Beszélgetés Inzelt Györggyel a 2000. évi kémiai Nobel-díjról és a vezetõ polimerekrõl
A 2000. évi kémiai Nobel-díjat Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid és Hideki Shirakawa kapta a vezetõ polimerek felfedezéséért és kidolgozásáért. A díjról és hátterérõl Inzelt György egyetemi tanárt, az Eötvös Loránd Tudományegyetem Kémiai Tanszékcsoportjának vezetõjét kérdeztük.
MacDiarmid, Shirakawa és Heeger
– A Népszabadság Nobel-díjasokról szóló gyorshíre szerint Professzor úr úgy vélekedett, hogy ezen a területen talán mások is, vagy mások jobban megérdemelték volna az elismerést. Kikre gondolt és miért?
– A Nobel-díj alapszabályzatának 4. cikkelye kimondja, hogy a díjat nem lehet háromnál több személy között szétosztani. Ez az elmúlt száz év során mindig is gondot jelentett, hiszen egy-egy felismerés, új anyag elõállítása vagy új módszer kidolgozása sokszor háromnál több kutató nevéhez fûzõdik. Sorolhatnánk a példákat a DNS kettõs spiráltól a fullerénekig. A vezetõ polimerek esetében is hasonló a helyzet. A Nobel-díj bizottságnak szembe kell nézni azzal a problémával is, hogy tulajdonképpen mit díjazzon, nevezetesen az ötletet, az elméleti jóslatot vagy valami jól megfogható, konkrét eredményt. Általában az utóbbi mellett dönt, és nem veszi figyelembe az elõzményeket: azokat a mások által elért eredményeket, melyek nélkül az adott felfedezés nem születhetett volna meg. A díj odaítélésére az esetek nem kis részében 10-20 év után kerül sor – volt már, hogy 50 év után (mint például Chandrasekhar) – amit nem is biztos, hogy mindenki megér.
Nézzük, mi a helyzet esetünkben! A vezetõ polimerek igazán hasznosítható csoportját (polianilin, polipirrol) már a múlt században elõállították és a fõbb tulajdonságaik is ismertek voltak. Csak a közelmúltig visszamenve: Josefowicz és munkatársai 1966-ban – tehát majdnem 10 évvel korábban – a polianilint mint polikonjugált makromolekuláris félvezetõ anyagot írták le. Megmérték az elektromos vezetését. Tisztában voltak vele, hogy ez a redoxiállapot és a protonálódás függvénye. Új anyag-e a poliacetilén? Nem. Natta már 1958-ban elõállította. Az õ receptjét használták Shirakawáék is, csak a diplomázó hallgató tévesen mérte be a Ziegler-féle katalizátor mennyiségét. Várható volt-e, hogy vezetõ poliént sikerül elõállítani? Igen. Ezt már Lennard-Jones is megjósolta 1937-ben. Megérdemelte volna Diaz, aki a polianilint és a polipirrolt film formában is elõállította, hogy részesedjen a díjból? Valószínûleg igen.
Mindazonáltal MacDiarmid és munkatársa, Heeger, valamint Shirakawa megérdemelte a díjat. A Népszabadság újságírójának is azt mondtam, hogy “nem érdemtelenek kapták meg a díjat”. Shirakawa és munkatársai megcsinálták a polimert (1974). MacDiarmidnak megtetszett a szép fémfényû fólia (1976). Ebben az idõben lett társadalmi igény ilyen, változtatható elektromos ellenállású anyagokra, tehát az idõ is megérett. Sokan dolgoztak ezen a területen, maga MacDiarmid is (SN)x polimer elõállításával és jóddal való adalékolásával (doppingolásával) foglalkozott a hetvenes évek elején. Kézenfekvõ volt, hogy vezetésmérést végezzenek, és megvizsgálják az adalékolás hatását. Sikerrel jártak, a vezetés jódadalékolás hatására körülbelül a 1010 – 1012 -szeresére nõtt!
Ennyi az õ érdemük, nem több, de nem is kevesebb. Jól kihasználva a modern hírközlési lehetõséget mozgósítani tudták nemcsak a vegyészeket, hanem a fizikusokat is. Õk dolgozták ki a vezetési elméleteket. Szerették a poliacetilént, mert egyszerû szerkezetû konjugált rendszer, amelyre aránylag könnyû volt számításokat végezni. MacDiarmidék érdeme az is, hogy meggyõzték a szélesebb akadémiai és ipari közösséget a vezetõ polimerek fontosságáról. Ezzel elérték azt, hogy a mûanyagokra ne csak mint tipikus szigetelõkre gondoljunk, ami bizony paradigmaváltás volt ezen a területen.
Hozzájárult a sikerükhöz az is, hogy a szép poliacetilén fóliát könnyû volt bemutatni még a laikus(abb) közönségnek is. (Az, hogy a poliacetilén nem igazán stabilis és így kevéssé használható, csak keveset vont le a látvány szépségébõl.) Azt hiszem, hogy a fullerének sikeréhez is hozzájárult a forma esztétikája. Talán hosszabban magyaráztam azt a kijelentésemet, amelyet napilapban tettem, de azt hiszem, helyénvaló, ha az ünnepi pillanatban – gratulálva a gyõzteseknek – megemlékezünk azokról is, akik szintén jelentõsen hozzájárultak a vezetõ polimerek sikertörténetéhez.
– Váratlan volt, hogy a vezetõ mûanyagokért adnak Nobel-díjat, vagy már "benne volt a levegõben"?
– Igencsak várható volt. Nemcsak azért, mert az elmúlt húsz évben ezen a területen nagyon sokan és eredményesen dolgoztak, hanem az említett paradigmatikus hatás miatt is. MacDiarmidéknak az érdeklõdés felkeltésében kétségtelenül nagy szerepük volt. A fullerénekért kiosztott Nobel-díj után pedig már ezekért, az igazából fontosabb új anyagokért szinte kötelezõ volt, hogy odaítéljék ugyanazt az elismerést.
– Az elektrokémiai kurzusokban tananyag már a vezetõ polimer?
– Igen. Már 20 éve elõadom a vezetõ polimerekkel kapcsolatos tudnivalókat. A speciális elektrokémia kurzusomon elõször a Kémiai Közleményekben megjelent összefoglaló cikkeim, majd “A kémia újabb eredményei” 75. kötetében megjelent monográfiám szolgált segédletként. Az elmúlt évben a Nemzeti Tankönyvkiadónál megjelent kétkötetes “Az elektrokémia korszerû elmélete és módszerei” c. könyvemben pedig a 7.1. fejezet szól errõl a témáról, illetve a megfelelõ helyeken (elektrokatalízis, szuperkapacitások, elektrokromatikus jelenségek stb.) is foglalkozom a vezetõ polimerek szerepével. A könyv ezen részei fõként a haladóknak ajánlott Elektrokémia és a doktori kurzus témáit képezik. Az említett könyvem 8. fejezetében, ahol az elektrokémia történelmi fejlõdésének mérföldköveirõl adok áttekintést, már szerepelnek a vezetõ polimerek, és természetesen A.G. MacDiarmid, Heeger, Diaz, Bard és Murray neve is megtalálható.
– Ha egy pillantást vetünk az utóbbi néhány év kémiai Nobel-díjaira, kiderül, hogy bár az élettudományokat (és az élettudományokat kiszolgáló kutatásokat) övezi a legnagyobb érdeklõdés, és talán ezekre jut a legtöbb támogatás, a Nobel-díjak odaítélésénél a "klasszikus" kémiai területek eredményei játszanak nagyobb szerepet. Elképzelhetõ, hogy az egyensúly helyreállítása is motiválja a díjak kiosztását?
– Nem gondolom, hogy bármilyen “egyensúlyteremtés” szerepet játszana abban, hogy milyen kutatási eredményért ítélik oda a díjat. Inkább bizonyos aktuális jelentõség, szélesebb körû hatás motiválhatja a döntést (például az ózonlyuk iránt érzett aggodalom emelt egy klasszikus reakciókinetikai eredményt valamivel a valós értéke fölé). Egyébként az utóbbi 20 évben jó néhány Nobel-díjat adtak biokémiai jellegû, kötõdésû eredményekért, de valószínûnek tartom, hogy Ernst kitüntetésénél is mérlegelték az NMR egyre terjedõ használatát az orvosi diagnosztikában.
– A díj odaítélésének indoklásában megemlítették, hogy a vezetõ polimerek azért is fontosak, mert interdiszciplináris kutatásra adnak módot a fizika és a kémia területén. Mit gondol, Professzor úr, merre tart a kémia? Önálló tudományág marad vagy inkább más tudományágak "alkalmazott tudománya" lesz?
– A fizika és a kémia között mindig szoros volt a kapcsolat, mármint azóta, hogy a természettudomány szakosodása bekövetkezett. Hosszú ideig nem is igen lehetett eldönteni, kit hová soroljunk. Egy sort tudóst említhetünk, ilyen például Faraday, Helmholtz, Nernst, Eötvös Loránd vagy Planck, akit fizikusként és kémikusként – mondjuk fizikokémikusként – is tisztelünk. Úgy vélem, hogy a kémia még egy jó ideig önálló tudományág marad, persze az interdiszciplinaritásnak egyre nagyobb lesz a jelentõsége (gondoljunk a biokémiára, a biofizikára, a polimerfizikára, a polimerkémiára, a biopolimerekre, vagy a káosz elméletére, amelyet a fizikában, a kémiában, a meteorológiában, de még a pánik leírására is felhasználnak.)
– Milyen felszereltség szükséges a vezetõ polimerek kutatásához?
– Szerencsére bizonyos szintig nem drága kutatás vezetõ polimerekkel dolgozni. Éppen ez az egyik fontos elem az ügyben, hogy olcsó anyagokból (anilin, pirrol, tiofén, acetilén) aránylag egyszerû technológiával lehet ilyen anyagokat szintetizálni, a jellemzésükre irányuló vizsgálatok sem drágábbak más kémiai anyagok vizsgálatainál, és nem okoz különösebb gondot, hogy a felhasználásukkal különbözõ eszközöket (érzékelõket, elektrokromatikus kijelzõket, áramforrásokat, elektronikai áramköri elemeket stb.) hozzanak létre.
Az én eszköztáram a következõ: potenciosztát, frekvenciaanalizátor, frekvenciamérõ, spektrofotométer, ESR spektrométer (német kooperációban), STM és AFM (svájci partnerekkel). Az ioncsere-folyamatok tanulmányozására: kvarckristály-mikromérleg, radioaktív nyomjelzés, lézersugár-elhajláson alapuló "optical beam deflection” technika (svájci, illetve francia együttmûködésben).
– Kikkel mûködnek együtt, és az Ön csoportján kívül tanulmányoznak-e mások is vezetõ polimereket Magyarországon?
– Az érzékelõk (például ammónia gázérzékelõ) elõállításához a Budapesti Mûszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikai Tanszékének kutatói állítják elõ az alaplapot és az elektronikát, s mi visszük bele a készülék lelkét jelentõ vezetõ polimert. A hemoglobin meghatározására szolgáló amperometriás módszer kifejlesztésén magyar orvosokkal dolgoztunk együtt, majd portugál kollegák ellenõrizték az eljárás megbízhatóságát a Coimbra-i Egyetem klinikáján. Tehát Magyarországon is mûvelhetõ ez a terület, de a nemzetközi együttmûködés nekünk is rendkívül fontos. Francia kollegákkal dolgozunk együtt az elmélet fejlesztésén – ehhez csak utazási költség szükséges, bár az eszmecserénk nagyobb része e-mailen bonyolódik.
Magyarországon még Visy Csaba szegedi egyetemi tanár foglalkozik finn együttmûködésben vezetõ polimerek spektrofotometriai vizsgálatával. Velem Láng Gyõzõ egyetemi docens dolgozik együtt fõleg a vezetõ polimerek impedanciaspektroszkópiás vizsgálata területén, és az utóbbi 5 évben három magyar doktorjelöltem (Martinusz Kinga, Kertész Vilmos és Csahók Eszter) védte meg sikerrel disszertációját ebben a témában. Ezenkívül 2 svájci, 1 finn és 1 román disszertáció nagyobb része alapult azon a kutatáson, melyet a doktorjelöltek nálam folytattak.
– Profeszor úr mikor tért át a vezetõ polimerek vizsgálatára? Mi keltette fel az érdeklõdését?
– A szerves vezetõ anyagokkal 1980-ban kezdtem el foglalkozni. A hetvenes évek második felében két korábbi kutatási területen szerzett tapasztalataimból építkezve próbáltam egy új kutatási stratégiát kialakítani. A két kutatási terület a polielektrolitok fizikokémiai tulajdonságainak, illetve szerves vegyületek elektródfolyamatainak tanulmányozása volt. A szerves vegyületek sok esetben kemiszorpciót szenvednek az elektródfém (például a platina) felületén, különbözõ molekulatöredékek (például =CO, –CHO) borítják be a fém felületét. Ezek rendszerint csökkentik a platina elektrokatalitikus hatását (az áram csökken), mert szennyezik az aktív helyeket. Néhány esetben viszont az tapasztalható, hogy más reakciótermék keletkezik, ha szándékosan hozzuk létre a kemiszorbeált réteget (például a ketonok elektroredukciójakor nem szénhidrogén, hanem alkohol képzõdik). Arra gondoltam, hogy adszorpció útján valamilyen polimer filmet alakítok ki az elektród felületén, és a polimer tulajdonságától függõen befolyásolni tudom majd az elektródreakció végbemenetelét. A szabályozás egyik módjáról az volt az elképzelésem, hogy magát a polimert, amely célszerûen megválasztott funkciós csoportokat tartalmaz, redoxireakció útján át tudom alakítani.
Itthon viszont még egy rendes potenciosztát sem állt rendelkezésemre, nem beszélve a függvénygenerátorról. Erre pedig feltétlenül szükségem lett volna, hiszen a felületi film 10-7–10-9 mol anyagot (átalakítható redoxicsoportot) tartalmaz, ez pedig stacionárius elektrolízissel nem, csak tranziens technikákkal vizsgálható. Így aztán éppen jókor jött 1981-ben J.Q. Chambers professzor meghívása a Tennessee Egyetemre. A kutatási tervünk az volt, hogy tetraciano-kinodimetán- (TCNQ), illetve tetratiofulvalén- (TTF) csoportokat építünk be polimer láncba. Ugyanis ebben az idõben fedezték fel az olyan típusú szerves vezetõket, mint a TCNQ–TTF komplex. E rendszerek kristályaiban a TCNQ akceptor- és a TTF donormolekulák elkülönült oszlopokat képeznek, és az elektronpályák átfedésével alakul ki a vezetési sáv.
– Tehát alkalmas modellvegyületekbõl indulhattak ki.
– Ez a kutatás rendkívül sikeresnek bizonyult, a rendszerek átfogó jellemzése mellett – amelyhez elõször használtunk olyan kombinált módszereket, mint elektrokémiai ESR vagy UV-látható-közeli infravörös spektroelektrokémia – alapvetõ felismerésekhez is jutottunk az elektronvezetõ polimer filmek viselkedésével kapcsolatban (ide sorolhatjuk például a protonálódást és a dimerizációs reakciókat). Már itthon dolgoztam ki a polielektrolit-viselkedés elméletét, amely a polimeren lévõ töltések mennyiségétõl és az érintkezõ elektrolitoldat koncentrációjától függõ duzzadási-zsugorodási folyamatot írja le. Ez a jelenség nagymértékben befolyásolhatja az elektrokémiai töltési folyamat sebességét mind a redoxi, mind a fémesen vezetõ polimerek esetében. A redoxi polimereknél az elektrontranszport elektroncsere-reakció (elektronátugrás) útján történik. Az elektronátugrás fémesen vezetõ polimerek esetében is meghatározhatja az eredõ ellenállás értékét, ugyanis a polimer láncok között az elektron csak ilyen mechanizmussal tud közlekedni.
– Ma milyen anyagokat vonnak be a vizsgálatokba?
– A nyolcvanas évek közepén kezdtem el polianilinnal, polipirollal és más vezetõkkel foglalkozni. Fõleg az elektrokémiai módszerekkel kombinált radioaktív nyomjelzés és mikrogravimetria segítségével sikerült e rendszerek esetén a kémiai-elektrokémiai mechanizmusokat és a kinetikát befolyásoló tényezõket meghatározni. A mikrogravimetriás mérésekhez egy piezoelektromos eszközt, elektrokémiai kvarckristály-mikromérleget fejlesztettünk ki (és szabadalmaztattunk 1996-ban), melynek segítségével – akár elektrolízis közben is – nanogrammnyi tömegváltozások is mérhetõk.
Nagy elismerés volt, amikor A.J. Bard professzor engem kért fel a téma összefoglaló munkájának megírására.* Most fejeztem be újabb monográfiámat, amely az elmúlt évszázad kiemelkedõ eredményeit összefoglaló tízkötetes Encyclopedia of Electrochemistry sorozatban jelenik meg a közeljövõben. A vezetõ polimerekbõl készült elektródok területén végzett alapvetõ munkámért kaptam meg az ELTE TTK Tudományos Díját 1991-ben és – a tudományos és oktatási kapcsolatok fejlesztése mellett – ez szerepelt a Doctor Honoris Causa cím indokolásában is, amellyel a kolozsvári Babes-Bolyai Egyetem tüntetett ki 2000-ben.
– Mennyire válthatók "aprópénzre" ezek az eredmények?
– Bár én inkább alapkutatással foglalkozom, beszélgetésünk során már említettem, hogy néha az alkalmazás területére is kirándultunk. Ez persze szándékos volt, azt hiszem, mindenkiben – még az elméleti fizikusban is – él a vágy, hogy felismeréseit gyakorlati formában hasznosítsa.
2000. október
*“Mechanism of charge transport in polymer modified electrodes”, Electroanalytical Chemistry, ed. A.J. Bard, Vol. 18., M. Dekker, New York, 1993.