ANYAGFIZIKA AZ EZREDFORDULÓN

Lendvai János
ELTE Általános Fizika Tanszéke

Amióta világ a világ, anyagok képezik minden termelési technológia alapját. A felhasznált anyagok minősége és mennyisége meghatározta az adott kor civilizációját. A történelemben egyes időszakokat az emberiség által felhasznált anyagok után nevezték el: kőkorszak, bronzkorszak, vaskorszak stb. Jelenleg a tervezett anyagok korszakában járunk. Napjaink anyagtudósai és -mérnökei új követelményekkel és kihívásokkal találják szembe magukat: számos szempontból megváltoztak a társadalom anyagokkal kapcsolatos igényei és elvárásai. A változások kihatnak az anyagkutatás és -fejlesztés egészére, figyelembe kell venni azokat az iparban, a kutatásban, és az oktatásban is. A "változások" kifejezés a kutatás finanszírozása szempontjából általában világszerte romlást jelent, sajnos nincs ez másképp a fizikában sem. Az anyagfizika, a biofizika és általában az alkalmazás-orientált irányzatok azok, amelyek - legalábbis az egészségesen fejlődő országok esetében - a legjobb eséllyel rendelkeznek arra, hogy kitörési lehetőségeket (új munkahelyeket és kutatási forrásokat) adjanak a jövő fizikusai számára.

Az anyagok fejlesztésével és előállításával kapcsolatos legfontosabb kihívások a következők:

1. Véges készletek: Számos nyersanyagból kimerültek a rendelkezésre álló készletek, illetve a készletek végessége nyilvánvalóvá vált.
2. Extrém igénybevételek: Az Északi Tengerben felépített olajfúró állomás szerkezeti anyagai óriási mechanikai igénybevételnek vannak kitéve, miközben dacolniuk kell a sós tengervíz korróziós hatásával is. A gázturbinák lapátjainak még nehezebb körülmények között és még ellenségesebb közeggel, a nagyobb hatásfok érdekében minél magasabb hőmérsékleten kiáramló nagynyomású gázzal kell dacolniuk. De nemcsak az ilyen nagyméretű mérnöki konstrukciók igényelnek korábban elképzelhetetlen tulajdonságokkal, tulajdonság-kombinációkkal rendelkező anyagokat. A sokkal kisebb méretű és látszólag kellemesebb környezetben működő integrált áramkörök mikrométer méretű fémkontaktusai szilíciumhoz vagy oxidhoz kapcsolódnak, hatalmas termikus feszültségeket kell épségben átvészelniük, egyidejűleg az elektronok tengerének lökéseivel szemben is ellenállva. Milliószoros nagyításban egy mikroáramkör károsodása éppoly drámainak látszik, mint egy tengeri fúrótoronyé, az egyes elektronikus elemek tönkremenetelének következményei sem kevésbé drámaiak. Becslések szerint az integrált áramkörök mintegy 30 százaléka mechanikai terhelés miatt bekövetkező repedés vagy törés következtében megy tönkre.
3. Gazdaságosság: A társadalom folytonos javulást vár el: jobban fizető állásokat, olcsóbb, ugyanakkor jobb minőségű termékeket és lehetőleg azonnali megtérülést. Az alkalmazott kutatás a gazdaságosság szempontját sohasem tévesztheti szem elől: hiába fejleszt ki egy jobb terméket vagy eljárást, a bevezetés nem történik meg, ha a társadalom (értsd: a fogyasztó) nem hajlandó elismerni a megnövekedett költséget.
4. Környezetvédelem: A környezeti problémák az alapanyagok bányászatától kezdve, a szállításon, feldolgozáson és felhasználáson keresztül egészen a hulladék megsemmisítésig, születésüktől megsemmisülésükig vagy újrafeldolgozásukig végigkísérik az anyagok sorsát. A környezetvédelem (a gazdaságosság mellett, sőt gyakran a gazdaságosság ellenében érvényesülő) másik szempont, amit az új anyagok és új technológiák kidolgozói többé sohasem hagyhatnak figyelmen kívül.

A fenti kihívásokra az anyagkutatás és az anyagokat előállító ipar - divatos kifejezéssel - paradigma-váltásokkal, vagy legalább jelentős hangsúly áthelyezésekkel reagált. Így az 1), 3) és 4) problémákra reagálva tolódott el a hangsúly az elsődlegesen felhasznált anyagokról a másodlagosok, vagyis az újra hasznosítottak felé. Az Egyesült Államok fémfelhasználásában több mint tíz éve fokozatosan csökken az elsődlegesen előállított fémek mennyisége, miközben az újrafeldolgozottaké nő, 1990-ben az újra feldolgozásban előállított termékek tömege már azonos volt az elsődlegesével.

A 3) problémára adott válasz legfontosabb eleme a tömegtermelésről és nagyüzem-modellről a súlypont erős eltolódása a kis flexibilis üzemek, a felhasználói igényekhez minél tökéletesebben alkalmazkodó "mértékutáni" anyagelőállítás irányába. Ennek a paradigmaváltásnak egy manapság kirajzolódó következő lépése a "virtuális ipartelepek" kialakulása, ahol egy-egy célfeladatra közös vállalkozások (egyetemi és ipari kutató laboratórium, fejlesztő részleg, technológia, termelés és marketing egymástól akár földrésznyi távolságokban) jelennek meg. Ezek jellemzője az innovativitás, a kis méretből adódó flexibilitás és mozgékonyság, az agresszív piacszerzés.

Különösen a 2) számú kihívásra, de a másik háromra is választ jelent a tervezett anyagok erőteljes térhódítása a természetes anyagok rovására. Ez azt jelenti, hogy az anyagokat nem úgy használjuk fel, ahogy a természetben előfordulnak, vagy ahogy (például ásványaikból) közvetlenül előállíthatóak, hanem azokat a felhasználási igényeknek megfelelően szintetizáljuk.

- teszi fel a kérdést a részvényesek érdekeit reprezentáló gyárigazgató, vagy a társadalom érdekeit reprezentáló köztisztviselő, aki a kutatások finanszírozásáról dönt. "Mi ebben a fizika?!" - teszi fel a kérdést a fizikus, aki a fizikát kizárólag a természet alapvető törvényszerűségeit feltáró tudományként szereti meghatározni. Megkísérlek mindkét kérdésre néhány példa ismertetésével válaszolni.

Említettük már a turbina-hajtóművekben nagy fordulatszámmal forgó, magashőmérsékleten kiáramló, agresszív közeg hatásának kitett turbinalapátokat. A piacot ebben az esetben a repülőgépipar jelenti. Az első fémötvözetek, amelyek képesek voltak elviselni ezeket a - szó szoros értelmében - pokoli körülményeket, 1941-ben állították elő és szuperötvözeteknek nevezték el. Ezek a nikkelalapú ötvözetek alumíniumot és számos további ötvöző elemet (Co, Cr, Ti, Mo, W) tartalmaztak, továbbá igen kedvező magashőmérsékleti mechanikai tulajdonságokkal rendelkeztek. A kedvező tulajdonságok az anyagban nagy mennyiségben jelenlévő rendezett kristályos szerkezetű fémközi vegyülettel, az úgynevezett (Ni₃Al) nikkel-aluminiddal kapcsolatosak. Ennek a vegyületfázisnak az a meglepő tulajdonsága, amit az ötvözetre is átörökít, hogy szilárdsága a hőmérséklet emelkedésével nő. A jelenség magyarázata a képlékeny alakítást meghatározó kristályhibák, a diszlokációk mozgásával kapcsolatos. A jelenség részletes és teljes megértése érdekében ma is számos helyen folyik kutatás, amiben a diszlokációk magszerkezetének atomisztikus modellezése, és a hibaszerkezet megismerésére irányuló fizikai módszerek (transzmissziós elektronmikroszkópia, röntgen diffrakció, pozitron annihilációs spektroszkópia stb.) alkalmazása egyaránt fontos.

1. ábra. A PTZ-kerámiák transzformációs szilárdságnövelésének sematikus modellje.

A fejlesztés modern iránya ezen a területen továbbra is a fázishoz hasonló fémközi vegyületek alkalmazásával kísérletezik. 1990-ben például az Oak Ridge National Laboratory kutatói arról számoltak be, hogy az átmenetifém-trialuminidok (Xal₃, ahol X valamely átmeneti fém) igen ígéretesek, mert alumíniumoxid védőréteg képződése miatt ellenállnak az oxidációnak és igen jók a magashőmérsékleti szilárdsági tulajdonságaik. Kis fajsúlya miatt különösen előnyös lehet a TiAl₃ alkalmazása a repülőgép turbina-hajtóművekben. Az alkalmazás gátja az, hogy ez az egész vegyületcsalád szobahőmérsékleten rendkívül törékeny, rideg, ami a megmunkálásukat lehetetlenné teszi. A fémközi vegyületek tulajdonságainak megértése manapság az anyagfizikai kutatások egyik központi területe. Ettől reméljük, hogy ezeket a tulajdonságokat tudatosan befolyásolni tudjuk. Erre a kérdésre később még visszatérünk.

A szuperötvözet turbinalapátok történetéhez tartozik az is, hogy ezeket az alkatrészeket direkt erre a célra kifejlesztett megszilárdítási eljárással gyártják. Korábban az irányított megszilárdítási technológiát alkalmazva az anyagban olyan szemcseszerkezetet alakítottak ki, hogy ne forduljanak elő olyan szemcsehatárok, amelyek a forgáskor fellépő nagy sugárirányú erőkre merőlegesek és ezáltal könnyen törésre vezető repedések kialakulását segíthetik elő. További fejlesztés eredménye az egyetlen nagyméretű kristályként előállított turbina-lapát, amelyben már egyáltalán nincsenek szemcsehatárok. Az ilyen egykristályok korábban csak a kutató fizikusok "játékai" voltak; ma, mint látjuk, a kiélezett technológiákban alkalmazást találnak. Közismert, hogy az integrált áramkörök nagy része is egykristályokból készül.

Ha már a magashőmérsékleti alkalmazásokkal kezdtük, akkor folytassuk a kerámiák területéről vett példával. A kerámiák lehetnének - és minden bizonnyal lesznek - azok az anyagok, amelyek a szuperötvözeteknél magasabb hőmérsékleteken még agresszívabb kémiai közegek jelenlétében is felhasználhatóak. A kerámia-motorok kidolgozásán, vagy fejlesztésén minden jelentős autóipari vállalat dolgozik. A kerámia szerkezeti anyagok legnagyobb problémája (az előző példában említett vegyületfázisokhoz hasonlóan) nagy ridegségük, törékenységük. A törékenységet igen eredményesen csökkenti a részlegesen stabilizált tetragonális cirkónia (Partially stabilised Tetragonal Zirconia, PTZ) részecskék bevitele a kerámiába. A jelenséget az 1. ábra alapján írhatjuk le. Megfelelő adalékok (Például CaO, MgO, CeO stb.) hozzáadásával elérhető, hogy az anyagban szétszórtan elhelyezkedő ZrO₂ fázis részecskéi az igénybevétel hőmérsékletén egyensúlyi monoklin kristályszerkezetük helyett megőrizzék a magasabb hőmérsékleten stabil tetragonális szerkezetüket (1.a ábra). Ha a darab széléről induló repedés a külső mechanikai feszültség hatására befelé kezd terjedni (1.b ábra), akkor a repedéscsúcs környezetében fellépő mechanikai feszültség-koncentráció hatására bekövetkezik a tetragonális cirkónia monoklin szerkezetűvé való átalakulása. A monoklin szerkezet nagyobb fajlagos térfogata miatt azonban ez az átalakulás kompresszív feszültséget vált ki a repedéscsúcs környezetében, ami a repedést igyekszik visszazárni, így annak terjedését megnehezíti. Ez a jelenség ténylegesen működik, és mindehhez csupán a következő néhány fizikai jelenség megértésére volt szükség:

A tetragonális-monoklin szerkezeti átalakulás az acélokban régóta ismert martenzites fázisátalakuláshoz hasonló diffúziómentes átalakulás. Ennek az átalakulásnak a tanulmányozása során kiderült, hogy az ilyen összetétel-változás nélküli szerkezeti átalakulások beindulását a hőmérséklet-változáson kívül a mechanikai feszültség is befolyásolja. Ezeket a tényezőket felismerve tulajdonképpen kézenfekvő volt a PTZ kerámiák megalkotásának ötlete. Már csak azt kellett kitalálni, hogy mi stabilizálhatja a tetragonális szerkezetet.

Mindkét előző példánkban előkerült az igény a vegyületfázisok kristályszerkezetének tudatos befolyásolására. Ebből a szempontból, de a vegyületfázisok tulajdonságainak megértése szempontjából is a nyolcvanas évek végén nagyon fontos fejlemény volt a szerkezeti térképek megalkotása, ami elsősorban D.G. Pettifor nevéhez fűződik. Az elgondolás lényege az, hogy a kémiai elemeket megfelelő sorrendbe rakva és egy koordináta-rendszer egyik tengelyére az A_nB_m típusú vegyületek A elemeként, a másikra B elemeként felvíve az ábra egyes területein jól felismerhetően elkülönülnek a különböző kristályszerkezetek. Ha az a vágyunk, hogy egy adott vegyület kristályszerkezetét valamilyen más szerkezet felé módosítsuk, akkor az ábráról kitalálhatjuk, hogy milyen összetétel változtatástól remélhetjük a sikert. Az eljárás alkalmazása már hozott kezdeti eredményeket. Ugyanakkor tagadhatatlan a térképek elkészítésének meglehetősen fenomenologikus módja. Az elemek eredetileg heurisztikus sorbarakásának egyes részleteit az elektronszerkezeti megfontolások bizonyos esetekben indokolni tudták. Ez a terület a fizika, mégpedig alapvető kondenzált anyag fizika, anyagtervezés és anyagfejlesztés egymásrautaltságának egyik szép példája. A modellezésen alapuló tudatos anyagtervezés fokozatosan kiszorítja a próbálkozáson alapuló, sokkal költség-, munka- és időigényesebb hagyományos eljárást, a "melegítsd, keverd, kalapáld és reménykedj" korszakát. Bár a fizikusok már a hagyományos empirikus módszer alkalmazásában is sokszor eredményesek voltak, szerepük a jövőben várhatóan méginkább előtérbe kerül.

Az alakítható, szívós anyagoknak jól meghatározható folyásfeszültsége van, ez az a feszültség, amelynél az anyag maradó alakváltozást szenved. Egy ilyen anyagból készült alkatrész általában nem törik ridegen, váratlanul, hanem az igénybevétel során az anyagban fokozatosan alakulnak ki repedések, és végül ezek terjedésével törik el az anyag. Kritikus igénybevételek és kritikus alkatrészek (például nagynyomású erőművi tartályok, repülőgép-alkatrészek) esetén rendszeres szakértői vizsgálatok döntik el, hogy biztonságos-e még a további használat, vagy cserére van szükség.

Nagyobb a gond a rideg anyagokkal, így jellegzetesen a kerámia anyagokkal, amelyekbe a mikrorepedések a gyártás során elkerülhetetlenül bekerülnek, így az anyagnak nincs jellegzetes folyáshatára, hanem a konkrét darabban jelenlévő mikrorepedések eloszlása méret, alak és elhelyezkedés szerint határozza meg, hogy az adott alkatrész az adott igénybevételt elbírja-e, vagy minden előzetes maradó alakváltozás nélkül, tehát minden figyelmeztetés nélkül, eltörik. További nehézség, hogy a probléma nem lineáris, vagyis nem megoldható arányosan kicsinyített (és arányosan kisebb terhelésnek kitett) próbatestek vizsgálatával. Világos, hogy a kerámiaanyagok alkalmazásának ez egy kulcsproblémája, aminek megoldása mérnöki, fizikusi, sőt matematikai-statisztikai feladatokat is tartalmaz. Ugyanez igaz a változó terhelésnek kitett anyagok élettartamának előrejelzésére, még akkor is, ha ezek az anyagok a sztatikus terhelésre jól méretezhető, jól alakítható fémek családjához tartoznak. Itt a biztonság érdekében jelentős túlméretezéseket alkalmaznak, illetve túlságosan rövid működési élettartam után írnak elő kötelező cserét. A megbízhatósági és biztonsági határok pontosabb meghatározása bonyolult, véletlenszerű dinamikus terhelések esetére ugyancsak fizikust (is) igénylő feladat, aminek megoldása igen nagy anyagi haszonnal járna.

Számos további példát lehetne még felsorolni, de talán ennyi is elegendő annak bizonyítására, hogy szükség van anyagtudományi kutatásra, és hogy rengeteg érdekesség és szépség van abban a fizikus számára is. Most nézzük röviden, hogy milyen területeken várható olyan fejlődés a jövőben, ami fizikusok részvétele nélkül elképzelhetetlen! Ezeken a területeken születtek azok a felfedezések, amelyekért a közelmúlt számos Nobel-díját adták, és a jövőben is adni fogják.

Az új anyagok sorában az elmúlt néhány évben elsősorban azok az anyagok tűntek fel, amelyek meglepő tulajdonság-kombinációkkal rendelkeznek. Ma már közismert példák, összetett (kompozit) anyagok, amelyekben ténylegesen eltérő tulajdonságú alkotó anyagokat raknak össze, hogy kedvező tulajdonság-profilokat érjenek el. A sportszerek világából is közismert példák a szálerősítéses műanyagok, amelyek könnyűek, mégis nagy szilárdsággal és kitűnő rugalmas tulajdonságokkal rendelkeznek. Például a fejlett közlekedési iparban erősen terjednek a fémmátrix-kompozitok is, amelyek ugyancsak könnyűek, viszonylag magas hőmérsékleteken is szilárdak és kopásállóak, kitűnő rugalmas tulajdonságokkal rendelkeznek. De igazán érdekes tulajdonság-párosítás a kerámiák és a jó elektromos vezetőképességű anyagok. Ekkor még a szupravezetésről, pláne a magashőmérsékleti szupravezetésről nem is beszéltünk (Nobel-díj 1987). Meg kell említeni az intelligens anyagokat, amelyek tulajdonságaikat változtatva reagálnak a külső hatásokban bekövetkező változásokra, és a biomimetikát is, amely a természet különleges tulajdonságokkal rendelkező anyagainak (például rovarpáncél, kagylóhéj, cápabőr) szerkezetét és összetételét igyekszik utánozni.

Az új tulajdonságú anyagok előállítása számos újítást hozott a technológiákban is. Így még további lehetőségeket sejtetnek a gyors megszilárdítással előállított nemegyensúlyi anyagok, amelyek mára már kereskedelmi forgalomban is kaphatóak, csakúgy, mint az amorf fémek, a nanokristályos és nanoszemcsés anyagok, és egyáltalán a nanoszerkezetek, amelyek ma számos laboratóriumban, köztük magyarországiakban is, a kísérleti fizikusok érdeklődésének homlokterében állnak.

A jelenleg tehető előrejelzések szerint a következő különleges anyagok és technológiák fogják foglalkoztatni a kutatást és fejlesztést az ezredfordulón: kerámiák, polimérek, fémek, funkcionális gradiensű anyagok (Functionally Gradient Materials, FGM), nagy energiatartalmú anyagok, szerves mágneses anyagok, elektroaktív szerves anyagok, felületi tulajdonságok és vékony rétegek, felületi bevonatok, gyémánt vékonyrétegek, molekuláris felületek.

Az utóbbi évtizedek egyik legjellemzőbb fejlődési iránya az atomi felbontású szerkezetvizsgálati módszerek jelentős fejlődése és elterjedése. Az összes technika felsorolására sem vállalkozom ezen a helyen, és a Nobel-díjak is csak néhányat jeleznek a kiemelkedő eredmények közül R.L. Mössbauertól (1961) K.M. Siegbahnon (ESCA, 1981) keresztül E. Ruska, G. Binnig és H. Rohrer csoportjáig (elektronmikroszkópia és pásztázó alagútmikroszkópia, 1986). Ez utóbbiból egy új vizsgálati technika-család, a pásztázó mikroszkópos vizsgálati módszerek (Scanning Probe Microscopy, SPM) együttese van kifejlődőben. Ezen a területen a fejlődés beláthatatlan. Az új technikák még csak most kezdik szolgáltatni az első eredményeket. Nem nagy kockázat errefelé újabb Nobel-díjat jósolni a következő 10 éven belül.

Az atomi felbontású módszerek eredményei nem használhatóak a szerkezeti modellek nélkül, ugyanakkor az új megfigyelések alapján egyre jobb szerkezeti modellek készülnek: A szilárdtestfizika fejlődése, mint például a sűrűségfunkcionál-elmélet nagy mértékben javította az atomisztikus szerkezetről kialakított képünket. Az atomok között ható erők tisztán elektrosztatikusak és az elektronok sűrűségeloszlásától függenek, amit viszont a kvantumfizika törvényei határoznak meg. Ezen az alapon az atomok közötti erők viszonylag egyszerű modelljeit építették már ki, és ez az irányzat jelenleg is dinamikusan fejlődik. Új numerikus algoritmusokat dolgoztak ki mintegy válaszként arra, hogy nagy egyenletrendszerek megoldása technikailag kivitelezhetővé vált. Jelentős áttörés volt ezen a téren, amikor mintegy 3 évvel ezelőtt sikerült egy 600 atomból álló rendszer Schrödinger-egyenletét dinamikai szimulációban megoldani. Ezt a nagy sikert a Cambridge-i Cavendish Laboratóriumban M. Payne, I. Stich és munkatársaik, valamint az MIT-ban J. Joannopoulos és munkatársai egymástól függetlenül érték el. Számításokban manapság már többezer atomból álló rendszerek szerkezete is rekonstruálható. Atomisztikus szimulációk ma már alkalmasak a kristályhibák, például diszlokációk, szemcsehatárok, rétegződési hibák, szabad felületek stb. atomi felépítésének rekonstruálására is, valamint a hibák képződési energiájának meghatározására. Ezek a számítások ma már munkaállomásokon is kivitelezhetőek. A fizikai kutatások egyik fontos területe az atomok között fellépő erők jobb leírása gyakorlati szempontból is érdekes, többkomponensű rendszerek esetére (például a FeAl rendszer). A világ számos vezető fizikai laboratóriuma aktív ezen a területen. Még mindig atomi léptékben molekula-dinamikai módszerek segítségével olyan jelenségek modellezhetőek, mint a diffúzió, az epitaxiális növekedés, sugárkárosodás.

Eggyel magasabb szinten a szemcsehatárok mozgását, vagy a mikrorepedések terjedését is modellezhetjük. Itt atomi léptékű modellezés még reménytelenül hosszú időket igényelne, így ezen a területen a Monte Carlo-módszer és a véges-elem-analízis az uralkodó. A jövő kutatásainak egy fontos területe lesz a szimulációk azon technikáinak kidolgozása, amelyek áthidalják a távolságot a nanométeres és a mikrométeres léptékű modellezések között. Ez különösen a diszlokációk rendszerében bekövetkező változások leírásához szükséges elengedhetetlenül, ami viszont új anyagok tulajdonságainak előrejelzését tenné hozzáférhetővé. Az egyedi diszlokációk ugyanis, mint említettük, atomi léptéken modellezhetőek. Amikor viszont a diszlokáció-falak kialakulását, vagy a szemcsehatárokkal és egyéb akadályokkal való kölcsönhatásukat szeretnénk modellezni, akkor elérkezünk az atomi léptékű számítások lehetőségeinek határához, de a rendszer még messze túl inhomogén ahhoz, hogy a képlékenységtan makroszkopikus egyenleteit alkalmazhatnánk. Ez is a modern anyagfizika egyik nagy erőket mozgósító területe.

A számítógépes anyagtudomány napjainkban szinte önálló, új tudományterületté kezd válni. A sűrűségfunkcionál-elmélet és az azon alapuló szimulációk tájékán ugyancsak esély van lassanként egy Nobel-díjra. A számítógépes modellezés olyan terület, ahol hazai fizikusok is ott vannak az élmezőnyben, és további bekapcsolódásra kínálkozik lehetőség.

Tulajdonképpen az új anyagok és technológiák közé is sorolhattuk volna ezt a területet. A néhány atomból álló csoportok szerkezetének és tulajdonságainak vizsgálata azonban a kutatásnak egy új és nagyon ígéretes területét jelenti, mind alap-; mind alkalmazott kutatási szempontból. A néhány atomtól néhány ezer atomot tartalmazó együttesek átmenetet jelentenek a molekulák és á makroszkopikus kondenzált rendszerek között. A kísérleti fizikusok kifejlesztették azokat a berendezéseket (szuperszonikus molekula-sugarak, lézer-párologtatók), amelyek szinte tetszőleges anyagból képesek széles mérettartományban klasztereket előállítani. Gáz halmazállapotban (szabad klaszterek) különleges szerkezeteket figyeltek meg: elektron-héjhoz hasonló szerkezetet közelítőleg gömbalakú fémklaszterekben, atommag-héjszerkezethez hasonlót oktaéderes és ikozaéderes felépítésű fémklasztereknél, új típusú kovalens kötést olyan nemfémes anyagoknál, mint a szén. Egy közelmúltban kidolgozott új technika lehetővé teszi nanoszerkezetek kialakítását alacsony energiás klaszternyalábok (Low Energy Cluster Beam Deposition, LECBD) segítségével. Így egészen különleges anyagok építhetők fel, mivel a hordozóra felvitt klaszterek bizonyos esetekben megőrzik a szabad klaszterek szerkezetét. Így fullerén-depozícióval gyémántszerkezetű szénfilmet sikerült előállítani, vagy lapcentrált köbös kristályszerkezetű szamáriumot a szokásos hatszöges szerkezetű helyett. A módszer lehetőségei szinte beláthatatlanok, hiszen a különböző elemek klaszterjeinek kombinálásával vagy oxid-klaszterek depozíciójával a kialakítható variációk száma korlátlan. További lehetőségeket jelent a pásztázó alagútmikroszkóp technikájából kifejlődő nanomanipulációs módszer alkalmazása a nanorészecskék depozíciójával kialakított vékonyrétegekre. Ezzel ismét egy ígéretes újszülött területhez érkezünk, a kvantum-eszköz-technológiához. De mivel a teljességre való törekvés nyilvánvalóan reménytelen, itt alkalmasnak látszik a pillanat a felsorolás félbeszakítására:

Remélem sikerült érzékeltetni az anyagfizikában rejlő kimeríthetetlen lehetőségeket és érdekességeket. A "hagyományos anyag paradigmáról" a "hozzáadott érték anyag paradigmára bekövetkezett átállás (táblázat) az iparban és kutatásban egyaránt jelentős eredmények és változások következménye és további jelentős változások és eredmények kiinduló pozíciója.

Ezekkel a változásokkal a fizikus szerepe is átalakult. Korábban a fő feladata a már meglévő anyagok megértése, a szerkezet-tulajdonság kapcsolatok feltárása volt. Manapság egyre inkább a mesterséges, előírt tulajdonságokkal rendelkező anyagok előállítását kell lehetővé tennie és megvalósítania, amiben természetesen nagymértékben támaszkodik a korábban megszerzett ismeretekre. Ezt nem "egyedül" csinálja, hanem szoros kapcsolatot tartva a felhasználókkal, a mérnökökkel, az elméleti és szimulációs vizsgálatokat végzőkkel, sokszor a kémikusokkal, vagy biológusokkal is. Ezeknek a változásoknak fontos kihatásai vannak a gazdálkodásra, a kutatás-fejlesztés stratégiájára és arra is, hogy milyen legyen a korszerű követelményeknek megfelelő kutatóképzés. Kiragadva ez utóbbit rajzoljuk meg a fejlett kutatásban siker reményében versenybe küldhető diák ideális profilját:

• sokféle (háttér) ismerettel rendelkező;
• kreativitásra és gyakorlatiasságra egyaránt edzett;
• egyéni sikereket ambicionálva legyen jó csapatmunkás;
• legyen tudományosan, gazdaságilag és műszakilag is képzett;
• legyen érzékeny a ráfordítások (munka és anyagi) megtérülésére;
• rendelkezzen jó témavezetői képességekkel;
• értse és ismerje fel eredményeinek gyakorlati kihatásait.

A jelenlegi fizikusképzést és különösen a hallgatókat tekintve megállapítható, hogy nem állunk rosszul, ugyanakkor van még lehetőség a fejlődésre.

A.P. SUTTON: ELECTRONIC STRUCTURE OF MATERIALS - Clarendon, Oxford, 1993.
T. PAXTON: Alloys by Design - Physics World, November 1992, 35-40.
M. FINNIS: Simulation on All Length Scales - Physics World July 1993, 37-42.
D.R. MUZYKA: Materials Technology and the Materials Industry: A Critical Transition - Metallurgical and Materials Transactions A, 26A (1995)1343-1352
P. MELINON ÉS MTÁRSAI: From Free Clusters to Cluster Assembled Materials - J. of Modern Physics, közlés alatt