„Egy új anyag forradalmasíthatja az elektronikai ipart és a járműgyártást”

Nagy tisztaságú grafén szerkezetek viselkedésének vizsgálatáért kapott Bolyai-ösztöndíjat Makk Péter, a BME Fizika Tanszék tudományos munkatársa.

„A grafén jelenleg az egyik legnépszerűbb kutatási téma a szilárdtest- és a nanofizikában. Az új és különleges tulajdonságokkal rendelkező nanotechnológiai anyag egyetlen atomvastagságú grafitrétegből álló kétdimenziós hatszögrács, ami annyira vékony, hogy szabad szemmel nem is látható, ezért időnként kétdimenziós anyagnak is nevezik” – osztotta meg kutatásainak központi témájáról Makk Péter, a BME Természettudományi Kar Fizika Tanszék szakembere. Péter 2015-ben Bolyai János Kutatási Ösztöndíjat kapott a Magyar Tudományos Akadémiától (dolgozatának címe: „Ballisztikus grafén nanoáramkörök” – a szerk.).

A grafén különleges elektromos jellemzőkkel bír. „A hagyományos, azaz a többrétegű anyagoktól eltérően a grafénben másként viselkednek az elektronok. A grafénben a hatszögrács élei mentén az elektronok ún. „tömeg nélküli részecskékként” mozognak, hasonlóan a relativisztikus kísérletek fotonjaihoz. A részecskék ebben a két dimenzióban úgy viselkednek, mint a háromdimenziós relativisztikus kvantummechanika részecskéi. E jellemzők is ruházzák fel az újonnan felfedezett anyagot különleges tulajdonságokkal: a grafén a gyémántnál is keményebb, miközben a guminál rugalmasabb. Átlátszó, öntisztító, ellenáll a víznek, az olajnak és a zsírnak, és kiváló elektromos vezető” – ecsetelte a Műegyetem fizikusa. (A grafént 2004-ben fedezte fel Andre Geim és Konsztantyin Novoszjolov, akik 2010-ben fizikai Nobel-díjat kaptak tudományos eredményeikért – a szerk.)

Kezdetben „mostohaként” tekintettek az újonnan felfedezett anyagra: alkalmazása számos technológiai kételyt vetett fel, így nem hittek a gyakorlati hasznosításában sem. Ám az elmúlt 4-5 évben számos elektronikai eszköz felhasználását forradalmasította, és több ezer szabadalomhoz is felhasználták. Az Európai Unió kutatás-fejlesztési zászlóshajóprojektnek minősítette a grafénben rejlő lehetőségek feltérképezését, és jelentős forrásokkal támogatja a témával foglalkozó kísérleteket.

A kutatók tervei szerint grafénből készíthető majd hajlítható érintőképernyős eszköz (például okosóra, okoskarkötő és okostelefon) vagy átlátszó napelem. Zsírtaszító tulajdonsága miatt a képernyőt megvédi az ujjlenyomatoktól, mi több, a grafénnel kevert műanyagból sokkal ellenállóbb és erősebb műanyag-kompozitok hozhatók létre, illetve 1 réteg grafén fémek felületét is megvédheti az oxidálódástól. „Idővel számos eszköz felületét grafén réteggel látják el” – vélekedett a fiatal fizikus. A grafén felhasználhatóságának sokoldalúságát mutatja, hogy az elektronikai ipar mellett a repülőgép- és az autóipar is érdeklődik az új anyag iránt: „olyan műanyag- és grafén-kompozitokkal kísérleteznek, amelyekből ellenállóbb és könnyebb tömegű alkatrészek hozhatók létre. Az autóiparban főként a grafénnel dúsított akkumulátorok és a vízlepergető ablakok, míg a repülőgépiparban a törhetetlen karosszéria megalkotása foglalkoztatja a kutatókat. Mindezt szénből, azaz egy olyan alapanyagból, amely olcsó és tömeges mennyiségben áll rendelkezésre” – fejtette ki a BME díjazottja.

Grafén nanoszerkezetek elektronmikroszkópos képei
(balra: grafén nanoszerkezet u.n. spinszelep áramkörhöz, középen: felfüggesztett nagy tisztaságú grafén elektronoptikai kísérlethez, jobbra: grafén áramkör szupravezető korrelációk tanulmányozására.)

Makk Péter kvantummechanikai alapkutatásaiban többek között a grafén viselkedését, szerkezetét, hőtranszportját és mágneses tulajdonságait vizsgálja. Tudományos eredményeit akár a spintronikában is felhasználhatják, amely a közelmúltban megjelent új iparágként a hagyományos elektronikát váltja fel.

„A napjainkban alkalmazott elektronikai szerkezetek működését az elektronok töltése garantálja, míg a jövő eszközeit már az elektron egyik kvantumtulajdonsága, a perdületének, azaz „spinjének” iránya határozza meg.” Makk Péter ezt a kvantummechanikai jelenséget vizsgálja, és azt is kutatja, hogy a grafén alkalmazható-e a spintronikai eszközök létrehozására. E mellett fizikai és elektronikai kísérleteket folytat elektron- és spin-transzport megvalósítására nagy tisztaságú grafénben és más kétdimenziós anyagokban, valamint vizsgálja a szupravezetést és a ferromágneses korrelációkat is ezen anyagokban.

A BME ifjú kutatója nagy várakozásokkal tekint a grafénnel kapcsolatos kutatásai elé, mert úgy véli, hogy azok döntő befolyással lehetnek a nanoelektronika alakulására. Jelenleg a Bázeli Egyetemen dolgozik, ahol a BME Fizika Tanszékével közösen grafénnel kapcsolatos kutatásokat végez. Rövidesen hazatér a BME-re, és itthon folytatja a tudományos munkát. Példaként tekint nemzetközileg is elismert műegyetemi kutatócsoportjára, ahol örömmel végzi kísérleteit. Egy kutatóintézet helyett az egyetemet választotta munkahelyként, ahol szerinte „pezsgőbb az élet, hiszen közvetlen a kapcsolat a hallgatókkal, akik inspirálnak a munkában”. Úgy véli, hogy a kutatás és az oktatás jól megfér együtt, kiegészítik egymást, teljessé téve a kutatói mindennapokat. Örömmel fogadta a Bolyai-ösztöndíjat, amely megerősítette abban, hogy olyan témával foglalkozik, amelynek helye van a magyar akadémiai kutatásokban.

Makk Péterrel és kutatótársaival a bme.hu korábban is készítet interjút, amely ezen linken olvasható.

- TZS -