Sajtónyilvános eseményen, az újságírókkal közösen várta a fiziológiai és orvostudományi Nobel-díj bejelentését a Szegedi Tudományegyetem vezetősége 2023. október 2-án, az egyetem központi épületében. Az SZTE kutatóprofesszorát, Karikó Katalint évek óta az esélyesek között tartották számon, és idén meg is kapta a tudományos világ legjelentősebb elismerését. A Szegedi Tudományegyetem élőben kapcsolta az SZTE történetének második Nobel-díjasát, Amerikából.
Új, szcintillációs elven működő részecskedetektorról jelentettek be szabadalmat és publikáltak tanulmányt nemrég a Szegedi Tudományegyetem TTIK Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszék és a debreceni Atommagkutató Intézet kutatói. A munka részleteit a publikációt jegyző kutatócsoport szegedi tagjai, Dr. Janáky Csaba egyetemi docens és Dr. Samu Gergely Ferenc tudományos munkatárs foglalta össze.
A szcintillátorok olyan anyagok, amelyek a nagy energiájú sugárzást hatékonyan nyelik el és alakítják át detektálható fényimpulzusokká, vagyis rövid, gyors felvillanásokkal jelzik, ha felületüket töltött részecskék érik. Az új részecskedetektorhoz Dr. Janáky Csaba és munkatársai 3 éves kutatással cézium-réz-halogenid típusú perovszkitokból fejlesztettek szcintillátort, amelyet az ATOMKI laboratóriumában teszteltek különféle, többek között maghasadásból, radioaktív bomlásból származó részecskék detektálására. A cél egy jó hatékonyságú, kis méretű, alacsony előállítási költségű részecskedetektor elkészítése volt, amelyet radioaktív anyagok észlelésére is lehet használni. Az eszköz így kísérleti berendezésekben, az űrkutatásban vagy akár az atomerőművek céljaira is felhasználhatóvá válik.
Az Advanced Functional Materials folyóiratban közölt tanulmány különböző cézium-réz-halogenid összetételű perovszkitok nagy energiájú sugárzás hatása alatt tapasztalt viselkedését írja le. A közlemény közvetlen előzménye, hogy Dr. Janáky Csaba kutatócsoportja néhány évvel ezelőtt a napelemek új generációjában már használt perovszkit szerkezetű anyagokat kezdte vizsgálni, ugyan teljesen más céllal. A perovszkit családnak számos természetben is megtalálható tagja van, azonban a jelenleg napelemekben használtak laboratóriumokban előállított szintetikus anyagok. Ezek közül a szegedi kutatók egy akkor még kevéssé vizsgált anyaggal, a cézium-réz-jodiddal kezdtek foglalkozni. A kutatás kezdeti szakaszában még azzal a céllal, hogy fotoelektródként felhasználják, vagyis fény megvilágítás hatásra elektrokémiai kontroll alatt kémiai átalakulást érjenek el a felületén. A vizsgált anyagról azonban kiderült, hogy rossz elektródanyag lesz, ellenben rutin vizsgálatok során megmutatkoztak ígéretes radiolumineszcens tulajdonságai. Így az anyagcsaláddal kapcsolatos kutatás teljesen más irányt vett.
Dr. Samu Gergely Ferenc és Dr. Janáky Csaba. Fotó: Kovács-Jerney Ádám
Az új anyagcsaládra Dr. Janáky Csaba egy debreceni látogatás alkalmával még a projekt előtt hívta fel az Atommagkutató Intézet munkatársainak figyelmét. A debreceni kutatók részecskedetektáló kísérleti berendezéseikhez izgalmasnak tartották az új anyag tulajdonságait. Az így kialakult kutatásnak nemzetközi jelentőséget is adott, hogy a cézium-réz-halogenid típusú perovszkitok felhasználását a töltéssel rendelkező részecskék detektálására a két csoport közös publikációja írta le először.
– Az általunk vizsgált perovszkitok fényre aktív anyagok; megvilágítva elnyelik a fény energiáját, ez pedig elektronokat gerjeszt bennük. A gerjesztett elektronok a félvezető anyag vegyértéksávjából átlépnek a vezetési sávba, mely folyamat során a vegyértéksávban pozitív töltésű elektronlyukak maradnak. A folyamat során így elektron-lyuk párok keletkeznek az anyagban. A perovszkitok alkalmazása aszerint lehet más és más, hogy ezeknek az elektron-lyuk pároknak mi a további sorsa. Ha az elektron-lyuk párokat könnyű szétválasztani, akkor az anyagból jó elektródok vagy napelemek lehetnek. Ha pedig nehéz, akkor fényemissziós tulajdonságaikat érdemes vizsgálni, mert ilyenkor a felszabaduló elektron-lyuk párok hajlamosak a rekombinálódásra, miközben energiát adnak le, és ez fénykibocsátással jár.
Dr. Janáky Csaba elmondta: az általuk előállított perovszkit vékonyrétegek kedvező tulajdonsága, hogy nem érzékenyek a gamma sugárzásra. Ez a nagy energiájú elektromágneses sugárzás a kozmikus sugárzás részeként jelentkezik, mely magas „alapjelet” okozna az űrben használt részecskedetektorokban, ami rontaná a töltéssel rendelkező részecskék (elektronok, protonok, a-részecskék) észlelését.
– Számunkra az a kutatás tudományos kérdése, hogy az anyag milyen tulajdonságai teszik lehetővé, hogy érzéketlen legyen a gamma sugárzásra, de nagyon érzékeny maradjon a nagy energiájú részecskékre. Hogyan lehet az anyag tulajdonságaival azt hangolni, szabályozni, hogy a töltéssel rendelkező részecske által okozott felvillanás 1 nanoszekundumig tartson vagy tízszer tovább? Ezért olyan összetett perovszkitokat állítunk elő, amelyekben cserélgetjük a cézium-réz-jodid összetevőit: cézium helyett rubídiumot próbálunk, a jodidot kicseréljük más halogenidekre, bromidra, kloridra, vagy ezek keverékére. Úgy látjuk, hogy az anyag fényelnyelési és emissziós tulajdonságait elég jól lehet szabályozni ezzel – fejtette ki az SZTE TTIK Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszékén folyó kutatás vezetője.
Dr. Janáky Csaba Fotó: Kovács-Jerney Ádám
A legjobb hatékonyságú szcintillátor anyag megtalálása egyben a szabadalom versenyképességének kulcsa is. Az SZTE kutatói elmondták, jelenleg kétféle szcintillátortípus fejlesztése és használata folyik az anyagtudományban. A hagyományos egykristály szcintillátorokban nagyméretű, költséges, hetekig növesztett, szabályos kristályokkal dolgoznak; ezekben jól lehet azonosítani a beérkező részecske energiáját, de nagyon lassúak a kiváltott fényvillanások. A másik végletet az elmúlt 20-30 évben kutatott műanyag alapú vékonyrétegek jelentik, amelyek viszont éppen fordítva, nagyon gyors felvillanást eredményeznek, de nincs megfelelő energiafelbontásuk.
– A perovszkit anyagcsaláddal a kettő között kínálunk megoldást. A szabadalmi bejelentésünk egy olyan új szcintillátor-koncepcióra vonatkozik, amely mindkét tulajdonságot elegendően jól tudja, és ugyanakkor könnyen elkészíthető, kis méretben használható. Azokat az alkalmazási területeket célozzunk meg, amelyekre sem a vékony műanyag, sem az egykristály nem jó – közölte Dr. Janáky Csaba.
A szabadalom számára a szegedi kutatók fejlesztik a szcintillátorréteget, Debrecenben pedig a szegedi mintákon vizsgálják a különböző energiájú részecskék hatását. A legoptimálisabbnak bizonyult anyagösszetételű szcintillátor anyagot a kutatók itthoni és külföldi laborokba, Svédországba, Spanyolországba is elküldték, hogy működő részecskedetektáló berendezésekben is teszteljék azokat.
A rétegek készítése a laboratóriumban egyelőre türelmet igénylő munka: az egyes összetétel-változatokat oldatban készítik elő, majd kis szórópisztollyal újabb és újabb ciklusban porlasztják a felületre. Egy 50 mikronos, vagyis egy hajszálnyi vastag réteg egy nap alatt készül el az elpárolgó oldatból. Az automatizálás még korai, a legjobb rétegvastagságot, kompaktságot és fújási technikát kézzel kísérletezik ki. Ennek a munkának gyakorlati fontossága is van, hiszen a vizsgálatokhoz minőségbiztosított szcintillátor-rétegeket adnak át a debreceni társaknak. Az előre egyeztetett vastagságú, összetételű számozott szcintillátor-minták arra várnak, hogy azokat az Atomki laborjában a töltött részecskék hatása alatt is megvizsgálják.
A szegedi laboratóriumban Dr. Samu Gergely Ferenc bemutatta az UV-fény hatását egy olyan szcintillátor rétegen, amelyen az SZTE feliratot fedték be perovszkittal. A szcintillátor a beeső fotonzápor hatására folyamatos ibolyás színben világított; a radioaktív sugárzásból érkező egyedi részecskékre pedig jól meghatározható felvillanásokat mutat majd. A detektoros alkalmazásnál ugyanis fontos, hogy a részecskéket egyenkét lehessen észlelni, és az előző felvillanás fénye ne maradjon hátra, amikor már érkezik a következő töltéssel rendelkező részecske. Az SZTE kutatói által használt perovszkitok villanásai gyorsabbak, mint a hagyományos egykristály szcintillátoroké, amelyeken a felvillanásokat pár milliszekundumos afterglow, vagyis utóhatás is kíséri.
Radiolumineszcens hatás a perovszkit kristályokkal borított lemezen. Fotó: Kovács-Jerney Ádám
A perovszkitokból egyszerű rendszerben, kis előállítási költséggel, miniatürizálhatóan lehet majd olyan szcintillátor detektorokat készíteni, amelyek teljes információcsomagot adnak a kozmikus sugárzásról – foglalta össze Dr. Janáky Csaba, aki a szabadalom várható alkalmazási területei közül az űrbeli részecskedetektálást emelte ki. A perovszkitos detektor földi felhasználásban pedig a radioaktív hulladékok sugárzásának ellenőrzése lehet ígéretes alkalmazás. Ebben az esetben ugyanis nehezen megközelíthető tározókban vagy bányák mélyén kell folyamatosan ellenőrizni a kimerült radioaktív anyagot. Az új részecskedetektor mindkét felhasználása költséges, nehezen cserélhető eszközöket váltana ki.
A kutatás folytatásában Dr. Janáky Csaba azt sem zárja ki, hogy a szabadalmi bejelentés alapját képező részecskedetektorba idővel még kedvezőbb tulajdonságú anyagot fognak tudni építeni.Janáky Csaba eddigi eredményeiről és kutatási témaköreiről az SZTE Hírportálján korábban írtunk:
A világ vezető energiatudományi szaklapjában publikált a szegedi kutató, Janáky Csaba és csapata
Az SZTE kutatói is segítik a hidrogén felhasználását a zöld gazdaságban
Új eredmények - A napenergia kiaknázását elősegítő SZTE-kutatások Janáky Csaba irányításával
Újabb támogatást nyert Janáky Csaba az Európai Kutatási Tanácstól
„Találjuk fel a jövőt!” – Gábor Dénes-díjat kapott az SZTE kutatója, dr. Janáky Csaba
