A FELÜLETEK TUDOMÁNYA

Beszélgetés Somorjai Gáborral, Berkeley-ben

Juhász Árpád
Magyar Televízió

Doktorátusomat fizikai-kémiában Berkeley-ben kaptam. Az IBM kutatólaboratóriumban kezdtem dolgozni a keleti parton. Minél többet dolgoztam, minél többet tanultam, annál inkább rájöttem, hogy nagyon élvezem a kutatómunkát. Ahhoz, hogy kutatómunkát tudjak folytatni, egyetemre kellett jönnöm. Berkeley-ből kaptam egy ajánlatot, hogy itt legyek docens. Így visszajöttem. Ez 31 éve, 1964-ben volt. Azóta itt vagyok Berkeley-ben. Ez az épület, amit úgy hívnak, hogy Berkeley National Laboratory 8 éve épült. Ez az ország egyik nemzeti laboratóriuma, az egyetemhez van csatolva, és én vagyok az igazgatója. Ez az épület tulajdonképpen azon munkák fókusza, amit én itt csinálok, felületi kémia és katalízis.

Amikor egy diák befejezi az egyetemet, akkor állás után néz. Nekem szerencsém volt, sok vállalattól kaptam ajánlatot, úgy gondoltam, mint fizikai-kémikus elmegyek egy nem kémiai vállalathoz, ahol sokkal többet tudok ajánlani a vállalatnak, mintha egy kémiai vállalathoz mennék, ahol sok más kémikus is van. Igazam volt, az IBM nagyon jól tudta a kémiai tudásomat ahhoz használni, hogy tranzisztorokat és más olyan alkatrészeket gyártsanak, amiket a komputerekben alkalmaznak. Abban az időben a chip még nem létezett, azt csak a 60-as évek közepén fejlesztették ki, de az előfutárai már megmutatták, hogy a felület határozza meg a különböző elektronikai alkatrészek tulajdonságait. Ekkor átképeztem magamat felületi kémiára, ami már akkor is nagyon érdekelt, amikor még diák voltam. Doktorátusomat katalízis témában szereztem, ami szintén felületi kémia. Arról a felületi kémiáról átmenni a különböző elektronikus alkatrészek felületi kémiájára, nem volt nagy ugrás.

Mi történik ezen parányi alkatrészek, felületén?

Kémiai szemszögből ezek a felületek reakciókat folytatnak le. A reakció sebessége és milyensége azon múlik, hogy mi az összetétele, és hogyan változik ez a kettő a reakció során. Az elektronikus alkatrészek szemszögéből a felületen minél kisebb az alkatrész, minél nagyobb a felülete, minél inkább két- és nem háromdimenziós, annál gyorsabban ér az elektron az egyik végéről a másik végére. Ezért az alkatrészek miniatürizálása megnöveli a sebességet. És minél kisebb az alkatrész, viszonylagosan annál nagyobb a felülete. A vége ennek az, hogy az egész alkatrész egyetlen atomréteg, amit egy komputerben vagy egy chipben használnak, ezért a felületi kémia a kémiai iparnak és az elektronikus iparnak is alapvetően fontos területe.

Az elmúlt 30 év alatt nagy volt a fejlődés ezen a területen is, a makroszkopikus folyamatokat már atomi szinten lehet tanulmányozni, egyre kisebb területeket - tehát mondjuk 1 nm² felületrészt - láthatunk, és ezen belül a struktúrát és az összetételt is meg tudjuk határozni. Az ipar fejlődéséhez ilyen megfigyelő eszközök használatára volt szükség. Az ipar igénye fejleszti a tudományt, és a tudomány fejlődése megváltoztatja az ipart. Amerikában a tudomány és az ipar ezeken a területeken, ahol felületi technikát használják, nagyon közel vannak egymáshoz és összedolgoznak. A régi világban a tudománynak és a technikának sokkal kevésbé volt szoros a kapcsolata.

A pásztázó alagút-mikroszkóp (scanning-tunneling microscope) minden atomot megmutat. Ahogy egy kis tűvel az atom fölött elmegyünk, látunk minden atomot vagy molekulát. Van egy gyűrű alakú benzol molekula, melynek 6 szénatomja van. Még azt a lyukat is látjuk, ami a molekula közepén van. Ez a technika 1988-ban fizikai Nobel-díjat kapott.

A felület struktúrája határozza meg azt, hogy milyen a kémiai kölcsönhatás a felület és az általa abszorbeált molekula között. Ha például felületen vannak lépcsők vagy sarkak, akkor azok egészen másképpen abszorbeálnak egy molekulát, mintha ott sima terasz lenne. Amikor valami valamit abszorbeál, akkor az a fém, vagy az a felület, ahol az abszorbció lefolyik, maga is megváltozik. Az atomok a felületen új pozícióba mennek, hogy a kötést optimalizálják. Ahogy a kötés megtörténik, a felület átalakul. Ez nagyon fontos koncepció, ami az utolsó 5-8 év fölfedezése, mert azt mutatja, hogy bizonyos felületek különböző reakciókat tudnak véghez vinni, és a felületi struktúra attól függően változik meg, hogy milyen reakció folyik le.

Pontosan így van. A felületi atomok állandóan mozognak a katalizátoron. Ez a mozgás annak a következménye, hogy szüntelenül kötést létesítenek, és kötést bontanak fel. Ezért van az, hogy a reakció meg tud ismétlődni a felületen, ami a katalízis alapvető követelménye. Például egy autóban van körülbelül 2 gramm katalizátorral bevont platina, ródium és palládium, és ez a katalizátor egyszerre különböző reakciókat tud lefolytatni, a szén-monoxidot oxidálja széndioxiddá, a szerves molekulákat oxidálja vízzé és széndioxiddá. Ezekhez a reakciókhoz olyan felület kell, amely flexibilis, hogy optimalizálja az összes reakciót ugyanabban az időben. Ez úgy folyik le, hogy a felületi atomok állandóan mozognak, hogy maximalizálják a kötés elbontását és létrehozását a reakciók során.

Föltétlenül. A modern felületi kémiának három gyökere van. Az egyik a tranzisztor, az, hogy az elektronikus alkatrészeknek nagyon nagy a felülete ahhoz képest, hogy mekkora a vastagsága. A második az űrkutatás, ami arra kényszerített minket, hogy tanulmányozzuk a vákuumbeli anyagokat. Az űrkutatás olyan technikát teremtett, ami olcsóvá tette az ultramagas vákuum elérését. Erre a nagy vákuumra azért van szükség, hogy a felületet kitisztítsuk, hogy a felületen semmi ne legyen, csak a tiszta anyag. Ez a technika volt az alapja annak, hogy a modern felületi kémiát ki tudjuk fejleszteni. És a harmadik - talán a legfontosabb gyökere - az energiaválság. Az energiaválság nagyon fölvitte az olaj árát, rákényszerítette a nyugati világot arra, hogy az olaj fölhasználását a lehető legjobb szelektivitással oldja meg: a lehető legmagasabb oktánszámú szénhidrogén-molekulákat készítsenek, ehhez pedig elsőrangú felületi kémia kellett. Az alapanyag változik, olajból gázra. Ez olyan nagy jelentőségű, mint amilyen a második világháború után volt a szénről az átváltás az olajra. Amikor az amerikaiak 1952-ben fölfedezték Arábiában az olajat, attól kezdve a szén már nem is nagyon jött szóba, mint alapanyag a kémiai ipar számára, az olaj annyira olcsó volt. Egy hordó olaj, ami 42 gallon (literben átszámolva négyszer annyi) 2 dollár volt. Amikor fölment az olaj ára, 30 dollár lett egy hordó (1974-75-ben), akkor nagyon kellett takarékoskodni az olajjal. A világ más alapanyag után nézett. Most viszont átváltunk gázra. Ez nem egy hirtelen változás, de az elkövetkezendő 20 év alatt olaj helyett gázt főleg metánt, etánt, propánt fogunk használni. A földgáznak körülbelül 72-73 %-a metán, a többi rész pedig etán és propán. Ez lesz a kémiai ipar alapja a jövőben, és ez új technológiák kifejlesztését kényszerítette ki.

Kaliforniában a felületi technológia nagyon fontos. Hogy a katalizátorokon kívül is mondjak egy példát, van például a mágneses adattároló, ez egy vékony, mágneses vasoxid, kobalt-oxid réteg. Van rajta egy szén alapú védőhuzat, azt pedig lubrikálják egy molekuláris réteggel: fluoro-éterrel. Ilyen mágneses adattároló alkatrészek minden komputerben vannak. Ezek tárolóképessége azon múlik, hogy a mágneses fej - ami leolvassa a mágneses információt - milyen közel követi a felületet. Ezelőtt két évvel ez 150 nm volt, most 75 nm, ezért sokkal több mágneses információt lehet tárolni. Ez egy tipikus felületi technológia, ami most már 30 milliárd dolláros üzlet. A mágneses tároló kifejlesztéséhez különleges felületi kémiára volt szükség, ahol a felület lubrikációját, keménységét, flexibilitását atomi szinten tudjuk vizsgálni. Ennek érdekében új technikát kellett kifejleszteni. Mi ezt a laboratóriumban használjuk, hogy tanulmányozzuk a felületi súrlódást, a felület keménységét, és hogy mi a felület struktúrája, nm-nél finomabb felbontással. A katalizátoroknál ugyanez a problémánk: hogyan változik a struktúrája reakció alatt? Ehhez ilyen atomfelületi vizsgálatra van szükség. Ezért modellszisztémákat fejlesztettünk ki, ahol meg tudjuk vizsgálni, hogy mi történik a felülettel a reakció folyamán, vagy a mágneses felülettel, miközben a mágneses információ áttevődik arra a kis fejre, ami a felületet követi. Az abszorbció nagyon megváltoztatja a felület mechanikai és kémiai tulajdonságait. Ez az intézet, aminek én vagyok az igazgatója, a munkát a különböző felületek (általában szilárd felületek) mechanikai és kémiai tulajdonságaira koncentrálja. A múltban a szilárdtest-vákuum határfelületét és a szilárdtest-gáz határfelületét vizsgáltuk meg. Ma már egyre inkább a szilárdtest-folyadék határfelületét vizsgáljuk, mert erről sokkal kevesebbet tudunk. A jövőben az elektrokémia - szerintem - forradalmon fog keresztül menni. A biológia egy szilárdtest-folyadék határfelületi probléma, ezért ezeknek az új molekuláris technikáknak nagyon nagy befolyása lesz a biológia fejlődésére.

Van, ahol a katalizátorokra koncentrálunk, főleg fém katalizátorokra, mint platina, ródium, palládium, nikkel. Ezek nagyon fontosak az olajiparban, a kémiai iparban, redukciós reakciók és oxidációs reakciók véghezviteléhez. Nem csak a felületeket vizsgáljuk, hanem hozzáadunk különböző segítőanyagokat, amelyek megváltoztatják a kémiai reakció sebességét és milyenségét.

A laboratóriumban tanulmányozzuk a felületek mechanikai tulajdonságait, például poliméreken sétálunk. Ahhoz, hogy sétálni tudjunk, ahhoz a mozgást súrlódással kell kontrollálnunk. Ha nincs súrlódás, akkor elcsúszunk, ha túl sok a súrlódás, akkor nem tudunk továbbmenni, mert hozzátapadunk a felülethez. Ez engem nagyon érdekel, ezért tanulmányozom a polimérek felületét, annak különböző nyomás és külső erő behatása alatt mutatkozó mechanikai tulajdonságait. A lubrikáció molekuláris megértése is nagyon érdekel. Van egy csoportom, amelyik egy molekuláris rétegnek csak a felületi struktúráját tanulmányozza. Van egy technikánk, amelyet úgy hívunk, hogy alacsony energiájú elektrondiffrakció. Ez az egyik legfontosabb technika: megállapítja az atomok és a molekulák elhelyeződését, kötését és a felületeken végbemenő különböző reakciókat, amelyek megváltoztatják a felület struktúráját. Vannak műszereim, amelyek különböző problémákra koncentrálnak. Egyik a polimerizációt tanulmányozza, hogyan katalizáljuk a propietilén, a polipropilén formálódását etilénből és propilénből. Tanulmányozzuk a sztratoszférában lejátszódó kémiai felületi reakciókat: vannak savas cseppek a felhőkben, minél savasabbak, annál kisebb a gőznyomása, és ezért a cseppek összegyűlnek a sztratoszférában. Ezek különböző kémiai reakciót visznek végbe, amelyek hatással vannak az ózonrétegre. Ezen kívül elbontanak vagy készítenek szerves molekulákat a sztratoszférában. A kénsav, a sósav és a salétromsav kémiáját tanulmányozzuk. Az egész laboratórium arra épült, hogy a felületek molekuláris tulajdonságait tanulmányozzuk. A felület megértése molekuláris alapon teszi lehetővé, hogy különböző felületi technológiákat tudjunk kifejleszteni. Az érzékelő-technológia szükséges ahhoz, hogy megmérjük: Budapesten milyen a levegő minősége és hogy mi az oka annak, hogy egy bizonyos kerületben a levegő minősége sokkal rosszabb, mint egy másik kerületben. Először meghatározzuk, hogy mi a szennyeződés és honnan jön, majd azt, hogyan tudjuk lecsökkenteni, kiküszöbölni. Végül pedig kifejlesztünk egy új technológiát, ami már nem szennyez.

Az életszínvonal növekedése az energia használatával és a modern technológia használatával van arányban. Ezt az arányt nem lehet megbontani. Minél többet használjuk az energiát, minél többet használjuk a technológiát, beleértve a kémiai technológiát, annál magasabb lesz az életszínvonal. Ennek persze vannak melléktermékei. Minden technológia úgy fejlődik először, hogy a melléktermékekről elfelejtkeznek, később az érett technológia költségébe beleszámítják a melléktermékek elbontásának árát is.

Amikor először létesítettek szénbányát, akkor a salakot csak ledobták és arra új városokat, építették. Csak el kell menni Pécsre, vagy Walles-be, Angliába, hogy lássuk, hogy a salak nem volt olyan probléma, amit figyelembe vettek. Később már pénzt kellett költeni a salak elbontására és kitisztítására, felment a szén ára. Ugyanez történik meg most az olajjal, meg a kémiai technológiákkal. Ez a fejlődés minden országban végbemegy. Van ára a tiszta levegőnek is. Kérdés, hogy a társadalom hajlandó-e ezt az árat megfizetni. Szerintem nincs más megoldás, meg kell fizetni.

Magyarországon a levegő megtisztítása nagyon fontos probléma, amire pénzt kell költeni.

Először hadd adjak egy gyors képet az amerikai tudomány szervezéséről. Az egyetemeken folyik a kutatómunka és tanítás. Az elképzelhetetlen, hogy egy professzor elsőrangú egyetemen ne végezzen kutatómunkát, csak tanítson. Itt az egyetemeknek különbözők a rangjuk. Az első 10 egyetemre azt mondjuk, hogy kutató egyetemek, Berkeley ezek közé tartozik, ezekből is talán a legelső. A kutató intézetek ezekhez az egyetemekhez csatolódnak. A professzor tanít, én is tanítok elsőéveseket, harmadéveseket, negyedéveseket, és kutatómunkát végzek az intézeten belül. Berkeley-nek 120 ilyen intézete van, az enyém egyike ennek a 120-nak. Ahol az én intézetem van, az a Nemzeti Laboratórium. Ez az Energia Minisztérium egyik laboratóriuma, a pénz is onnan jött az épületre és a kutatásra. Munkánk mind nagyobb százalékát finanszírozza az ipar. Megfizetik az eszközök felépítését vagy beszerzését. Ahhoz, hogy valaki a tudományban élvonalba kerüljön, nagyon fontos, hogy az eszközök fejlesztésében is részt vegyen.

Az eszközök fejlesztése kutatómunkánk egyik nagyon fontos része. Remélem, hogy Magyarországon hasonló filozófia fog kialakulni, mert egy olyan országban, ahol nincs elég tőke, ezen eszközök megvásárlása borzalmasan drága mulatság.