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 F igazgató, jelenlétében és ezzel a megnyitóval új fejezet kezd dik a magyarországi nanotechnológiai kutatások történetében. Az el zményekhez tartozik hogy a Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal (NKTH) 2005 decemberében írta ki a NAP-NANO pályázat néven azt az orosz-magyar államközi kutatási szerz déshez is csatlakozó nagypályázatát melynek eredményeként 2006 július 1.-én Miskolcon megalakult Bay Zoltán Kutatási Közalapítvány ötödik kutatási intézeteként m köd Nanotechnológiai Kutató Intézete (Bay-Nano). A Bay Zoltán Közalapítvány Nanotechnológiai Kutató Intézetének létrehozása szervesen illeszkedik Miskolc város 2007-t l 2013-ig terjed Versenyképességi és Fejlesztési Pólus programjába. Ennek a programnak a keretein belül a Közalapítvány és ezen belül a Bay- Nano tevékenységének a a legf bb célja az hogy Miskolc város és környéke legyen az Európai Unió egyik vezet nanotechnológiai központja a kutatás fejlesztés, az oktatás és az innováció és gyártás területén és ily módon Miskolc és az Észak-Magyarországi régió áljon újra fejl dési pályára. A miskolci Nanotechnológiai Kutató Intézet létrehozása szorosan kapcsolódik az oroszmagyar kormányközi nanotechnológiai együttm ködési programhoz. A program alkalmazott kutatási témaköreit a magyar és orosz fél már korábban rögzítette, ezek nanoporokra, nano-kompozit anyagokra, nano-szerkezet 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 különböz szakterületein. Az magyar-orosz együttm ködés f témái olyan alkalmazott kutatási területekr l lettek kiválasztva ahol mind a magyar mind az orosz kutatók jelent s 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 együttm ködés nem zárja ki más partnerekkel való együttm ködést, éppen ellenkez leg, mindkét fél hasznosnak tartja az együttm ködés 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 együttm ködés 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 megfelel licensz szerz dés 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 szakért ) segíti akik értékelik a nanotechnológiai kutatások eredményeit és javaslatokat készítenek el 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 helyezhet 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 méret anyagot hozunk létre vagy nanométer méret eszközt készítünk ilyen anyagokból. A nanotechnológiai mérethatár nem teljesen definiált, általában mondható hogy 100 nm a nano-tartomány fels 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 közeljöv ben fokozatos átmenet következik be a mikrotechnológiától a nanotechnológiáig, beleértve a jelenleg már folyamatban lev átalakulást a mikroelektronikától a nanoelektronikáig. A nanotechnológia jelenleg a miniatürizálás lehetséges végs 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 küls méretei ugyan nagyok (akár méter nagyságúak) de az anyag bels szerkezetét a nanométer tartományba tartozó egységek határozzák meg. Az ilyen nano-szerkezet anyagok tulajdonságai ugyanis gyakran lényegesen jobbak mint a megszokott mikroszerkezet 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 köszönhet en a végtermékben reprodukálható tulajdonságjavulás érhet el, akkor ez az iparvállalatoknak piaci el nyt jelent, ami végs soron hazánk versenyképességének javulásához árul hozzá. Bay-Nano Intézet bemutatása A Nanotechnológiai Kutató Intézet (Bay-Nano) ma öt alkalmazott kutatási osztályból áll a következ 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 nanoszerkezet fémek és fémötvözetek el állítása. Nano-Diszperziós Osztály vezet je: Dr. Kiricsi Imre (MTA doktora, professzor) az osztály célja vizes oldatból kiindulva nanoméret fémek és fémötvözetek el állítása. Nano-Kompozit Osztály vezet je Dr. Kaptay György (lásd fent) az osztály célja olyan fémmátrixú kompozitok el állítása amelyek nanoméret er sít fázist tartalmaznak. Nano-Medicina osztály vezet je Dr. Szebeni János (MTA doktora) az osztály célja különböz gyógyszerek nano-méret kapszulázása, illetve különböz nanotechnológián alapuló gyógyszerek fejlesztése (cél-betegségek: rák, AIDS, cukorbetegség stb.) Nano-Metrológia Osztály vezet je Dr. Pungor András (PhD) az osztály célja olyan metrológiai eszközpark beszerzése, m ködtetése és fejlesztése, melynek segítségével a laboratóriumi, vagy ipari minták nano-méter felbontással is láthatóvá válnak és különböz analitikai módszerekkel vizsgálhatók. A Bay-Nano, a NAP-NANO pályázat elnyerése eredményeként 1.8 milliárd forintos állami támogatást kap m ködésének els három évére. Ebb l az összegb l a szükséges eszközparkot kell megteremteni, illetve az els három év m ködési költségeit kell fedezni. A három év letelte után 2009 július 1.-ét l közvetlen állami támogatásra már nem számíthatunk és a Bay Zoltán Közalapítvány többi intézeteihez hasonlóan a piacról kell majd megélnünk. A Bay-Nano kutatásaihoz és m ködéséhez szükséges infrastruktúra végleges kialakítása a Miskolc város Pólus programján belül fog megoldódni. A végleges infrastruktúra kialakítása el tti fontos lépésnek tekintjük a Bay-Nano Anyagtudományi laboratórium felépítését, nanotechnológiai eszk zökkel való berendezését és a nanotechnológiai anyagtudományi kutatások koncentrálását az új laboratóriumban.
Az Anyagtudományi Laboratóriumot a Miskolc-i Egyetem-t l bérelt és a nanotechnológiai kutatási terveknek megfele en átalakított E/3-as épületben hozta létre a Bay Nano. Az újonnan kialakított laboratóriumban m ködnek a nano-diszperzió, a nanokompozit, a nano-medicina, a nanoszerkezet fémek programjai keretében el állítandó anyagok gyártásához szükséges berendezések egy része és ezen anyagok karakterizációjához szükséges nano-metrológiai eszközök. Ezért az Anyagtudományi Laboratórium funkciója kett s, mind nano-anyagok el állításával, mind nano-anyagok karakterizációjával is foglalkozik. A Bay-Nano Anyagtudományi Laboratóriumban kialakított kutatási témák és a témákhoz kapcsolódó eszközök, berendezések leírása: 1. Nanoszerkezet fémek és fémötvözetek gyártása és ipari alkalmazásai A program a tömbi nanoszerkezet félgyártmányok (rudak, lemezek) el állítására koncentrál, ezen félgyártmányokat titánból és egyéb fémekb l állítjuk el. A nanoszerkezet fémek el állítására az ugynevezett intenzív képlékeny átalakítás módszerét használjuk. Intenzív v képlk plékeny alakítás s módszerem Nagyméret szemcsék (mikron milliméter ) IKA Tömbi nanoszerkezetek Különleges tulajdonságok Intenzív képlékeny átalakítás módszere Az osztály f feladata az ipari szint gyártási eljárások feltételeinek kidolgozása és termékfejlesztés a következ területeken: orvosi implantátumok (protézisek), villamosipari érintkez k, mikroelemek. Ipari partnereink: DAM 2004 Acél és Hengerm 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 együttm ködés ezen a területen már egy közös szabadalmat eredményezett. 2. Nanokompozit anyagok el állítása és ipari alkalmazásai A program célja nano méret szénszálakkal meger sített fém mátrixú anyagok el állítása. Ezen anyagok fajsúlya sokkal kisebb mint tiszta fémeké, de a mechanikai szilárdságuk nagyobb lehet mint például az acélé. Az egyik alkalmazási lehet ség a villamos iparhoz köt d, a nagyfeszültség kábelek gyártása, mivel a nano-méret szénszállal meger sített aluminium kábelek súlya azonos elektromos vezet képesség mellett csak fele az eredeti aluminium kábelnek. A nano-méret szénszálak és az aluminium fém mátrix közötti tapadás és adhéziós er optimalizálása szintén nano-méret adalékanyagokkal történik melynek megoldására az osztály egy szabadalmat nyújtott be. Ipari partner: FUX Kft. Miskolc. (nagyfeszültség kábelek anyagainak kidolgozása nanotechnológiai módszerekkel). CNT SEM images (in-lens SE detector) Nano méret szénszálak 3. Nanotechnológián alapuló gyógyszerek el állítása és gyártásának el készítése A program célja nanogyógyszerek és más nanotechnológián alapuló orvosigyógyászati termékek prototipusainak el állítása és ipari-gyártási technológiájának el készítése. 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 véd burok doxorubicin liposzóma b d Doxil, els 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 közeljöv ben 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 együttm ködve 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 er 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 f célja nanoméret fémek és ötvözetek el állítása folyadék állapotból fémkomplexek ultrahangos gerjesztésével. A kidolgozott eljárások f el nye az, hogy ily módon egységes, jól reprodukálható méretekben lehet a nanorészecskéket el állítani és a méretük mellett az alakjukat is lehet szabályozni. A kidolgozott nanotechnológia másik el nye az hogy ilyen módon olcsón és kis energiafogyasztással lehet nanorészecskéket el állítani. A kidolgozott eljárások szabadalmaztatás alatt vannak. Az alkalmazási területek igen széles kör ek lehetnek, az egyik terület olyan textil anyagok el állítása amelyek nanoméret ezüst részecskéket tartalmaznak és igy antibakteriális hatásúak. Enek a programnak az ipari alkalmazása a tervek szerint magyar-orosz együttm ködésben valósul meg. A következ kben két konkrét ipari alkalmazási programot ismertünk: 1. Titanát nanoszálak és gyártásuk polimer er sítés céljából és öntisztuló felületek gyártására: A különböz titán-oxid vegyületek közül a legnagyobb érdekl dés ez ideig a titándioxidot kísérte azért, mert fehér színe és el állításának viszonylagos egyszer sége amib l a nagy volumen gyártás lehet sége következik fehér pigmentként történ felhasználását tette lehet vé festékekben és bevonatokban. A festékipari alkalmazás egyik további lehetséges útja annak kihasználása, hogy a titán-dioxid fotokatalitikus tulajdonságú, azaz fény hatására a megfelel méret kristályaiban elektron-lyuk párok képz dnek, 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 leveg z mátrix anyag kell. A titándioxid oldaláról követelmény, hogy részecskéinek dönt része nanométeres nagyságú legyen. A legegyszer bb sikerre vezet 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. Ezekb l 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 eredményr l. Mivel a titanát csövek spirális szerkezet ek, azaz egy felcsavart lapoz hasonlíthatók, ioncserélhet kationokat tartalmaznak, alkalmazási lehet ségük ezekhez a tulajdonságokhoz lesz köthet. Ha a titanát nanocsövek szintézisének kísérleti paramétereit megváltoztatjuk, titanát szálakhoz jutunk. Ezek a nanostruktúrák abban is különböznek a nanocsövekt l, hogy hosszabbak, hosszuk a szintézis körülményeit l függ en befolyásolható. A titanát nanoszálak alkalmazási lehet ségei között a polimerek er sítése 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 legels k között oldották meg ezüst-sók közvetlen redukálásával, felületvéd ágens nélkül és annak jelenlétében (felületvéd anyagként polimereket és/vagy felületaktív anyagokat szokás alkalmazni). Az ezüst nanorészecskéket különféle felületeken megkötve antibakteriális hatást lehet elérni. A nanoméret el nye abban mutatkozik meg, hogy nem csak merev, kevéssé hajlékony felületek, hanem hajtogatható, esetenként gy rhet felületeken is alkalmazható. Ebb l következ en nemcsak falfelületeken, vagy m szerfelületeken hanem textíliákon is megköthet k. 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 el állítására. Az oldat szabadon hígítható vízzel, a részecskék számottev aggregációja nélkül. Az eljárás szabadalmi oltalom aláhelyezés stádiumában van. Ipari méret gyártásának el készítésében 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 er 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 közeljöv ben állítunk üzembe. A nanometrológia osztály m szerparkja nemcsak a Bay Nano hanem a magyarországi nanotechnológiai kutatások számára is a legjobban felszerelt nanometrológiai mérési és vizsgálati lehet ségeket nyújtja. Ennek megfelel en magyar és külföldi vállalatok és kutató intézmények nagy számban jelezték igényüket a nanometrológiai szolgáltatásokra. A nanometrológia program másik célja olyan nanoméret szabványok kidolgozása amelyet a nanotechnológiai ipar közvetlen hasznosítani tud az ipari gyártások bevezetése során.
A nanometrológia osztály vezet je 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 id ben egy olyan projektben végzett kutatásokat, melynek célja az emberi agy számítógéppel való összekötése volt nano-méret elektródák segítségével. A kisérleteket gerincsérült és ALS (mozgató idegsejtek imeretlen eredet pusztulása) betegeken is folytattak le Dr. Pungor részvételével.