A Szegedi Fizika Napjának idei helyszíne az ELI ALPS Lézeres Kutatóintézet volt, amelynek előadásain és vezetett látogatásain mintegy 200-an vettek részt, előterében pedig nem volt olyan stand, ahol ne álltak volna csoportok a kitelepített kísérleti és demonstrációs eszközöknél. Prof. Dr. Szabó Gábor fizikaprofesszor, az ELI ALPS ügyvezetője köszöntőjéből az is kiderült, hogy a lézeres kutatóközpont futurisztikus épületnek terveit is egy optikai kísérleti berendezés ihlette.
Prof. Dr. Szabó Gábor szerint azért fontos a fizikát közel vinni a nagyközönséghez, mert még az ELI projektjeinek jövőjét is a diplomás fizikusi munkaerő határozza meg. Ha valaki megkérdezné, vetette fel Prof. Dr. Szabó Gábor, hogy a következő években az ELI működtetésében mi lehet a legnagyobb gond, akkor azt válaszolná, az, ha nem találnak elég embert. A fizika professzora szerint a fizikusi diplomát nem adják ingyen, de aki megszerzi, az válogathat a kutatási területek között. Prof. Dr. Szabó Gábor bonmot-ja szerint a fizikus az az ember, aki konkrétan nem ért semmihez, de bármihez jobban ért, mint bárki más. A fizikusi hivatásnak lényege ugyanis, hogy problémákat kell megoldani. A fizika pedig nem csak a törvényeiről szól, ha valaki megtanul egy képletet, de nem érti a mögötte lévő fogalmakat, azzal nem jut sokra. Aki viszont eljut odáig, hogy megértse a fizikában rejlő szépséget és érdekességet, annak többé nem kell dolgoznia, mert a fizika nem munka lesz, hanem szenvedély.
– Egyszer egy diákoknak szóló interaktív demonstrációs program után egy nyolcadikos gyerek annyit írt a vendégkönyvbe: „Tök király a buli!” Nos, a fizikus is így van vele: egyik tök király buli a másik után következik a kutatások során – mondta a fizikaprofesszor.
Prof. Dr. Szabó Gábor fizikaprofesszor, az ELI ALPS ügyvezetője megnyitja a Szegedi Fizika Napját. Fotó: Dobóczky Zsolt, ELI ALPS
Összefonódott állapotok a kvantumoptikában
A fizikanapi előadások sorában Dr. Benedict Mihály, az SZTE TTIK Fizikai Intézet emeritus professzora a 2022-es fizikai Nobel-díjjal elismert kutatások hátterét mutatta be a fiataloknak. A díjazottak, John Clauser, Alain Aspect és Anton Zeilinger tudományos érdeme, hogy egyre pontosabb eljárásokkal kísérleti úton tudták lezárni az 1927 óta nyitott Einstein-Bohr vitát. A sokáig eldönthetetlen vita a kvantummechanikának abból a felismeréséből alakult ki, hogy két összefonódott állapotban lévő kvantum-részecske egyikének megmérése miatt ugyanaz a tulajdonság a másikon is megnyilvánul, még akkor is, ha ehhez az információnak a fény sebességénél gyorsabban kellene terjednie. 1935-ben Einstein, Podolsky és Rosen ezt a kvantummechanika hiányosságaként értékelte, mondván, hogy a szétrepülés pillanatában a két kvantum-részecske állapota már eleve kódolva van. A Bohr-féle kvantumfizika viszont azt állította, hogy a mérés nem megállapít egy előzőleg determinált állapotot, hanem éppenséggel maga állítja elő a kimenetelt, mégpedig véletlen módon.
A hagyományos, determinisztikus fizika szemszögéből érthetetlen jelenségre 1964-ben John Bell észak-ír fizikus olyan matematikai egyenlőtlenséget állított fel, amelynek teljesülése esetén Einstein, lehetetlensége esetén Bohr állítása igazolódik. A Bell-összefüggés a fény különböző polarizációs irányainak valószínűségét vizsgálva azt írta le, hogy ha az összefonódott fotonok polarizációs tulajdonságai tényleg előre kódoltak, akkor teljesülnie kell az egyenlőtlenségnek. Erről azonban Clauser, Aspect és Zeilinger kísérletei sorra bebizonyították, hogy nem teljesülhet. Vagyis kizárható az összefonódott elemek tulajdonságának előre meghatározottsága, a kvantumfizika enélkül is teljes. Dr. Benedict Mihály előadása a Bell-egyenlőtlenség szemléletes modelljét mutatta be a fiatal hallgatóságnak, és egyúttal arra is rávilágított, milyen matematikai-logikai módszer húzódott meg a fizikai kísérletek megtervezése mögött.
Látogatók az ELI ALPS interaktív látogatói terében. Fotó: Dobóczky Zsolt, ELI ALPS
Hogyan kacsint egy elektron?
Hányszor kacsint az elektron, és lefotózható-e az atomon belüli méretarányban az elektron kacsintása? – tette fel a kérdést a következő előadásban Dr. Divéki Zsolt, az ELI kutatófizikusa.
Az elektron bizonyos valószínűséggel található meg az atommag körül bizonyos energiaszinteken, és még a klasszikus mechanika út-idő-sebesség képletével is kijön, hogy a kacsintást 10x10-18 szekundum, vagyis 10 attoszekundum idő alatt kellene lefotózni. Ez a bizonyos attoszekundum egyben az ELI Attoszekundumos Fényimpulzus Forrás (ELI ALPS) névadója és jelképe is lett, mivel a kutatóintézet berendezése képes az ilyen méretarányú vizsgálathoz attoszekundumos fénynyalábot előállítani.
Dr. Divéki Zsolt végigvezette a hallgatóságot a milliszekundumos fényképezőgépektől a mikroszekundumos sztroboszkópig, de még ezeknek az impulzusoknak a hosszúsága is jóval nagyobb, mint amivel az elektront lehetne vizsgálni. A fény ugyanis 1 másodperc alatt 7,5-ször kerülné meg a Földet, 1 mikroszekundum alatt eljut az Eiffel-torony csúcsára, 1 pikoszekundum, vagyis 10-12 másodperc alatt megteszi egy plankton hosszát, 1 femtoszekundum alatt pedig egy vírus méretének megfelelő távolságon mozdul el. Az attoszekundumos impulzus pedig még ennél is ezerszer rövidebb: egy attomásodperc arra elég, hogy a fény a vízmolekula egyik hidrogénatomjától eljusson a másikig. Ahol pedig ilyen elképesztően rövid impulzust előállítani képes berendezés van, mint az ELI-ben, ott egészen kis méretű molekulaszerkezeteket és időben egészen gyors folyamatokat is lehet vizsgálni.
De hogyan készül az attoszekundumos fényimpulzus? Valójában olyan rövid fényvillanások keltéséről van szó, amelyek a kvantummechanika szintjén képesek mozgásokat megragadni. Dr. Divéki Zsolt szerint ebben az elektron egy kvantumos tulajdonsága, az alagúteffektus segít: – Amikor ráfókuszáljuk a lézert az atommagra, a lézer erőtere elgörbíti az atommag potenciálját, ami csapdázza az elektront. Innen csak annyira kell eltéríteni, hogy az alagúteffektus létrejöjjön, amivel az elektron képes átjutni a potenciálgáton és kikerülni az atommag vonzásából. A lézertér amplitúdóváltozása azonban visszatéríti az atommaghoz, ahol bizonyos valószínűséggel rekombinálódik. Ekkor egy alacsonyabb energiaállapotba kerülve kisugározza a felesleges energiát. Mivel az egész folyamat néhány attoszekundum alatt zajlik le, ez a kisugárzott fény maga az attoszekundumos impulzus.
Az ELI fizikusa a kutatóközpont berendezésének működési modelljén is bemutatta, hogyan lehet az előállított attoszekundumos fényimpulzusok energiáját és fázisát követni és változtatni. A sokféle tulajdonsággal előállított fényimpulzusok az ELI-ben szerteágazó mérési lehetőségeket nyújtanak a biológiától a félvezetői méréseken át az atomi szintű kutatásokig számos projekt számára. Az ELI-ben végzett egyik kiemelt projektben például a Dr. Osvay Károly (SZTE TTIK Fizikai Intézet) által vezetett kutatócsoport lézerrel keltett neutronokon alapuló technológiával keresi a lehetőségét annak, hogy a radioaktív hulladékban csökkentsék a hosszú sugárzási idejű izotópok arányát. A szükséges neutronok előállítását már sikerült kifejleszteni és a hosszú távú projekt következő éveiben komoly eredmények várhatók a nukleáris hulladékok kezelésével kapcsolatos szimulációkból. Hasonlóan kiemelt kutatás folyik a koherens diffrakciós képalkotás területén, amely a gyógyászati szempontból is fontos fehérjék szerkezeti vizsgálatát teszi lehetővé. Ugyancsak képalkotási szerepe van annak a projektnek, amely femtoszekundumos lézerimpulzusok segítségével szó szerint pillanatképeken fotózza le az elektronok vándorlását egy kémiai reakcióban.
Az előadások hallgatósága a Szegedi Fizika Napján. Fotó: Dobóczky Zsolt, ELI ALPS
3D nyomtatás a tudomány szolgálatában
Az alkalmazott fizika egy másik felhasználási területét, a 3D nyomtatást mutatta be a nap következő előadásán Dr. Geretovszky Zsolt, az SZTE Interdiszciplináris Kutatásfejlesztési és Innovációs Kiválósági Központ 3D Központja szakmai vezetője.
A 3D nyomtás ahhoz hasonló, ahogyan egy többszintes ház minden szintjét sajátságos alaprajzot követve építenek fel szilárd építőanyagokból. A 3D nyomtatás is szeletekre bontva, az egyes szintek mintázatát rétegről rétegre követve építi fel a tárgyakat. Az analógia pedig nem is áll messze a valóságtól: tavaly nyáron Németországban már megépítették az első 3D-nyomtatott házat.
3D nyomtatáskor egy digitálisan megrajzolt vagy beszkennelt térbeli információ adatait megfelelően vastag szeletekre bontják egy szoftverrel. A szeletelés során létrejött tervrajzokat önti aztán anyagba egy additív gyártási technológia; a szeleteket kellően sokszor és pontosan ismételve alakul ki a 3D nyomtatott tárgy. A porágyas nyomtató technológia például egy vékony porréteget terít ki, amelyen egy lézernyaláb helyileg 1000 Celsius fok körüli hőmérsékleten megolvasztja a port, ami ezután visszaszilárdul; a folyamat rétegről-rétegre ismétlődik, miközben a már megépített tárgy a berendezésben lesüllyed. A kész nyomtatott tárgyat a végén a maradék porból lehet kiemelni. A Szegedi Tudományegyetem 3D nyomtatási központjában 25 centiméteres élhosszúságú, négyzetalapú platformon tudnak nyomtatni.
Dr. Geretovszky Zsolt szerint a 3D nyomtatás egyik nagy előnye, hogy nincs térbeli tervezési korlátja: amit számítógépen meg lehet rajzolni, azt ki is tudják nyomtatni. Példának egy hajtómű részegységét említette, amelyet a General Electric korábban majdnem 200 darabból tervezett meg; újonnan viszont a hajtóműdarabot egybetervezték és úgy nyomtatják ki. Az eredmény gyorsabban, hatékonyabban működő technológia – és egy jóval könnyebb alkatrész lett. - Ez koncepcionálisan új szemléletet kíván. Nehezebb egy klasszikus megoldásokon nevelkedett mérnököt ráállítani a 3D vonalra, mint azokat a nyitott elméket, akik ezután tanulnak majd rá – mondta az SZTE kutatója.
Generatív design néven ismerik azt a tervezési irányt, amelyet a 3D nyomtatás szoftveres héttere nyitott meg. – Mondjuk, hogy szeretnénk egy olyan testet, amely 3 ponton érintkezik a földdel, van egy sík lapja 70 centiméter magasságban és elbír 150 kilogrammot. Álmodjunk! Eddig erre a leírásra a designerek elkészítették a széket. Ha a leírásunkat átadjuk a szoftvernek, és álmodhat bármilyen alakzatot, akkor abból egy egészen újszerű szék lesz, de fogja tudni azt, hogy ne boruljon fel, és bírni fogja a 150 kilós embert – magyarázta Dr. Geretovszky Zsolt.
Az SZTE kutatója ezután a szegedi 3D központ alkalmazásai közül úgynevezett szubmilliméteres, vagyis igen kényes szerkezetű nyomtatási tárgyakat mutatott be. Ilyen az a mikrotű-mátrix, amelyet az SZTE gyógyszerkutatói használnak fel: egy 1x1 centiméteres területű, ujjbegyen elférő lapka, rajta 100 darab, 1 milliméter magas tű, amelyek átmérője egy emberi hajszálnál alig nagyobb. A kis szerkezet célja, hogy a gyógyszerészek a tűk felszínéről célzottan juttassanak hatóanyagot a beteg bőrébe. Dr. Geretovszky Zsolt a 3D nyomtatás lehetőségeitől azt várja, hogy a jövőben egyedi méretű, mintázatú és sűrűségű tűkkel nyomtatnak majd hasonló eszközöket az adott páciens szükséglete szerint.
A kutatásra célzott 3D nyomtatás példái azok az üreges, belső vázas struktúrájú mintadarabok is, amelyeken az anyagszerkezetek fizikai tulajdonságait lehet tanulmányozni. A 3D nyomtatókon már rutinszerűen készíthetők különböző struktúrájú minták; a vizsgálatok egyik eredménye pedig az, hogy az üreges tárgyak erősebbek tudnak lenni, mint a tömör anyagok.
A szegedi 3D nyomtatási kutatások fontos célja, hogy az élettudományok számára megoldásokat nyújtsanak. Légzésmechanikai modelleket, mű-légcsöveket tesztelnek, valamint orvosi beavatkozások támogatására nyomtatnak olyan eszközöket, mint egy belső fül szerkezete.
Dr. Geretovszky Zsolt az SZTE 3D Központ egyik folyamatban lévő kutatásáról is beszámolt a fiatal közönség előtt. Ezt a 3D-nyomtatott eszközt Dr. Nógrádi Antal neurológus professzor (SZTE SZAOK Anatómiai Intézet) és csoportja idegsejtekkel kapcsolatos kutatásaihoz készítik:
– A központi idegrendszer idegsejtjei kevésbé hajlamosak a gyógyulásra, aminek oka, hogy nem tudnak olyan irányítottan növekedni, ahogy kialakultak az évek során. Nógrádi Antal professzorék a sejtnövekedés irányítását kutatják; ebben két tényező is fontos: az, hogy a sejt kémiai értelemben jól érzi-e magát az adott felszínen, illetve hogy a felület domborzata kedvezően befolyásolja-e a sejt növekedését. Erre a célra egy kocka alakú tárgy tervezése volt a feladat, amelyben párhuzamos csatornák futnak; e csatornáknak pedig a sejtek számára optimális felületűeknek kell lenniük. Egy csatorna legfeljebb néhány tíz mikron szélességű, de egy centiméter hosszú lehet. Egy vékonyabb szőke hajszál 60 mikron széles, így a tárgy végső soron olyan, mintha egy 1 centiméteres kockában sok hajszál-csatorna húzódna. Lerajzolni könnyű, de nincs olyan hagyományos technológia, amellyel ilyen párhuzamos hajszálnyi lyukakat lehetne fúrni. Ezért az ötletünk a 3D nyomtatásra alapult: mivel a csatornák lapjai rétegenként ismétlődnek, külön-külön nyomtattuk ki a rétegeket. Így a csatornákhoz hozzá lehetett férni és a szubmilliméteres domborzatokat is vizsgálni tudtuk. A nyomtatás után a felületen kezdetben nem kívánt fogazatok maradtak. További félévnyi munka volt annak megértése, hogy milyen polimerizáció eredményezte őket, de ezután már sikerült kiküszöbölni a fogasodást. Az eredmény 100-120 mikron széles, 40 mikron mély és akár 1-2 centiméter hosszan kialakítható csatornákkal ellátott lapok lettek, amelyeket egymáshoz lehet illeszteni. Ezeket a tárgyakat kapták vissza a neurológus kutatók, hogy kipróbálják, rá tudják-e tenni azt a kémiai szerkezetet, amely az idegsejt növekedését segíti – magyarázta Dr. Geretovszky Zsolt.
Ignácz Ferenc mestertanár (SZTE TTIK Fizikai Intézet) FizShow kísérlete a Szegedi Fizika Napján. Fotó: Dobóczky Zsolt, ELI ALPS
A lézeres nyomtatás és optikai csapdázás mikrovilága
A szubmilliméteres nyomtatások után Dr. Vizsnyiczai Gaszton, a Szegedi Biológiai Kutatóközpont kutatója a parányok régiójában végzett 3D nyomtatási alkalmazásokba vezette be a hallgatóságot. Előadásában olyan lézeres módszert ismertetett, amelyek segítségével mikroszkopikus méretű szerkezeteket lehet nyomtatni.
A kétfotonos polimerizáció nevű eljárással 3D lézeres nyomtatást lehet végrehajtani mikroszkopikus méretben; az eljárás alapja az, hogy egy fókuszált lézernyalábbal fényre megkeményedő (fotopolimer) anyagokat világítanak meg, és a lézernyalábot mozgatva az anyagban 3D mikroszerkezeteket alakítanak ki. A rendszert számítógép vezérli, a mikrostruktúra megtervezéséhez előbb meg kell tervezni a lézerfókusz útját. A parányi szerkezet körül nem megkeményedett alapanyagot ezután leoldják, és készen van a mikrofabrikátum. Ezzel a módszerrel fénnyel hajtható mikroszkopikus gépeket és különféle parányi kísérleti eszközöket is lehet gyártani.
Dr. Vizsnyiczai Gaszton és munkatársai e parányi eszközök segítségével azt vizsgálták, hogy az úszó baktériumok mennyire képesek megtartani úszási sebességüket szűk, behatárolt terepen; ehhez a vizsgált baktériumokat egy maguk gyártotta mikroméretű beszűkülő csövön terelték keresztül.
A mikrobiológiai célokra a lézernyalábokat közvetlenül az apró sejtek, szintetikus struktúrák megragadására, mozgatására is használják. A lézercsipesz vagy optikai csapdázás módszere lehetővé teszi az élő sejt megfogását, a művelet azonban kényes, mivel a lézerrel könnyű megsütni a vizsgált sejtet. A kutatók ezért olyan mikroszerkezetet terveztek, amelyek segítségével közvetetten, tapadás útján ragadható meg a vizsgált sejt. Dr. Vizsnyiczai Gaszton előadásában elmondta, hogy kutatócsoportjuk újabban rugalmas anyagból készített mikrostruktúrákat, ezekkel pedig a vizsgált sejtet, akár egy kis kalodában, épségben tudják megfogni és mozgatni.
A sejtekről készült felvételeknél a fénymikroszkópok problémája, hogy az képalkotás során a fény terjedési irányában 3-4-szer rosszabb a felbontásuk, mint más irányokban. Ennek javítására született meg a többnézetű mikroszkópiás képalkotás, amelyhez az kellett, hogy a kiválasztott sejtet biztosan lehessen forgatni. A kutatók a több irányból felvett képeket ezután egyetlen felvétellé tudták kombinálni, vagyis a térbeli kezelhetőség új kutatási eredményt is kiszolgált.
|
Fotók a Szegedi Fizika Napja eseményeiről. Fotó: Dobóczky Zsolt, ELI ALPS |
Művészet a tudományban
A Szegedi Fizika Napján az előadások után átadták az ELI ALPS „Művészet a tudományban” című pályázatának díjait. A pályázat célja az volt, hogy az intézetben elért kutatási eredményeket megörökítő képekből átszínezéssel, grafikai kiegészítéssel, a diákok olyan műalkotásokat készítsenek, amelyeket a tudomány és a művészet együtt hozott létre.
A nyertesek:
Első helyezett: Bereczki Barbara – a Bethlen Gábor Református Gimnázium (Hódmezővásárhely) 10. osztályos tanulója
Második helyezett: Sélley Péter – budapesti középiskolás diák
Harmadik helyezett: Korompay Boglárka – a budapesti Baár Madas Református Gimnázium 10. osztályos tanulója
A pályázatra beküldött munkákból az ELI ALPS 2023-as falinaptárat is készített.
Panek Sándor
Borítókép: Dr. Benedict Mihály (SZTE TTIK Fizikai Intézet) előadása a Szegedi Fizika Napján. Fotó: Dobóczky Zsolt, ELI ALPS