Előfizetés a lapra

Vége a Moore-korszaknak?

A hét kutatója, elektronika, informatika, interjú, kémia, molekula

2019/07/12

Úgy tűnik, több mint ötven év után véget ér elektronikus eszközeink exponenciális teljesítménynövekedése. A hogyan tovább kérdésre London Gábor kutatócsoportja az MTA Természettudományi Kutatóközpontban a szerves kémiában keresi a választ. Az Akadémia Lendület programja támogatásával molekuláris kapcsolók és motorok segítségével olyan molekulák előállításán dolgoznak, amelyek különböző funkciókra hangolhatók, többféleképpen és könnyebben programozhatók alkalmazásokra.

(TRUPKA ZOLTÁN FELVÉTELE)

- Életének mióta szerves része a kémia?

- Általános iskolában sok kémia óra kezdődött kísérlettel, másodikos gimnazistaként pedig szembe jött velem a Csermely Péter professzor által szervezett Kutató Diákok Mozgalma. Ennek révén Szegeden a József Attila Tudományegyetemen csatlakozhattam Bartók Mihály professzor csoportjához, ahol Török Bélával kezdtem dolgozni és már 15-16 évesen bekapcsolódhattam az egyetemi kutatásba. Béla később posztdoktori ösztöndíjas lett Oláh Györgynél és Amerikában is maradt. Most Bostonban professzor. Egy nyárra meghívott a Michigan Technological University-re, ahol akkor a független munkáját kezdte és ez az élmény motivált, hogy később külföldre, a hollandiai Groningeni Egyetem-re jelentkeztem PhD hallgatónak. Itt kezdtem el molekuláris motorok és kapcsolók szintézisével, határfelületi kémiájával foglalkozni.

 - Akkor már látszott, milyen jövője lehet ennek a területnek?

 - Érezte mindenki a csoportban, hogy nagyon különleges dologról van szó, de úgy gondoltuk, kell még jónéhány év mire az alkalmazások területén is kiforrja magát. Aztán jóval hamarabb díjazták, 2016-ban adtak érte Nobel-díjat.

- Tulajdonképpen mik azok a molekuláris motorok és kapcsolók?

- Ezek olyan szintetikusan létrehozott szerves molekulák, amelyek szerkezeti átalakulásait kontrollálni lehet. A molekuláris kapcsolók szerkezete – a hétköznapi értelemben vett kapcsolókhoz hasonlóan – két különböző állapot (On/Off) között oda-vissza változtatható. A molekuláris motorok – hasonlóan a hétköznapi motorokhoz – irányított forgó mozgásra képesek. Mindkét esetben külső energiaközlés szükséges a működéshez, a legelterjedtebb a fény- és hőenergia. Megfelelő molekuláris környezetben a kontrollált szerkezeti változásokhoz különböző funkciók társíthatók. Például molekuláris vezetőképesség kapcsolása, mikro- illetve makroszkopikus mechanikus mozgás előidézése vagy fehérjék aktív helyeihez való kötődés kontrollálása.

 - A Lendület programja is ezekről a molekulákról szól.

 - Hollandiában sokat dolgoztam kapcsolókkal, motorokkal, Svájcban pedig érdekes elektronszerkezetű molekulákkal és próbáltam a kettőt ötvözni. A kapcsolók lehetőséget adnak molekuláris szintű szerkezeti kontrollra, az elektronszerkezet pedig egy kontrollálható elem. Így a kétféle kémia összevonása hangolható molekuláris vezetőképesség kifejlesztéséhez, valamint újtípusú molekuláris félvezetők előállításához járulhat hozzá.

 - Ez tudományos érdeklődésből fakadt vagy látott benne valamilyen gyakorlatiasabb célt is?

 - A kutatók ritkán bukkannak rá egyből gyakorlati alkalmazásokra. Általában jobban kedveljük az érdekes dolgokat, ami persze nem zárja ki, hogy ezek később hasznossá váljanak. Talán ritkábban is lesz hasznos valami, ami sosem volt érdekes. Ez persze mindig később derül ki. Néhány évtizeddel ezelőtt például megfigyelték, hogy bizonyos szerves anyagok elektromos áram hatására fényt bocsátanak ki, ami akkor érdekes volt. Ma pedig bemehetünk a boltba és vásárolhatunk OLED televíziót vagy hajtogatható mobiltelefont, mert ami akkor érdekes volt, mára megjelent a gyakorlatban is.

Molekuláris elektronika - egy lehetséges jövő az elektronikában (Forrás: ASDN.NET)

A molekuláris elektronika, illetve általában a molekuláris tudományok nagyon érdekesek.  Képesek vagyunk atomi szinten definiált szerkezetek előállítására, ezáltal tulajdonságaik befolyásolására, hangolására. A molekuláris áramkörök vagy memóriaelemek méretüknél fogva jóval nagyobb sűrűségben hozhatók létre egységnyi felületen, ami jóval több funkció beépítéséhez vezethet. A molekuláris anyagok előállítása és vizsgálata azonban nem csak az elektronikai eszközök fejlesztésében jelent hatalmas lehetőséget, de ez az alapja a gyógyszereinknek, a mosószereinknek, a sportcipőnknek, de még a lebomló műanyag zacskóknak is.

Ami minket leginkább érdekel, hogy miként lehet molekulák elektronjainak eloszlását úgy befolyásolni, hogy alkalmasak legyenek különböző töltéshordozók transzportjára. A töltésáramlás hatékonysága minden elektromos eszköz hatékonyságának alapvető komponense. Mi ezt a töltéshordozó transzportot szeretnénk különböző megközelítésekben kontrolálni, és a megfelelő alkalmazásokra megfelelő tulajdonságú molekulákat létrehozni.

 - Hogyan tudják ezt megtenni?

 - A leginkább vizsgált, elektronikailag érdekes molekulák benzol típusú aromás gyűrűkből állnak, lényegében ezen az elektronrendszeren át zajlik a töltésáramlás. Az aromás rendszerek hátránya, hogy ha kevés gyűrűből épülnek fel, akkor nagyon stabilak, kevéssé alkalmasak töltéstranszferre, ha pedig túl sok gyűrűt tartalmaznak, nagyon reaktívak lesznek és emiatt nem alkalmazhatók.

Funkcionális Szerves Anyagok Kutatócsoport

Ezzel szemben az úgynevezett antiaromás gyűrűrendszerek ellentétes tulajdonságokkal rendelkeznek. Magukban nagyon reaktívak, -200°C alatt vizsgálhatók csak, viszont ha aromás gyűrűket építünk hozzájuk, akkor ők maguk stabilizálódnak, a hozzájuk kapcsolt aromás gyűrű pedig valamelyest destabilizálódik.  A két ellentétes rendszer egymásra hatását próbáljuk kihasználni, és ilyen „hibrid” molekulákat előállítani, vezetőképességi vizsgálatokhoz. Azt az egyensúlyt keressük, amikor az adott anyag már jó félvezető tulajdonságú, de még stabil annyira, hogy nem bomlik el a levegő oxigénje hatására.  Vizsgáljuk azt is, hogyan tudnánk átrendezni ezeket az elektronrendszereket molekuláris kapcsolókkal. 

 - Mennyire elterjedtek ezek a kutatások a világban?

 - Csupán néhány éves ez a terület. 2011-12-ben Zürichben részt vettem stabilizált antiaromás molekulák előállításában, a mostani munkánk egy része erre épül. Világszerte is csak most kezdenek kialakulni azok a kutatócsoportok, amelyek ezzel foglalkoznak. A kutatás sok szintetikus munkával jár, ráadásul kevéssé kiszámítható az előállítani kívánt anyagok stabilitása, valamint az előállított molekulák jellemzése sem egyszerű.  Például egyetlen molekula vezetőképességének vizsgálatához komoly nanoelektronikai méréstechnika szükséges. Tovább bonyolítja a helyzetet, ha a molekula szerkezetét mérés közben akarjuk manipulálni.  A leghosszabb ideig a molekulák szintézise tart, ezt követően történnek a mérések. Mi leginkább a szintézishez értünk, de a mérések és a számítások egy részét is meg tudjuk oldani. A többi feladatot együttműködő csoportokkal közösen végezzük.  

 - A vége az lehet, hogy ez válthatja fel a szilícium alapú fejlődést? Ez mennyire a közeljövő kérdése?

 - Az már látható, hogy a szilícium-germánium alapú rendszerekre építve a további hatékonyságnövelés nagyon nehézkes, mert a kicsinyítésük elérte a határát. Most mindenki ötletel. A molekuláris megközelítés jó alternatíva, mert nincs gond a mérettel, viszont a szervetlen rendszerek egyelőre jóval stabilabbak, robusztusabbak, ami tömeggyártás szempontjából fontos.  Valószínű, hogy egyre több olyan megoldás lesz, mint a szerves alapú LED-tévék, ahol a szerves és a szervetlen komponensek egymást kiegészítik. Nem gondolom, hogy a végén mindenki mindent szerves molekulákkal old majd meg.

 - Ez azt jelenti, hogy vége a Moore-korszaknak?

 - Igen, van egy ilyen tendencia, már nem az a szemlélet, hogy mindig exponenciálisan tudják növelni a tranzisztorok számát. Mi olyan molekulákat csinálunk, amelyek különböző megoldásokra, eljárásokra, funkciókra hangolhatók. Ez persze nem úgy megy, hogy formába öntünk egyet, hanem a szintézist meg kell tervezni, ami eltart egy darabig. Még formálódó, de nagyon izgalmas területről van szó, aminek van egy nagy előnye: könnyű bevonni a fiatalokat, hiszen ez az ő közeljövőjükről is szól. 

 Trupka Zoltán

2019/28