Kutatás

Kémiai Intézet

Kutatási Kompetenciák

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.

Szén-dioxid Kutatócsoport

Számításos Kémia Kutatócsoport

Analitikai kutatócsoport

Nanoszerkezetű Anyagok Kutatócsoport

Szintetikus Kémiai kutatócsoport

Számítógépes Molekulatervezés Kutatócsoport

Molekuláris Diagnosztikai Kutatócsoport

Poliuretán kutatócsoport

Szén-dioxid Kutatócsoport, vezető: 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;

Számításos Kémia Kutatócsoport - Vezetője: Dr. Szőri Milán – egyetemi docens

Számszerűen mérhető kémiai sajátságok matematikai modellek segítségével számíthatók is, adódik a kézenfekvő kérdés, miért számítsunk mérhető mennyiségeket? A jelen kísérleti technológiákkal sok esetben limitált a mérési kapacitás vagy csak nehezen, drágán szerezhető mennyiségi információ. A számítások eredményének ismeretében a kísérlettervezés racionalizálható, a drága mérések száma optimálható és a kísérleti kockázatok csökkenthetők. Prediktív modellszámításokkal egyúttal a vizsgált kémiai folyamatokhoz szerkezeti információt vagy szerkezetváltozást kapcsolhatunk, amik sok esetben a kísérlet során rögzített jelekből nem ismerhetők meg. A Számításos Kémia Kutatócsoportban három doktorandusz munkatárssal együtt ilyen modellszámításokat végzünk. A számítások általános műszere a számítógép és az általános mérési eszközök programokban kódolt a kvantumkémiai és molekulaszimulációs modellek.

Az alábbi fő területre fókuszáljuk kutatásainkat:

Mechanizmuskutatás

Az egyik kutatási irányunk a molekulák nagy pontosságú termokémiai leírása kvantumkémiai modellek segítségével. A molekulák gázfázisú képződéshőjét, égéshőjét, hőkapacitását tudjuk a kémiai pontossággal (≤ 1 kcal/mol) becsülni, ezáltal pótoljuk a vegyipar eljárások tervezéséhez és üzemeltetéséhez használt termokémiai csoportadditivitási-értékek. Másrészt a belsőégésű motorok már használt, illetve jövőbeli potenciális bioüzemanyag-komponenseinek pontos termokémiai előrejelzését végezzük. Ezen molekulák pirolízis és oxidációs elemi lépéseinek számításos kémiai modellezésével, 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 molekulák közötti kölcsönhatásokra fókuszálunk, de végeztünk számításokat oldatszerkezetre vonatkozóan is. A klasszikus molekuladinamika szimuláció általánosan használható nem reaktív rendszerek esetében; például vizsgálunk karcinogén molekulák és a membrán kettősréteg közötti kölcsönhatásokat is.

Tématerületeink széles spektruma jól mutatja, hogy a kémiai számos területén szolgál értékes információval a számításos kémia.

Analitikai kutatócsoport, Vezetője: 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.

Nanoszerkezetű Anyagok Kutatócsoport, Vezetője: 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.

Szintetikus Kémiai kutatócsoport, Vezetője: 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.

Számítógépes Molekulatervezés Kutatócsoport, Vezetője: 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.

A csoport tagjai széles kutatási palettával rendelkeznek. Különböző projektek keretében, többek között új típusú anyagok tervezésével és szintézisével (különös tekintettel a környezetkímélő poliuretánokra, GINOP-2.3.4-15-2016-00004), űrkémiai folyamatokkal (NTP-NFTÖ-17-B-0352), katalitikus reakciókkal és kéntartalmú biomolekulák tulajdonságainak vizsgálatával (ÚNKP-17-4-I-ME/17) is foglalkoznak.

A kutatócsoport a Kémiai Intézet (ME, MAK) keretein belül 2017. nyarán alakult Guljas Andrea (vendéghallgató, University of Toronto), Dr. Rágyanszki Anita, Prof. Dr. Csizmadia G. Imre és Dr. Fiser Béla összefogásának gyümölcseként. Még a nyár folyamán csatlakozott, Min-Yen Lu MSc hallgató a kutatókhoz és bekapcsolódott a környezetbarát poliuretánok tervezésével kapcsolatos munkába. Min-Yen Lu ebben a témakörben írta TDK dolgozatát, amellyel első helyezést ért el a Miskolci Egyetem Műszaki Anyagtudományi Karának Tudományos Diákköri Konferenciáján és a szekciójának legjobb előadásáért járó díját is megkapta a “Molecular Design of Sugar-Based Polyurethanes” című témáért. Nemrég csatlakozott az SzMK-hoz Hudi Enikő MSc hallgató, aki nagy lelkesedéssel kezdett neki a munkának, és jelenleg kéntartalmú biomolekulák tulajdonságait és esetleges alkalmazhatóságukat vizsgálja poliuretánok szintézisében.

Molekuláris Diagnosztikai Kutatócsoport, Vezetője: 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.

Poliuretán kutatócsoport, Vezetője: Dr. Viskolcz Béla – egyetemi tanár

A távlati célunk olyan biodegradábilis poliuretán rendszerek tervezése és szintézise, amelyekhez már közvetlenül ismerjük vagy előállíthatjuk a biológiai lebontást elvégezni képes mikroorganizmusokat. Az alábbi séma foglalja össze a kutatócsoport hosszútávú terveit.

A poliuretán a diizocianátnak poliollal való kémiai reakciójából keletkező anyag. Amint megtörténik a reakció, egy biztonságos, és rendkívül sokoldalú anyag jön létre. Egy sor különböző tulajdonsága lehet (rugalmasság, hajlékonyság, merevség) az anyagkombináció kiválasztásától függően. A metilén-difenil-diizocianát (MDI) és a toluol-diizocianát (TDI), aromás diizocianátok a poliolokkal együtt, alkotják poliuretánok építőelemeit.

A több komponensen alapuló új műanyag alapanyagrendszerek tervezése a kiinduló anyagok kombinációinak száma közel végtelen, a késztermékek lehetséges számának szintén nincs elvi korlátja. (1.séma)

A polimer tervezés első lépése a monomer tervezés. A kombinatorikus kémia eszköztára a modern szintetikus kémiával karöltve, nagyszámú és nagy diverzitású reakciórendszereket tud kínálni az MDI és TDI alapanyagok helyettesítésére. A másik főkomponens a polialkoholok családja hasonló variabilitással rendelkezik. A sok esetben rákkeltőek így a későbbi bomlástermékeknél és újrahasznosíthatóságnál is figyelembe kell az élettani hatásokat. Az uretánképzési reakcióban a már ismert komponensekkel összevethető tulajdonságokkal rendelkező vegyület könyvtárak tervezése és szintetizálása a cél.

A modern uretánok tervezése és laboratóriumi szintézise után ipari méretekben teljesen automatizált (ipar 4.0) környezetben tudjuk a végső, akár azonnali hasznosításra alkalmas terméket előállítani. Az előállított termékek teljes tulajdonságspektrumát tudjuk mérni korszerű eszközökkel. A mechanikai, kémiai, biológiai tulajdonságok meghatározása mellett öregedési, és teljes lebontási kutatásokat is végzünk.