Forradalmi geometriai ötleten alapuló megoldást javasolnak az egyrétegű anyagok szupramolekuláris mintázatának pontos feltérképezésére Nobel-díjas tudóssal közös tanulmányukban a BME és az ELKH kutatói.

Az elektronmikroszkópos képalkotás virtuális kiterjesztésének is tekinthető módszer az anyagtudomány egyik leggyorsabban fejlődő területén, az intelligens anyagok fejlesztésében kaphat szerepet. Ezektől az anyagoktól nemcsak a rák gyógyításában, hanem mesterséges emberi sejtek és szövetek létrehozásában és az úgynevezett környezeti energiák hasznosításában is áttörést várnak. Az egyrétegű anyagok szerkezetének egyik kulcsfontosságú eleme a lényeges anyagszerkezeti tulajdonságokat hordozó szupramolekuláris mintázat.

A XXI. 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 úgynevezett egyrétegű anyagok fizikájának megértése. Ezeken keresztül vezet az út az úgynevezett intelligens anyagok fejlesztéséhez, amelyek forradalmasíthatják hétköznapjainkat is.

Az anyagszerkezet feltárásának jelenlegi legerősebb képalkotó eszköze az akár 0,1 nanométeres (nm) felbontásra is képes pásztázó elektronmikroszkóp.

Azonban bármennyire is fontos volna a szupramolekuláris mintázatok pontos feltárása, ez sok esetben nem valósítható meg. Még ezzel a rendkívüli felbontású berendezéssel sem. A mintázat geometriai leírásának egyik fő része a molekulák közötti kötések pontos feltérképezése. Ezek megjelenítésére a mikroszkópos képek gyakran nem alkalmasak. Képalkotó eljárás hiányában pedig az anyagkutatók rendkívül idő- és költségigényes, részben mesterséges intelligencián alapuló szuperszámítógépes szimulációkkal próbálják megismerni a szupramolekuláris mintázatok geometriáját.

E téren hozhat jelentős fordulatot egy most megjelent tanulmány. 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 többen is részt vettek. 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 kitüntetett Konstantin S. Novoselov professzor is.

Az alapötlet, hogy a vizsgált szupramolekuláris mintázatokat mint térkitöltő geometriai mozaikokat több léptékben értelmezik.

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. Bár a kiemelt vizsgálat a hidrogénkötésekkel foglalkozik, de az elmélet elvben más, ennél összetettebb kötéstípusokra is kiterjeszthető.