúsági Gábor Dénes-díjat és a FameLab országos döntőjének közönségdíját, PhD-tanulmányait pedig az Albrecht Science Fellowship támogatásával végzi.
Kapcsolódó cikkek a Qubiten: