AKI Kiváncsi Kémikus 2022

Választható témák rövid leírása

1. Tüzelőanyag cellák
Témavezetők: Szíjjártó Gábor, Asmaa Selim
Kutatócsoport: Megújuló Energia Kutatócsoport, Anyag- és Környezetkémiai Intézet

A megújuló energiaforrások felhasználásával kapcsolatos kutatások napjainkban egyre nagyobb hangsúlyt kapnak. Ezeknek egy fontos részterülete a tüzelőanyag-cellák fejlesztése, illetve, ennek előfeltételeként, az ehhez szükséges vizsgálatok elvégzése és az ebből nyert eredmények értelmezése és összehasonlítása. A tüzelőanyag-cellákkal kapcsolatos kutatásoknak számos iránya létezik, melyek közül a diákok a katalizátor és a membrán összetételének hatásával, illetve optimalizálásával ismerkedhetnek meg. A katód és anód oldali gázdiffúziós rétegek a rajtuk lévő katalizátorral, valamint az ezek között található protoncserélő membránnal együtt alkotják a membránelektród-együttest (MEA), amely a tüzelőanyag-cella legfontosabb része. Ennek segítségével válik lehetővé az elektromos áram termelése, mivel a cellában így a hidrogén oxidációja és az oxigén redukciója térben elválasztva játszódik le.
A kutatótáborban a tüzelőanyag-cellák általános felépítésén és működésén túl megismerhetjük a membránelektród-együttesek előállításának laboratóriumi léptékű módszereit és lépéseit. A kész MEA-kat a valós alkalmazási körülményeket minél jobban megközelítve, tüzelőanyagcella-teszterrel fogjuk vizsgálni. A diákok bepillantást nyerhetnek, hogy a különböző mérési paraméterek (T, p, relatív páratartalom) hogyan befolyásolják a polarizációs görbét, melynek segítségével a különböző MEÁk összehasonlíthatóak. A laboratóriumunkban található kísérleti tüzelőanyag-cella köteg segítségével lehetővé válik több MEA párhuzamos tesztelése, ami a valós körülmények még pontosabb modellezésén túl az adott idő alatt elvégezhető mérések számát is a sokszorosára növeli.

2.Kristályoktól a molekulákig, avagy a Röntgen-sugárzás, mint atomi vonalzó
Témavezetők: May Nóra, Holczbauer Tamás
Kutatócsoport: Kémiai Krisztallográfia Kutató Laboratórium, Szerkezetkutató Központ

Az optikai mikroszkóp nagyítását növelve egyre kisebb méretű tárgyakat vizsgálhatunk, de van egy elvi határ, mégpedig a fény hullámhossza. Ennél kisebb méretű tárgyakat optikai mikroszkóppal nem láthatunk. A molekulák mérete a néhány Ångström (10-10 méter) tartományba esik. A látható fény hullámhossza ehhez képest néhány 1000-szer nagyobb (10-710-6 méter). Ezért soha nem leszünk képesek olyan optikai mikroszkópot készíteni, amellyel a molekulákat láthatnánk. Célszerű megoldás az alkalmazott fény hullámhosszának a csökkentése. Ha körülbelül Ångström hullámhosszú fénysugarakat szeretnénk, akkor már a Röntgen-sugárzás tartományában vagyunk.
És valóban, Röntgen-sugárzás segítségével láthatóvá tehetők a molekulák. Ehhez már csak néhány technikai problémát kell megoldani. Először is a molekulákról érkező fényt fel kell erősíteni. Ehhez egy tökéletes kristályt használunk, melyben sok (kb. 1015 darab) molekula van pontosan ugyanolyan helyzetben. Azután meg kell oldanunk a molekulákról szóródott sugárzás képpé formálását. Mivel a Röntgen-sugárzást fókuszáló lencsét készíteni nem tudunk, ezt számítógépes programok segítségével tesszük meg. Mégpedig úgy, hogy a számítógép felépít egy modell kristályt, melyre szórási képet számol. A mért és az így számolt szórási képet a modell folyamatos javítgatásával igyekszünk egymáshoz közelíteni, míg a két kép eltérése néhány %-ra csökken. Ekkor kezünkben van a molekula pontos szerkezete.
Egykristály-diffraktométerrel 0,1-0,5 mm átmérőjű kristályok vizsgálhatók. Sokszor a munka legnehezebb része a megfelelő méretű és jó minőségű egykristály előállítása, a kristályosítás során ezért sokféle technikát alkalmazunk. A röntgendiffrakciós vizsgálatra megfelelő kristályokat optikai mikroszkóp segítségével választjuk ki.
A kutatótábor során megismerkedünk a kristálynövesztés technikáival, fortélyaival, az egykristály-diffrakcióval, mint nagyműszeres szerkezetvizsgáló módszerrel, valamint a mérés és a kiértékelés lépéseivel. Laboratóriumi munkára és egy kis elméleti kalandozásra is kész, a szerkezetkutatás iránt érdeklődő, alapvető számítógépes ismeretekkel rendelkező diákok jelentkezését várjuk.

3. Polimer gélek kémiája, kísérletek gumimacival és társaival
Témavezetők: Verebélyi Klára, Bajcsi Áron
Kutatócsoport: Polimerkémiai Kutatócsoport, Anyag- és Környezetkémiai Intézet

A minket körülvevő világ számos anyaga (például a gumimaci) óriásmolekulákból vagyis polimerekből épül.
A polimerek olyan óriásmolekulák, amelyeket kis szerves molekulák összekapcsolódásával állíthatunk elő. Ezek az anyagok az élet szinte minden területén jelen vannak, köszönhetően annak, hogy tulajdonságaik széles határok között változtathatók. A polimerek előállítása ugyanis extra lehetőségeket ad a vegyészek kezébe, mivel a kémiai minőség mellett változtathatjuk többek között a molekulatömeget vagy a láncok szerkezetét is.
A polimerek képesek 3 dimenziós szerkezeteket, úgynevezett térhálókat kialakítani.
A tábor során a résztvevők belekóstolhatnak a kémia ezen erőteljesen fejlődő, sokoldalú területébe, és kipróbálhatják annak a széles eszköztárnak elemeit, amely lehetővé teszi a jövő anyagainak megalkotását.
Elsősorban laboratóriumi munka iránt érdeklődő diákokat várunk.

4. Meszesedési rendellenességek vizsgálata egerekben
Témavezetők: Kozák Eszter, Pomozi Viola
Kutatócsoport: Gyógyszerrezisztencia Kutatócsoport, Enzimológiai Intézet

Kutatócsoportunkban lágyszöveti meszesedéssel járó betegségeket vizsgálunk egerek segítségével. Vannak olyan betegségek, amelyekben egy gén hibás működése miatt alakul ki mészlerakódás olyan helyeken is, ahol nem kéne (pl. érfal, szem), illetve vannak összetettebb betegségek, például cukorbetegség, ahol szintén kialakulhat a lágy szövetek kóros meszesedése. Laborunkban genetikai betegségeket és a cukorbetegséget is vizsgáljuk egér modelleket használva. A kutatótáborban ezekkel az egerekkel lehet majd megismerkedni, és olyan módszerekkel, amelyekkel a mészlerakódás kimutatható.

5. Az elemi kén felhasználása multikomponensű reakciókban változatos kéntartalmú vegyületek előállítására
Témavezetők: Németh András György, Szabó Renáta
Kutatócsoport: Gyógyszerkémiai Kutatócsoport, Szerves Kémiai Intézet

A modern szerves kémiai kutatások egyik meghatározó iránya az új, környezettudatosabb és biztonságosabb szintetikus eljárások kidolgozása. A multikomponensű reakciókban egyszerre több építőelem is reagál, így egy technológiai lépésben lehet összetett molekulákat előállítani. A multikomponensű stratégia a hagyományos kémiai reakciókhoz képest kevesebb erőforrást igényel és segítségével rövidebb és egyszerűbb úton állíthatók elő a kívánt szerkezetek. Az olcsó, ártalmatlan és könnyen elérhető elemi kén alkalmazásával pedig lehetőség nyílik kiváltani a mérgező és nehezen kezelhető kénező reagenseket.
A Természettudományi Kutatóközpont Gyógyszerkémiai Kutatócsoportjában, a kutatótábor során, a diákok megismerkedhetnek a környezettudatos kémia alapjaival és gyakorlati tapasztalatot szerezhetnek a korszerű szerves kémiai laboratóriumi munkában. A kutatómunka során elemi kén segítségével, többféle multikomponensű reakcióban új kéntartalmú vegyületeket építhetnek fel, melyek szerkezetét nagyteljesítményű folyadékkromatográfiás készülékhez kapcsolt tömegspektrométer (HPLC-MS) illetve mágneses magrezonancia spektroszkópia (NMR) segítségével azonosíthatják.

6.Biológiai eredetű, környezetbarát fázisváltó hőtároló anyagokat tartalmazó mikrokapszulák előállítása és vizsgálata
Témavezetők: Németh Bence László, Trif László
Kutatócsoport: Funkcionális Nanorészecskék Kutatócsoport, Anyag- és Környezetkémiai Intézet

A hagyományos építőanyagok, mint például a kő, tégla, vagy beton csak hőmérsékletük változása révén képesek az általuk felvett hőt tárolni, tömegük, fajhőjük és a megengedett hőmérséklet tartomány által korlátozott módon. Ezzel szemben azok az anyagok, melyek a kívánt hőmérséklet tartományban halmazállapotukat is megváltoztatják, egységnyi térfogatukra vonatkoztatva sokkal több hőt képesek tárolni, a fázisváltáshoz szükséges látens hő (olvadáshő/fagyáshő) felvételével vagy leadásával. A fázisváltó hőtároló anyagok (PCM) a rövidtávú hőingadozásokat hatékonyan képesek kiegyenlíteni, másrészt a napsugárzásból származó hő, a belső és külső környezet hőtartalmának hasznosításával jelentős mértékben csökkentik egy épület fűtésének vagy hűtésének külső forrásból fedezendő energiaszükségletét. Ezen túlmenően az energiafelhasználás időbeli eltolódása révén csökkentik az elektromos hálózatok csúcsterhelési időszakában jelentkező igényeket. A PCM-ek épületszerkezetekben, és hőszigetelő rendszerekben történő felhasználása nagymértékben növeli ezeknek a komponenseknek a termikus tömegét, így az építkezéshez felhasznált anyagok falvastagsága, térfogata és tömege igen jelentősen csökkenthető, anélkül, hogy azok termikus tulajdonságai és viselkedése, például hőmérsékletingadozást csökkentő hatása, hőtároló képessége romlanának. A kutatási munka célja fázisváltó hőtároló anyagot tartalmazó biológiai eredetű, biológiailag lebomló, azaz környezetbarát kalcium-alginát héjat és természetes eredetű PCM-et tartalmazó mikrokapszulák előállítása. A kókuszolaj egy olcsó, szobahőmérsékleten olvadó, és így az épületekben hőtárolásra használható PCM. Másik vizsgált anyagunk egy zsírsav-észter, ami alacsony hőmérsékelten (kb. 6,5 °C) olvad/fagy meg, így hűtést igénylő nagy értékű anyagok (pl. gyógyszerek) szállításánál lehet használni az energiatakarékosság jegyében. A hőtároló mikrokapszulák előállítása csepegtetés-keresztkötés módszerével történik. Azok méretét, morfológiáját különböző mikroszkópos technikákkal vizsgáljuk. A hőtároló képességet (hőkapacitást), termikus stabilitást, PCM tartalmat illetve kapszulabeli jelenlétet különböző analitikai vizsgálatokkal határozzuk meg.

7. A valóra vált „magic bullet”: antitest-konjugátumok a rákkutatásban
Témavezetők: Petri László, Szepesi Kovács Dénes
Kutatócsoport: Gyógyszerkémiai Kutatócsoport, Szerves Kémiai Intézet

Az emberi szervezet molekuláris szintű azonosítási folyamataiban kulcsszerepet játszó antitest fehérjék kémiai módosításával megvalósítható kismolekulák nagy pontosságú célbajuttatása a szervezet egészének felesleges terhelése nélkül. A kutatótábor során elvégezzük egy monoklonális antitest kémiai módosítását redukciós-rekonjugációs módszerrel. Ennek során az antitestet alkotó peptidláncok közé „ékeljük be” az általunk választott kismolekulát, amely lehet rákterápiás hatóanyag, vagy éppen fluoreszcens festékmolekula is, az alkalmazás céljától függően. Az így előállított antitest-konjugátum tisztítása és jellemzése során találkozunk biológiai és gyógyszerkémiai laboratóriumokban gyakran alkalmazott módszerekkel és eszközökkel, megismerkedünk az ultracentrifuga, a gélelektroforéziskészülék, a többfunkciós spektrofotométer és a nagypontosságú tömegspektrométer működésével és használatával. Végezetül fluoreszcens mikroszkóp alatt azt is megvizsgáljuk, hogy képes-e az általunk előállított antitest-konjugátum különbséget tenni az egészséges és rákos sejtek között.

8. A betegek eltérő gyógyszer-lebontásának genetikai okai
Témavezetők: Déri Máté, Fekete Ferenc, Mangó Katalin, Minus Annamária, Monostory Katalin
Kutatócsoport: Metabolikus Gyógyszerkölcsönhatások Kutatócsoport, Enzimológiai Intézet

A gyógyszeres terápia során jelentkező nem-kívánt mellékhatások egy része a gyógyszer-lebontás eltéréseiből, vagy megváltozásából fakad. A máj gyógyszer-lebontó képességét elsősorban a citokróm P450 (CYP) enzimek mennyisége és aktivitása határozza meg, amely nagyban befolyásolhatja egy adott gyógyszer hatékonyságát és esetleges toxicitását. A sejtekben lévő, aktuális CYP enzimszint genetikailag meghatározott. A diákok saját mintájukból meghatározzák azon csökkent működő képességű, vagy működésképtelen enzimet eredményező CYP polimorfizmus(oka)t, amelyek befolyásolhatják a gyógyszerlebontó képességet.

9. Gyógyszermolekulák kötődésének modellezése fehérjékben
Témavezető: Mihalovits Levente
Kutatócsoport: Gyógyszerkémiai Kutatócsoport, Szerves Kémiai Intézet

A munka során az érdeklődök betekintést kaphatnak a gyógyszerkutatás egyik érdekes területére, a gyógyszermolekulák kötődésének számítógépes modellezésébe. Ennek során molekuláris szinten láthatják miként hatnak kölcsön a gyógyszermolekulák az adott célpontjaikkal, milyen eszközökkel lehet ezeket a folyamatokat szimulálni és miképp lehetséges a kötődést energetikailag jellemezni. A kitűzött feladatokban különböző molekulák adott kötőhelyekre való beillesztését (dokkolás), a molekulák kötőhelyen való mozgásának vizsgálatát (molekuladinamika), molekulák tervezését és kötődési modell felépítését lehet elvégezni.

10.  Sejtmembrán-mimetikumok hatása antimikrobiális peptidek konformációjára
Témavezetők: Szigyártó Imola Csilla, Tasvilla Sonallya, Beke-Somfai Tamás
Kutatócsoport: Biomolekuláris Önrendeződés Kutatócsoport, Anyag- és Környezetkémiai Intézet

Az antibiotikum rezisztencia napjaink fenyegető problémája, mely ellen az antimikrobiális peptidek potenciális megoldást jelenthetnek. Előnyös tulajdonságuk, hogy évmilliók óta jelen vannak az élő szervezetekben, mind a növények, mind az állatok alkalmazzák veszélyes kórokozók ellen, az emberi szervezetben is az immunrendszer első vonalas védelmét alkotják, valamint lebomlásuk során nem terhelik a környezetet. Ismeretes azonban, hogy az antimikrobiális peptidek biológiai aktivitása szorosan összefügg a peptidsejtmembrán kölcsönhatással, illetve ez által a szerkezetükben végbemenő változásokkal.
Kutatómunka során különböző összetételű sejtmembrán modellek előállítása, spektroszkópiai és morfológiai jellemzése, valamint természetes és mesterséges eredetű peptidekkel való kölcsönhatásának vizsgálata a feladat.
Azon hallgatók jelentkezését várjuk, akik szívesen fejlesztik kézügyességüket (analitikai mérlegen való bemérés, automata pipetta használat, liposzóma előállítás, stb.), és érdeklődnek anyagvizsgálati módszerek iránt.

11.  Bevezetés a műszaki kerámiák világába
Témavezetők: Bódis Eszter és Klébert Szilvia
Kutatócsoport: Plazmakémiai Kutatócsoport, Anyag- és Környezetkémiai Intézet

A kerámia szó hallatán sokan az égetett agyagedényekre vagy porcelán tárgyakra gondolunk, pedig a kerámiáknak van egy bizonyos csoportja, amelyeket műszaki vagy szerkezeti kerámiáknak nevezünk. Ezek az anyagok fontos szerepet töltenek be az anyagtudományban, hiszen olyan kiemelkedő fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyekkel sok esetben a fémek és a műanyagok sem képesek versenybe szállni. Nem meglepő, hiszen a műszaki kerámiák rendkívül nagy kémiai stabilitásuk és magas olvadáspontjuk miatt olykor extrém körülményeket is képesek elviselni mind amellett, hogy nagy mechanikai terhelésnek is ellenállnak. Ezek tekintetében, számos ipari területen túl, pl. az űrkutatásban is fontos szerepet töltenek be.
Azonban bizonyos műszaki vagy szerkezeti kerámiák nem csak kiváló termikus és mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, de funkcionális szerepet is betöltenek, biokompatibilis tulajdonságaik miatt az orvostudomány területén is megfigyelhetjük őket pl. különböző fogászati és mozgásszervi implantátumokban.
A műszaki kerámia testek előállítása ún. porkohászati eljárással történik, amely hagyományos módon a kiindulási kerámia por formázásával, préselésével (tömörítés) és végül több órán át tartó hőkezelésével (szinterelésével) történik. Intézetünkben azonban a kerámia testek egy újszerű szinterelési eljárásával ismerkedhetnek meg a diákok, amely az országban egyedülálló módon csak nálunk található. Az ún. szikrakisüléses plazma szinterelő berendezés (spark plasma sintering, SPS) a kerámiák jóval korszerűbb és gyorsabb hőkezelését teszi lehetővé, mivel a fűtés a kerámia szemcsék között kialakuló elektromos kisülések (szikrák) által történik. Ezáltal egy tömbi kerámia test 1200-1600 °C-on történő hőkezelése csupán pár percre redukálódik a hagyományos technikákhoz képest.
A kutatótábor során a diákok megismerkedhetnek a műszaki kerámiák világával. Lehetőség nyílik számukra kerámia testek előállítására SPS berendezésben, illetve azt követően a kerámiák fizikai és kémiai tulajdonságainak jellemzésébe is betekintést nyerhetnek, így több, különböző szerkezetvizsgálati módszerrel (pl. pásztázó elektronmikroszkópia) is találkozhatnak.