KUTATÁS

Az intézeti alapkutatási témák egyik legfontosabb jellemzője, hogy rendelkeznek az ipari partnereihez kapcsolható együttműködési potenciállal. A különböző kutatási témák koherenciája különösen fontos ebben rendszerben, mert közös ismeretanyagot, infrastruktúrát és nem utolsósorban közös személyi állományt feltételeznek. A különböző csoportok „áthallásai” rendkívüli módon erősítik az egyedi témák közvetítését az ipari partnerek felé. Az egyetem egyik fő társadalmi szerepe az innovációs út rövidítése a tudomány és az ipar között. Ennek egyik leghatékonyabb új eszköze a duális képzés, a kutatva tanulni és azt rögtön kipróbálni ipari környezetben, és fordítva: az ipari problémák felismerése után a duális hallgatók kísérlik meg az ipari problémát „egyetemi eszközökkel” megoldani. E hosszabb bevezető után szeretném bemutatni a főbb kutatási területeinket.

Szén-dioxid Kutatócsoport

Vezetője: Dr. Mizsey Péter egyetemi tanár

Korunk környezetvédelmi kérdéseiben kiemelt helyen áll az antropogén eredetű szén-dioxid emissziójának csökkentése, hiszen ez a legnagyobb mértékben, az atmoszférában jelen lévő üvegházhatású gáz. Koncentrációja a földi levegőben folyamatosan nő, és jelenleg már a 410 ppm koncentráció felé tart.

A Miskolci Egyetem ezért 2018 januárjában megalapította „Környezetvédelmi Szén-dioxid Partnerség” nevű szakmai hálózatot, melynek célja, hogy a hazai nagyvállalatokkal karöltve, hatékonyan tudjanak a szén-dioxid emisszió csökkentésében fellépni és cselekedni úgy, hogy szem előtt tartják a megújuló energia és nyersanyag témaköröket is. A partnerségi hálózatban, melyet kutatócsoportunk vezetője koordinál, lehetőség nyílik az információk és szakmai hírek gyors cseréjére, hatékony partnerkapcsolat kiépítésére és az innovációs megoldások egyeztetésére.

Kutatócsoportunk kutatási témái szervesen illeszkednek a partnerségi hálózat célkitűzéseibe és viszont. A Kutatócsoport a Partnerséggel közösen vizsgálja:

• az antropogén eredetű szén-dioxid emissziójának csökkentési lehetőségeit,
• a megújuló alapú energia hatékony tárolásának megoldásait,
• az energiatárolással párhuzamosan elvégezhető megújuló alapú nyersanyag gyártását.

Ez a három kihívás egyidejűleg is megoldható, ha a szén-dioxidot tekintjük a körforgásos gazdaság platform molekulájának. A szakmai munka azonban két szinten zajlik:

• technológiai szint
• makrogazdasági szint.

A technológiai szinten kidolgozzuk és egymáshoz illesztjük a

szén-dioxid alapú körforgásos energiagazdaság hatékony elemeit, úgymint:

• CCU, Carbon Capture and Utilization;
• tiszta szén technológiák bevonása;
• alga szén-dioxid hasznosítási képességének vizsgálata;
• a hidrogén előállítása megújuló alapon előállított elektromos árammal történő vízelektrolízis segítségével;
• a szén-dioxid átalakítása hidrogénnel metánná (földgáz) vagy metanollá;
• az energiatermelési céllal előállított metán és/vagy metanol képezik a megújuló nyersanyagellátás alapját, lsd. Oláh György, Metanolgazdaság;
• energiatermelés az előállított metánból vagy metanolból;

A kutatócsoport témájában végzett doktoránsok (témavezető: Mizsey Péter)

Nagy Tibor, Comprehensive study of carbon dioxide capture from industrial gases with monoethanolamine-water mixture, 2016

Fózer Dániel, Development of microalgae based biorefinery to improve its energy efficiency, 2019

Valentinyi Nóra, Theoretical and experimental study of the hydrophilic pervaporation of binary and ternary mixtures, 2019

Selim Asmaa Khaled Mohamed, Development and examination of high-performance membranes for pervaporative alcohol dehydration and water desalination, 2020

További információ: http://eco2p.eu/
 

Számításos Kémia Kutatócsoport

Dr. Szőri Milán egyetemi docens

Számszerűen mérhető kémiai sajátságok matematikai modellek segítségével számíthatók is, ily módon a jelen kísérleti technikákkal sok esetben limitált, nehezen, drágán szerezhető mennyiségi információkat pótoljuk. A számítások eredményének ismeretében a kísérlettervezés racionalizálható, a drága mérések száma optimálható és a kísérleti kockázatok csökkenthetők. Prediktív modellszámításokkal részletes szerkezeti információt is kapunk, ami sok esetben a laboratóriumi mérések során rögzített jelekből nem ismerhetők meg. A Számításos Kémia Kutatócsoportban három doktorandusz munkatárssal együtt tehát olyan virtuális méréseket végzünk modellrendszerekre, ahol az általános mérőműszer a számítógép és a mérési elvet a számítógépes programokban kódolt a kvantumkémiai és molekulaszimulációs módszerek hordozzák.

Célunk egyre több kémiai folyamat molekulaszintű értelmezése, amelyhez egy nemzetközi szinten is ismert számításos kémiai kutatócsoport kívánunk kialakítani. Ezen célok elérése érdekében eredményeinket évente 2-3 nagy elismertségű nemzetközi szakfolyóiratokba (D1) közöljük.

Főbb kutatási területeik a következők:

Reakciómechanizmus-kutatás

Kvantumkémiai módszerek segítségével felderítjük a reakcióhoz tartozó potenciális energiafelületet, meghatározva annak kritikus pontjait, valamint az azokat összekötő minimumenergia-útvonalakat, legyen az égési vagy pirolízis folyamat, vegyipari szintézis, vagy fotokémiai folyamat. A molekulák termokémiai leírásához a rendszerhez tartozó legpontosabb kvantumkémiai modelleket használjuk. Így a molekulák gázfázisú képződéshőjét, égéshőjét, hőkapacitását tudjuk a kémiai pontossággal (≤ 1 kcal/mol) becsülni. A pontos potenciális energiafelület ismeretében a kinetikai modellek alkalmazásával a termékarányt és a hozzájuk tartozó abszolút sebességi állandókat meghatározzuk különböző hőmérsékleteken és nyomás-értékeken. Sok esetben a kísérletekben képződött intermedierekről nincs közvetlen kísérleti információ, viszont ezek fogják eldönteni a reakció elfolyását. Az általunk is használt kvantumkémiai modellek alkalmasak ezen részecskék meghatározására, és a tovább alakulásuk feltérképezésére.

Molekuláris adatbázis-építés

Kidolgoztunk egy olyan számítási protokollt is, amely alkalmas nagyszámú - akár több százezer - különböző molekula termokémiai adatainak számítására adataik összegyűjtésére és adatbázisba rendezésére.

Határfelületi jelenségek molekuláris vizsgálata

A határfelületi jelenségek közül kismolekulák adszorpciós tulajdonságait vizsgáljuk gőz/jég határfelületén. A Monte Carlo szimulációk alkalmasak az adszorpciós izotermák számítására különböző hőmérsékleteken. Az izoterma különböző relatív nyomás-értékeinél képesek vagyunk információt kapni az adszorpciós réteg szerkezeti, molekulaorientációs és energetikai viszonyairól, az adszorpciót befolyásoló tényezőkről.

Folyadékelegyek klasszikus molekuladinamikai szimulációja során elsősorban a folyadék/gőz határréteg szerkezetére és a határréteg molekulái közötti kölcsönhatásokat vizsgáljuk, de végzünk számításokat oldatszerkezetre vonatkozóan is. A klasszikus molekuladinamika szimuláció általánosan használható nemreaktív rendszerek esetében; például vizsgálunk karcinogén molekulák és a membrán kettősréteg közötti kölcsönhatásokat is.

A csoportunk tagjainak elégedettsége fontos mindannyiunk számára, ezért a kutatócsoport tagjainak elégedettségét minden év elején egy szóbeli elbeszélgetés keretében felmérjük, számbavéve az előző évben elért eredményeket, nehézségeket, gátló tényezőket, majd a megkezdett évre vonatkozó terveket, kihívásokat, megoldási ötleteket vesszük számba.

A legutolsó értékeléskor megállapítottuk, hogy az előző évet jól zártuk nem számítva a COVID-ből származó nehézségeket. A munkatársak közül Kiss Bálint suma cum laude PhD minősítéssel fejezte be tanulmányait és elhelyezkedett a Bosch kutatás-fejlesztés részlegén. Rózsa Zsófia munkatársnővel - cseh együttműködés keretében - egy magas impaktú (D1) újságban publikáltuk az eredményeket. Most ezen munka folytatását végezzük. A kutatócsoporthoz új munkatárs, Ravikumar Thangaraj is csatlakozott, aki először a Regensburgi egyetemen új technikát elsajátítva, az meghonosította a kutatócsoportban, jelenleg a tervnek megfelelően molekuladinamikai szimulációk hatékony kiértékelését tanulja Zsófiától.  

Analitikai kutatócsoport

Dr. Muránszky Gábor - egyetemi docens

A Kémiai Intézet analitikai tevékenységi körébe természetesen beletartoznak a klasszikus és kis műszeres analitikai módszerek szerves és szervetlen komponensek meghatározására. A teljesség igénye nélkül említhetők a különböző természetes- és szenny-vízminták elemzések, folyadékok fajlagos elektromos vezetőképességének, pH-jának, összes sótartalmának, szervetlen és szerves komponenseinek azonosítása és meghatározása potenciometriás és pH-metriás eljárásokkal. Spektrofotometriás vizsgálatok egészítik ki az analitikai eljárásainkat szervetlen és szerves anyagok foszfát-, nitrát-, ammónia-, fenoltartalmának, meghatározására.

Különféle szilárd anyagok nedvesség-tartalma, izzítási vesztesége, hamutartalma, nem-illóanyag tartalma jelentősen meghatározza az energetikai felhasználhatóságot.

Elemanalitikai vizsgálatok

Derivatográf, termograviméter

Általános célú készülék. Segítségével tanulmányozhatók a különféle anyagok hevítése során lejátszódó folyamatok (tömeg-vesztés, exoterm, endoterm folyamatok, - fázisátalakulások, allotróp átalakulások stb.) a szobahőfoktól 1000 ^oC-ig terjedő tartományban.

C, H, N, S elem analizátor, - Vario Macro (Elementar GmbH)

Különféle (elsősorban zömmel szerves anyagból álló) minták C, H, N, S-tartalmának meghatározására szolgál.

Atomabszorpciós spektrometria

Különféle minták, - szerves, szervetlen elemanalitikai vizsgálatára szolgál, kb. 65 elem határozható meg a segítségével. Legfőbb előnye a rendkívül jó kimutatási képesség. Alkalmazása csak akkor indokolt, ha a feladat nagyon jó kimutatási képességű módszert igényel és az adott feladat esetén az ICP sem rendelkezik ezzel.

Induktív-csatolt plazma (ICP) spektrometria

Különféle minták (gyakorlatilag bármilyen minta) elemanalitikai vizsgálatára szolgál. Előnyei között meg kell említeni, hogy sok, kb. 75 elem akár egyidejű meghatározására alkalmas, a legtöbb esetben kiváló kimutatási képességgel, viszonylag kevés kémiai zavaró hatás nehezíti a minták vizsgálatát, és a mérendő elemek által kibocsátott fény intenzitása és az elem mintabeli koncentrációja között több nagyságrend tartományban lineáris vagy közel lineáris kapcsolat van.

Szerves vegyületek analitikai vizsgálatai

Termogravimetria és infravörös spektroszkópia

A két fenti eljárást kapcsolva, de külön-külön is felhasználva szén nanocsövek vizsgálata, szerves vegyületek azonosítása (pl. ragasztóminták azonosságának vizsgálata, katalízis vizsgálatok). Különösen fontos a poliuretánokhoz kapcsolódó analitikai eljárások fejlesztése. Az FTIR készülékünk gáz, folyadék és szilárd minták vizsgálatára egyaránt alkalmas. Termograviméterrel kapcsolva a vizsgált anyag bomlása során keletkező gőz halmazállapotú komponensek, bomlástermékek vizsgálatára is alkalmas.

Kromatográfiás eljárások

Termikusan stabil, elpárologtatható, szerves vegyületek elválasztása minőségi (tömegszelektív detektor) és mennyiségi meghatározása elsősorban ppm és ez alatti koncentrációkban jelenlévő komponensek vizsgálatára alkalmasak. Az egyik GC-MS készülékünk rendelkezik termál deszorberrel valamint kriofókuszáló egységgel, a készülékhez tartozó VOC-kamra segítségével lehetőség nyílik nagyobb méretű (műanyag) alkatrészek illékonyanyag tartalmának meghatározására.

Nehezen elpárologtatható, hőre érzékeny nagyobb molekulatömegű szerves vegyületek és szervetlen anionok meghatározására (ionkromatográfia) egyaránt alkalmazható. Környezeti és biológiai minták vizsgálatára egyaránt alkalmas. Jelenleg az intézetben egy HPLC- (UV-VIS, fluoreszcens, elektrokémiai és törésmutató detektorral) és egy UPLC-MS-készülék található. Felhasználás: koffein meghatározás, gyógyszerek és gyógyszermaradványok meghatározása vizekből. Ez utóbbi berendezés kínálta lehetőségek bemutatására Molekuláris Diagnosztikai Kutatócsoport tevékenységének ismertetésnél visszatérünk.

Számítógépes Molekulatervezés Kutatócsoport

Dr. Fiser Béla – tudományos munkatárs

A kémia, biológia és fizika hármasának határán dolgoznak a Számítógépes Molekulatervezés Kutatócsoport (SzMK) tagjai. Az SzMK célja az, hogy összekösse az elméleti és kísérleti kutatásokat, és számítógépes kémiai modellek segítségével vizsgáljon és magyarázzon természeti jelenségeket és ipari folyamatokat.

Jelenleg három doktorandusz hallgató (Dalal Karad Thbayh Al-Jaberi, Hadeer Waleed Qasim és Reizer Edina), egy posztdoktor (Dr. Rachid Hadjadj) és két szenior kutató (Dr. Fiser Béla és Prof. Dr. Csizmadia G. Imre) dolgozik a csoportban.

Szoros oktatási-kutatási együttműködésben külföldi és hazai partnerekkel, a csoport többek között új típusú anyagok tervezésével (különös tekintettel a környezetkímélő poliuretánokra: https://sciencenode.org/feature/Sleep%20on%20sugar.php, GINOP-2.3.4-15-2016-00004), katalitikus reakciók vizsgálatával (10.1039/C9OB00216B) és policiklikus aromás szénhidrogének képződési mechanizmusainak a vizsgálatával (10.3390/molecules24061040) foglalkozik. Eddig 2 MSc, 1 BSc és 4 TDK dolgozat született a kutatási eredményekből és 3 PhD folyamatban van.

Különös figyelmet érdemel, hogy polimerek szintézise során alkalmazott különböző additívek (pl. antioxidánsok) elméleti és kísérleti vizsgálatán ipari partnerek bevonásával dolgoznak. Terveik között szerepel, hogy megvalósítsák egy termék útját a számítógéptől az alkalmazásokig.

Külföldi együttműködő partnerek:

II. Rákóczi Ferencz Kárpátaljai Magyar Főiskola

Dr. Anita Rágyanszki, York University (Canada)

Prof. Enrique Gómez-Bengoa, University of the Basque Country/UPV-EHU (Spain)

Prof. Bao-Hua Xu, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences (Beijing, China)

Szintetikus Kémiai kutatócsoport

Dr. Fejes Zsolt – egyetemi docens

A szintetikus kutatócsoport fő kutatási területe a poliuretánok, valamint ehhez kapcsolódva az izocianátok és a poliolok. A polimerek előállítása terén célunk egyrészt új típusú poliuretánok (habok, elasztomerek) előállítása, elsősorban olyan anyagok felhasználásával (pl. nanoanyagok, fluoreszcens vegyületek), melyek valamilyen különleges funkciót kölcsönöznek a polimernek vagy annak fizikai és mechanikai tulajdonságait javítják. Kísérleteink segítenek azon célunk elérésében is, hogy egy adatbázis létrejöttével potenciálisan olyan összefüggéseket tárjunk fel, amelyek segítenek megérteni bizonyos összefüggéseket a felhasznált vegyületek és az alkalmazott reakciókörülmények, valamint a termék jellemzői között. A rendelkezésünkre álló mikroreaktorban – segítségül hívva az Intézet analitikai kémia munkacsoportját – kiváló lehetőség nyílik az izocianát–alkohol reakciók kinetikai tanulmányozására. A készülék lehetőséget teremt kis mennyiségű speciális izocianátok, illetve alkoholok reakciójának kivitelezésére, a mikroreaktor jellegből adódóan a hőmérséklet (és a potenciális mellékreakciók) kontrollálása ideálisan valósul meg. A kutatómunkák BSc, MSc és PhD hallgatók bevonásával folynak.

Nanoszerkezetű Anyagok Kutatócsoport

Dr. Vanyorek László - egyetemi docens

A kutatócsoport fő profilja: nanoszerkezetű anyagok szintézise, tulajdonságaiknak feltérképezése, és azok ipari területen történő felhasználásukat célzó alapkutatások folytatása.

Katalizátorfejlesztés

A kutatómunka során olyan új katalizátorok fejlesztése történik, amelyek jól alkalmazhatók a régió vegyipari érdekeltségeinek profiljához köthető termékfejlesztési és termelési feladatok során. Eredményes fejlesztések folynak olyan katalizátor gyártási eljárások kidolgozására, amelyek sikeresen alkalmazhatók anilinszintézis, szén-dioxid hidrogénezés, valamint halogenát mentesítés során.

Kompozit anyagok előállítása

A kompozitanyagok előállításának célja, hogy olyan különleges tulajdonságokkal ruházzunk fel polimereket, amelyek a makroszkópikus mérettartományba sorolandó adalék anyagokkal nem kivitelezhetők. A nanoszerkezetű anyagok méretük és szerkezetük miatt számos olyan fizikai, valamint kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek gyökeresen különböznek ugyanazon anyagcsalád makroszkópikus méretű tagjainak jellemzőitől. A szén különböző, nanoszerkezetű módosulatainak felhasználásával vezetőképes kenőanyagok fejlesztését végzi a kutatócsoport. Polimer nanokompozitok előállítása további részét képezi a csoport kutatási tevékenységének. Nanorészecskék adalékolásával, olyan műanyagokat fejlesztünk, amelyek jól használhatók elektromágneses zavarcsökkentés (EMI) céljából. Szén nanocső tartalmú műanyagaink kimagasló mechanikai szilárdsággal rendelkeznek. Folyamatos fejlesztések történnek olyan receptúrák kidolgozása céljából, amelyek a nanotechnológia alkalmazásával olyan adalékanyagokat eredményeznek, amelyek felhasználásával antimikrobiális felületet biztosíthatunk különböző műanyagok esetében.

Biológiailag aktív nanoszerkezetek szintézise

Jelen kutatási terület célja, olyan biológiailag aktív nanoszerkezetek kialakítása, amelyek jól alkalmazhatók a nanomedicina területén. Kombinálva azokat a megfelelő fehérjékkel, hozzájárulnak az oxidatív stressz csökkentéséhez. Az Alzheimer-kórt kiváltó egyik jelenség, az említett oxidatív stressz visszaszorítható szelén nanorészecskék alkalmazásával. Munkánk során szelén nanorészecskék előállításával foglalkozunk biokompatibilis diszperziós közegben, az így előállított készítmény alkalmas biológiai tesztekre.

Fluoreszcenciás Kutatócsoport

Dr. Nagy Miklós - egyetemi docens

A modern anyagtudományi kutatásokban központi helyet foglal el az intelligens/multifunkciós anyagok fejlesztése. Ezen belül is kiemelkedőnek számítanak a fluoreszcens anyagok, mivel a fluoreszcencia az anyag egy igen érzékeny és könnyen finomhangolható jellemzője. Ezek az intelligens anyagok különféle környezeti hatásokra (polaritás, hőmérséklet, elektromos áram) önmaguk színe vagy a kibocsátott fluoreszcens fény színének változásával reagálnak. Széles körű gyakorlati alkalmazhatóságuk ellenére a rendelkezésre álló szolvatokróm fluorofor kismolekulájú és polimer alapú rendszerek száma erősen limitált, így az ilyen tulajdonságú rendszerek fejlesztése jelentős nemzetközi érdeklődésre tarthat számot.

A kutatásba bekapcsolódó hallgató feladata molekulán belüli töltésmegoszláson (Intramolecular Charge Transfer, ICT) alapuló intelligens szolvatokróm vegyületek előállítása és vizsgálata. A továbbfejlesztett szolvatokróm monomerek kutatását a legmegfelelőbb aromás alapváz (naftalin, fenantrén, antracén, bifenil, fenantrolin) kiválasztásával, valamint a donor és akceptor csoportok relatív helyzetének tanulmányozásával tervezzük. A lehetséges szerkezetek dipólusmomentumait és abszorpciós spektrumait magas szintű DFT számításokkal határozzuk meg, és a legalkalmasabbakat választjuk ki szintézis céljára. Különböző hosszúságú/ polaritású lánchosszabbítókkal kopolimerizálva a fluoreszcencia szabályozott, környezetfüggő erősítése vagy kvencselése, illetve a kibocsátott fény spektrumának szélesítése is lehetséges. A fluoroforok szerkezetét és funkcionalitását 1D és 2D-NMR, valamint tömegspektrometriás módszerekkel vizsgáljuk. Az optikai tulajdonságokat (gerjesztési és emissziós maximum, Stokes-eltolódás) UV-vis és steady-state fluoreszcencia spektroszkópiával tanulmányozzuk különböző oldószerekben. A szolvatokróm viselkedést a Kamlet-Taft és Catalán egyenletekkel írjuk le. A legígéretesebb vegyületeket biológiai vizsgálatoknak vetjük alá, ahol megvizsgáljuk toxicitásukat, vitális sejtfestékként történő alkalmazásukat esetleges gyógyászati alkalmazhatóságukat.

Molekuláris Diagnosztikai Kutatócsoport

Dr. Váradi Csaba – tudományos munkatárs

A glikoziláció a szintetizált fehérjék egy poszt-transzlációs módosítása, mely során monoszaharid egységekből álló cukorláncok enzimatikusan kapcsolódnak a meghatározott glikozilációs pontokhoz. A glikánok struktúrális heterogenitása változhat az egyes betegségekben. Ezen változások indikátorai lehetnek a sejtekben zajló biokémiai folyamatoknak, ezáltal a glikozilációs analízis komoly potenciállal bír a biomarker kutatás területén. A glikánok komplexitása azonban megköveteli olyan legfejlettebb műszeres analitikai technikák alkalmazását, mint a kapilláris elektroforézis (CE), illetve a magas nyomású folyadékkromatográfia (HPLC), mely technológiák alkalmazásával napjainkban már könnyedén elválaszthatók egymástól a fehérjékről leemésztett cukorstruktúrák. Az elválasztáson túl azonban egyre fontosabb a detektálás, mely esetében egyre inkább a tömegszelektív (MS) detektorok használata kerül előtérbe. A Kémia Intézetben felállt biológia csoport egyik profilját is a glikoziláció műszeres analitikai analízise teszi ki. A rendelkezésre álló Waters Acquity-SQD UPLC-MS egy rendkívül fejlett analitikai platform, mellyel könnyedén vizsgálható bármilyen komplex oligoszacharid. A magas szintű reprodukálhatóságnak köszönhetően akár több száz mintát vizsgálva is precíz, megbízható adatokat generálhatunk, lehetővé téve ezzel akár nagyobb betegpopulációk vérmintáinak analízisét. Számos daganat esetében csak képalkotó diagnosztikai módszerekkel, valamint biopsziával lehet megbizonyosodni a tumoros elváltozásról, ezért sürgető szükség van olyan vérből is kimutatható markerekre, melyek segítségével még időben felismerhető a kóros elváltozás. Erre alapozva terveink között szerepel a vérben található glikoproteinek glikozilációs vizsgálata különböző daganatos betegségekben különös tekintettel az egyes stádiumok közötti különbségekre, illetve ezek biomarkerként való hasznosítására.