A természetben különböző halmazállapotú fázisok találkozása mentén olyan kölcsönhatások jöhetnek létre, amelyek megismerése számos új alapkutatási feladat megoldását követeli meg. A szilárd, folyadék- és gázfázisok határfelületén létrejövő vékony határfelületi rétegek és diszperz rendszerek – amelyek lényegében már a nanoszerkezetű anyagok világához tartoznak – fizikai-kémiai tulajdonságai alapvetően különböznek a belső (tömb) fázis tulajdonságaitól. Ennek oka a különböző fázisok érintkezésekor jelentkező intermolekuláris kölcsönhatások megjelenése. A fázisok találkozásánál ugyanis a felületi erők fellépése miatt határfelületi rétegek képződnek, és a komponensekből egymástól független diszkontinuitásokat kapunk. Így diszperz rendszereket állíthatunk elő, és az egyik fázisban a másik fázis anyaga eloszlatható, diszpergálható.

Ebben a munkában röviden arra kívánok rávilágítani, hogy a folyadék–gáz, szilárd–gáz, folyadék–folyadék, szilárd–folyadék határfelületek létrejöttekor milyen diszperz rendszerek hozhatók létre, mi szükséges az előállított rendszerek kinetikai állandóságának biztosításához, ugyanis termodinamikai állandóságról, a határfelületi rétegek többletenergiája miatt nem lehet szó. A területen dolgozó anyagtudós feladata elsősorban az, hogy a határfelületek fizikai-kémiai tulajdonságait kvantitatív módon megismerje, és ezen adatok birtokában új technológiákat adjon meg a nanofázisú diszperziók előállítására. Ehhez szükségünk van olyan – szintén kolloid állapotú – adalékanyagokra, amelyek a létrejövő határfelületi rétegek stabilitását biztosítják, de maguk is kolloid állapotúak, például felületaktív anyagok vagy makromolekulák. Így a diszperz rendszerek, amelyek termodinamikai értelemben nem egyensúlyi rendszerek, és a kolloid anyagok között jól ismert termodinamikai egyensúlyban lévő rendszerek (tenzidek, makromolekulák) kombinációjával kinetikailag állandó és a nanoméretű skálán is stabil rendszereket vagy ultravékony filmeket, vagy nanohibrid rendszereket állíthatunk elő. Az ezek kombinációjával létrehozható rendszerek variációs lehetőségét jól mutatja az 1. ábra.

 

A folyadék–gáz, a szilárd–gáz és a szilárd–folyadék határfelületek fizikai-kémiai tulajdonságainak leírásánál alapvető szerepe van a felületi feszültségnek, pontosabban a felületi szabad energiának. A termodinamika kiváló lehetőséget nyújt a határfelületi rétegek kvantitatív minősítésére abból adódóan, hogy Josiah Willard Gibbs (1839−1903) amerikai kutató kiváló modellt alkotott a határfelületi rétegek termodinamikájának leírására. Ennek lényege az, hogy a felületen, illetve annak környezetében a koncentrációk távolságfüggése – pontosabban a felület síkjától való koncentrációeloszlási függvény – jelentősen eltér a homogén belső fázistól, tekintettel arra, hogy a határfelületi erők a felszínen nem kiegyensúlyozottak, vagyis az adszorpciós erőtérben a kölcsönhatások inhomogének és anizotropok (2. ábra). A tömbfázisban minden részecske/molekula környezete teljesen kiegyenlített erőhatások szempontjából, ugyanez a felszínre nem igaz. Ennek következtében egy α és β fázis találkozásakor ún. felületi adszorpciós többlet definiálható, amelynek lényege az, hogy a Gibbs által bevezetett ún. „megosztó- vagy választófelületig” a homogén fázis kiterjed, és egyszerű matematikai megfontolásból megadható az adszorpciós többlet bármilyen határfelületre az alábbi egyenlet szerint (Schay, 1969):

A fenti összefüggés lehetőséget ad arra, hogy minden feltételezéstől mentesen megadható az adszorpciós többlet (), illetve bármilyen extenzív mennyiség () (például entalpia, szabadentalpia, entrópia stb.), amely a határfelületi rétegre jellemző. Ennek meghatározása egyszerű mérési utasítás, amely lényegében az adott rendszerben az adszorpció előtti kiindulási koncentráció, illetve az egyensúlyi koncentráció pontos meghatározását igényli. A határfelületi energia megjeleníthető a Gibbs−Duhem-egyenletben (Schay, 1969), amely a határfelületi energiát, illetve feszültséget (γ) is tartalmazza:

A fenti egyenletben µi az i-edik komponens kémiai potenciálja adott T hőmérsékleten és p nyomáson, az extenzív többletmennyiségek: az entrópia (Sσ) és a rendszer térfogata (Vσ) és a felület nagysága (A), valamint az i-edik komponens adszorpciós többlete a határfelületi rétegben. Az 1970-es években Schay Géza és Nagy Lajos György a szilárd–folyadék határfelületre vonatkozó elegyadszorpciós termodinamikai kutatási eredményei meghatározóak voltak például a folyadékkromatográfia analitikai alkalmazásában. A fenti összefüggésekből a hőmérsékletfüggés meghatározása után a van’t Hoff-egyenlet alapján az entalpia- és szabadenergia-függvények kiszámíthatók. Meg kell jegyezni, hogy a felületen működő gyenge kölcsönhatások ma már nagy érzékenységű mikrokaloriméterekkel is mérhetők. Ezen kísérleti adatok összevethetők a Gibbs-egyenlet alapján számítható adatokkal (Schay, 1969). A fentiekből kitűnik tehát, hogy a határfelületi rétegben az erőhatások következtében jelentkező koncentrációprofilok lényegében nanométer skálán határozzák meg a nanodiszperziók stabilitásáért felelős, határfelületi rétegek szerkezetét, összetételét (háromdimenziós rendszerek). Lehetőségünk van arra, hogy határfelületi rétegekben ún. ultravékony filmekben, biológiai membránokban, önszerveződő struktúrák létrehozásában a határfelületi fizikai kémia jelentős segítséget nyújtson. Gyakorlatban ez azt is jelenti, hogy ezen ismeretek birtokában kvantitatív számítások alapján lehetőségünk van szenzorok, biológiai szenzorok, különböző optikai vékonyrétegek, optikai kapcsolók előállítására, amelyek napjainkban egyre inkább elterjedtek. Ugyanígy a biológiai membránok és az önszerveződő struktúrák felépülésében meghatározók az adszorpciós erők, mert ezek döntik el, hogy egy adott biológiai rendszerben különböző gyógyszerhatóanyagok milyen kölcsönhatásba kerülnek a határfelületi rétegekkel: megkötődnek rajtuk, vagy át is hatolhatnak a biológiai membránokon. A gyógyszeripari lehetőségeket tovább kutatva szintén elterjedtek napjainkban azon gyógyszerhatóanyag-beviteli lehetőségek, amelyek a szabályozott, illetve a célzott hatóanyag-leadás technológiáját lehetővé teszik. Ebben az esetben például egy rákellenes hatóanyag a „nanoméretű” csomagolásban, az ún. nanokapszulában, amelynek hordozója lehet például egy fehérjemolekula is. Bekerülhetnek az élő szervezetbe (véráramba) olyan molekulák, amelyek lokálisan fejtik ki hatásukat, és az adott gyógyszermolekula nem terheli az egész szervezetet. A további felhasználás természetesen jelentősen érinti a szenzorikát, illetve a hozzá kapcsolható félvezetőipart. A vékonyrétegek elterjedése − különösen, ha mágnesezhető nanorészecskéket tudunk rendkívül kis térfogatban rendezetten orientálni − lehetővé teszi a mágneses adattárolást, illetve az ultravékony rétegekből felépített nanohibrid szerkezetekben jelentős mennyiségű elektromos töltés felhalmozását, az pedig a kis térfogatú, de nagy áramsűrűségű elemek által megvalósítható energiatárolást. A környezetvédelemben is már a gyakorlati alkalmazás szintjén működnek az ún. „öntisztuló” felületek, amelyek fény hatására működő katalitikus aktivitásuk, illetve szuperhidrofób tulajdonságuk miatt szintén fontosak mind a hadászati, mind a polgári védelemben. Így napjainkban figyelemre méltó az antibakteriális tulajdonságú felületek elterjedése, lehetővé téve, hogy az egyre inkább rezisztenssé váló baktériumok elszaporodását meg tudjuk akadályozni (Tallósy et al., 2016).

 

Ha vizsgálatainkat elsősorban az 1−50 nm mérettartományban található nanorészecskékre terjesztjük ki, akkor ebben a mérettartományban jelentős kölcsönhatások működnek a határfelületeken, és a kialakult határrétegek tulajdonságait ismerve juthatunk el a nanoszerkezetű anyagok előállításához és stabilizálásához (Kotov et al., 1995; Dékány et al., 1997). A diszperziós kolloidok előállításánál, a kinetikai állandóság vizsgálatánál nagyon lényeges a stabilizáló határrétegek szerkezete és kiterjedése. Az előállítási lehetőségeket tekintve technikailag az egyik legegyszerűbb rendszer a szilárd–folyadék, illetve a folyadék–folyadék határfelületet tartalmazó kolloid diszperzió. Mivel az adszorpciós réteg kiterjedése néhány nanométer, felvetődik a kérdés, hogy létrehozhatunk-e nanoszerkezetű anyagokat ezen erőtérben, kihasználva azt, hogy az adszorpció révén a legkülönbözőbb anyagok (ionok, molekulák, makromolekulák, tenzidek stb.) feldúsulnak a felületen. Mint a következőkben látni fogjuk, a határfelületeken kiváló lehetőség nyílik az adszorpció miatt az ún. önrendeződő (vagy önszerveződő) struktúrák (ún. kvázi kétdimenziós szerkezetek) szabályozott létrehozására. Természetesen a vizsgált részecskék felületén lévő adszorpciós rétegben is lehetőség van a nanorészecskék előállítására, így a klasszikus értelemben vett diszperz rendszerekben (szolokban és szuszpenziókban) a szilárd–folyadék határfelületi rétegekben mint „nanoreaktorokban” előállíthatók néhány nanométer átmérőjű részecskék (Dékány et al., 1997).

 

Az adszorpciós jelenségek tanulmányozása és a határfelületi rétegek szerkezetének, valamint a részecskék közötti kölcsönhatásoknak a megismerése lehetőséget ad arra, hogy különböző lamellás szerkezetű anyagokból (például agyagásványokból vagy grafit-oxidból) – amelyek vastagsága kb. 1 nm – ultravékony filmeket állítsunk elő. A lamellák az adszorpciós erők hatása miatt önrendeződésre képesek, és a rétegszámtól függően 5−100 nm vastagságú rétegek állíthatók elő sík felületen (Kotov et al., 1995).

 

Köszönetemet fejezem ki munkatársaimnak, Janovák Lászlónak és Csapó Editnek kiváló tudományos munkájukért, amellyel hozzájárultak a dolgozatban közölt eredményekhez.