Élet és tudomány

Aerogél, a sokoldalú anyag - A megszilárdult füst

Megjelent az Élet és tudomány 2008. novemberi számában

Írta: Pásztor Balázs

Angolszász területen becézik az aerogéleket "megszilárdult füstnek" - ez az elnevezés két szempontból is nagyon találó. Egyrészt, ha a kezünkbe vesszük, alig érzékelhető belőle valami, csak áteső fényben látszik kékesszürke derengés. Másrészt, bár szilárd anyagok, olyan könnyűek, hogy szinte légiesnek mondhatók. A Debreceni Egyetemen Lázár István foglalkozik ezzel a különleges anyaggal. Őt kérdeztük erről az anyagcsaládról.

Az aerogélek fő jellegzetessége, hogy bennük a levegőnek az aránya, vagyis a pórusoknak a mennyisége ötven százalék fölött van. Ilyen értelemben tehát nagyon sok anyag tartozhat az aerogélek közé. Amelyekkel mi foglalkozunk, azok szilícium-dioxid alapú gélek, de léteznek olyanok is, amelyekben a nanoszerkezet vázát szén alkotja. A lényeg a pórusos szerkezet, amitől az aerogélek különleges tulajdonságaikat kapják. Egészen rendkívüli hőszigetelő képességgel rendelkeznek például, ezért többek között űrjárművek hőszigetelésére is használják őket, de természetesen, sok más területen is alkalmazhatóak. Ha két ablaküveg közé egy aerogél táblát tennénk, olyan mértékű lenne a szigetelés, mintha tizenhatszorosára növeltük volna az üveg vastagságát – de a fényt ugyanúgy átengedi.
Pontosabban az aerogélek pórusméretétől függ, milyen hullámhosszúságú fényt engednek át. Az eddigi leg­átlátszóbb, legegyenletesebb pórusméret-eloszlású aerogélt csak az űrben tudták előállítani, ez azért kicsit költséges módszer lenne, de kisebb aerogél darabokkal, törmelékkel „töl­tött” hőszigetelő, fényáteresztő, bár nem tökéletesen átlátszó ablakok építőipari alkalmazására már volt példa. Sőt a sarkkutatók, hegymászók ruhájában és katonai sátrakban is használtak már ilyen anyagot töltetként. Az aerogél hőszigetelésű ruhákkal kapcsolatban egyetlen problémát említettek, akik kipróbálták: túlságosan melegek. Például a Himaláján járt hegymászók arra panaszkodtak, hogy fenn, ahol másnak lefagy a lábujja, nekik túlságosan melegük volt a bakancsban. Az aerogéllel szigetelt sátor tetején pedig megállt a hó, sokkal kevesebb hő jutott kívülre – így infravörös érzékelőkkel nehezebb észrevenni, hol táboroznak a katonák.

– A hőszigetelésen kívül mire használhatók még?

– Amellett, hogy hihetetlenül könnyűek, nagyon erősek is: a mi laboratóriumunkban előállított, alig kétgrammos aerogél darab a súlyának több mint 16000-szeresét elbírta! Ha átszámolnánk, mekkora tornyot lehetne belőle építeni, akkor bizony kiderülne, hogy 16 ezer aerogél téglát egymásra rakva ez több mint száznegyven méter magas tornyot jelentene, anélkül, hogy összeroppanna a saját súlya alatt. Normál téglából, ha jól tudom, 50-60 méter magasságú kéményeket vagy tornyokat lehet építeni. De hát a téglának sokkal nagyobb a sűrűsége, mint az aerogéleknek.
Persze, ez csak egy példa az erősségükre, mert építőanyagnak éppenséggel nem alkalmasak az aerogélek. Részben azért, mert bár a fokozatos terhelést jól viselik, de hirtelen, nyíró hatásokra könnyen hasadnak, sőt az ujjaim között is el tudom morzsolni őket. Ezen felül pedig nagy hibájuk, hogy nem bírják a vizet. Ezért vagy távol kell tartani tőlük a nedvességet, vagy kémiailag módosítani a szerkezetüket.

– Hogyan lehet ezeket az anyagokat módosítani?

– Nagyon sokféleképpen. Először is adalékanyagokkal kémiailag meg lehet változtatni a felületüket. Szilanizálással például egyszerűen vízállóvá tehetők. A pórusok belsejében is létrehozhatunk nekünk tetsző kémiai változásokat – így, mivel az üregek miatt hatalmas felületről van szó, nagyon jó hatásfokú katalizátorokat tudunk létrehozni. Mostanában az aerogélekkel kapcsolatban ez, a katalizátor-alkalmazások kutatása az egyik legfőbb irány.
A másik lehetőség, hogy az aerogél előállítása közben a fizikai paraméterek és az adalékanyagok megválasztásával meg tudjuk változtatni a pórusok méretét. A gázok, folyadékok részecskéi át tudnak áramlani az aerogélen, pórusain, lukain, de minden nagyobb molekulát kiszűr belőle. Könnyű elképzelni, hogy ez számtalan alkalmazásban hasznos lehet – például a levegőből vagy akár folyadékból is ki lehet szűrni vírusokat vagy nem kívánatos óriásmolekulákat. Indiai kutatók számoltak be arról, éppen itt az intézetünkben, meghívott előadóként, hogy olyan kísérleteket végeznek, amelyben aerogél fésűn szűrnek át vért. Nyilván nem élő emberek vérét, ez csak egy kísérlet, de nagyon érdekes eredményre jutottak: a vérnek a sejtes alkotóelemei nem tudnak bemenni az aerogélbe, hiszen túlságosan nagyok, a pórusokba nem férnek be, a vízoldható kismolekulájú komponensek viszont áthaladnak rajta. Egyetlenegy olyan alkotórésze van a vérnek, ami bele tud menni az aerogélbe, és ott beleszorul, ez pedig az AIDS vírusa. Úgyhogy az aerogélfésűk között átvezetett embervérből minden megmaradt, a vírust pedig kiszűrték. Ez egyelőre még csak egy tudományos érdekesség, de ki tudja, mi minden lehetséges még.
Ráadásul, mint említettem, az aerogélek pórusméretét a gyártáskor szabályozni tudjuk, így akár molekuláris felismerésre alkalmas szűrőket is előállíthatunk – ilyen kísérletek is folynak sokfelé.

– Itt, ebben a laborban mi a cél, amit el szeretnének érni az aerogélekkel?

– Több irányban is végzünk vizsgálatokat, de az egyik legfontosabb kutatási területünk, hogy szeretnénk az aerogélek felhasználásával mesterséges csontpótlást létrehozni. Azok a csontpótló anyagok, amelyek jelenleg a piacon vannak, borzasztóan drágák. Ez önmagában is kutatásra buzdítja az embert, hátha találhatna valami megfizethetőbb, normálisabb, olcsóbb megoldást, de igazából nem a költséghatékonyság az, ami minket vezérel, hanem az aerogélek érdekes tulajdonsága, hogy a szerkezetének köszönhetően átjut rajta a vérben oldott oxigén és a tápanyagok. Egy ilyen csontpótlásra szánt aerogél természetesen nem lehet törékeny, morzsolható vagy vízoldékony. Ez már inkább porcelánhoz hasonló anyag, de molekuláris szinten továbbra is áteresztő tulajdonságú. És ez a lényeg, hogy amikor egy emberi szövettel érintkezik ez a csontpótlás, az nem hal el mellette, nem húzódik le róla, mert nem kap oxigént, hanem szövetbarát módon viselkedik. A reményeink szerint egy ilyen csontpótlás nemcsak helyettesíti a csontot, hanem kedvező közeget biztosít a csont növekedéséhez. Amikor egy csonthiányt pótolnak ezzel az anyaggal, akkor ez először is nem lökődik ki a szervezetből, másodszor pedig szépen lassan a csont át fogja nőni. Lebontja – mivel ezek az anyagok idővel lebonthatók a szervezetben –, és eközben a csontszövet saját maga pótolja majd a hiányzó részt.
Reméljük, hogy ebből hamarosan el tudunk jutni legalább egy állatkísérleti fázisba, de természetesen, ahhoz, hogy embereken is alkalmazhassák, még nagyon sok idő és kísérlet szükséges.

– Nagyon sokoldalú anyagról van tehát szó – miért kezdett el éppen ezekkel foglalkozni?

– Az aerogélt „meglátni és megszeretni” egy pillanat műve. Ez valóban így történt – 1994-ben az Amerikai Egyesült Államokban voltam éppen egy fél éves kutatóösztöndíjjal, és akkor láttam a televízióban egy éjszakai műsor keretében az első aerogél darabot. Maradandó nyomokat hagyott – akkor és ott elhatároztam, hogy nekem muszáj aerogélt csinálnom, és ezzel a csodálatos anyaggal foglalkozni, kísérletezni.
Azt hiszem, valóban érdemes is volt, hiszen ezt a kutatólaboratóriumot teljesen saját erőből fejlesztettük ki. Nem mástól vettük az ötleteket, nem más laboratóriumban láttuk, mit és hogyan kell csinálni, hanem az irodalomban publikált eredményekből kiindulva saját kútfőből készítettük a berendezéseinket, dolgoztuk ki a recepteket, optimalizáltuk a szintéziseket. Ez körülbelül négy-öt éves munka volt, és csak ezután kezdhettünk bele az előállított aerogélekkel való kísérletezésbe.
Természetesen, már hosszabb ideje folyik magas szintű aerogélkutatás  Magyarországon – azokban a kutatócsoportokban azonban más anyagú aerogélekkel foglalkoznak, más aspektusát vizsgálják ezeknek az anyagoknak. Monolitikus szilika aerogéleket, úgy tudjuk, csak mi tudunk jelen pillanatban kelet-európában ekkora méretben előállítani, és most már megvan a szükséges szakmai tapasztalatunk és tudásunk, hogy jelentősen előre tudjunk lépni ezen a területen.