Folyadékszerkezet

Stellhorn J. R., Paulus B., Klee B. D., Inui M., Taniguchi H., Sutou Y., Hosokawa S., Pilgrim W-c
Structural origins of the unusual thermal stability of amorphous Cu x Ge50-x Te50 (0=x=33.3)
JOURNAL OF PHYSICS-CONDENSED MATTER 35 : 30 Paper: 304004 , 7 p. (2023)

Stellhorn J.R., Hayakawa S., Klee B.D., Paulus B., Link Vasco J., Rinn N., Rojas León I., Hosier C.A., Dehnen S., Pilgrim W.-C.
Local Cluster Distortions in Amorphous Organotin Sulfide Compounds and Their Influence on the Nonlinear Optical Properties
ADVANCED OPTICAL MATERIALS 11 : 2 Paper: 202201932 , 6 p. (2023)

Yamada H., Ohara K., Hiroi S., Sakuda A., Ikeda K., Ohkubo T., Nakada K., Tsukasaki H., Nakajima H., Temleitner L., Pusztai L., Ariga S., Matsuo A., Ding J., Nakano T., Kimura T., Kobayashi R., Usuki T., Tahara S., Amezawa K., Tateyama Y., Mori S., Hayashi A.
Lithium Ion Transport Environment by Molecular Vibrations in Ion-Conducting Glasses
ENERGY AND ENVIRONMENTAL MATERIALS Paper: e12612 , 10 p. (2023)

A 2023 előtt megjelent cikkek az MTMT adatbázisban megtalálhatók.

 

Kutatási területek

Csoportunk rendezetlen rendszerek atomi szintű szerkezetvizsgálatával foglalkozik diffrakciós módszerek és számítógépes szimulációk alkalmazásával. Témáink:

Üvegek

Egyes folyadékok elegendően gyors hűtéssel nemkristályos szilárdállapotba hozhatók, azaz üveget lehet belőlük előállítani. Az üvegek családja rendkívül sokszínű: a névadó szilikátok mellett létezik üveg állapota bizonyos félvezetőknek és ötvözeteiknek (Se, Ge, Si-Se, Ge-Te...), sóknak (ZnCl₂), fémötvözeteknek (például Cu-Zr, Ni-Ti, Al-U...), fém-félfém ötvözeteknek (Fe-B, Pd-P, Au-Si...), oxidoknak (As₂O₃, P₂O₅, V₂O₅), sőt magának a víznek is. A „szerkezet” itt a rövidtávú rendet jelenti, vagyis elsősorban arra szeretnénk választ kapni, hogy a vizsgált rendszer atomjainak átlagosan hány szomszédja van, és ezek a szomszédok milyen messze találhatók. Mivel ötvözetekről van szó, fontos emellett a kémiai rend, azaz a szomszédok típusa is.

Kalkogén (S, Se és Te-alapú) üvegeket egyaránt alkalmaznak a DVD és PCRAM (phase change RAM) technológiákban, illetve az infravörös optikában. Míg az első területen a gyors és megfordítható üveg-kristályos átmenetet használják fel az információ tárolására, addig az infravörös optikai elemek (optikai szál, lencse, prizma) esetében kiemelkedő jelentőségű a túlhűtött folyadék fázis stabilitása, azaz a lassú kristályosodás. Mind gyakorlati, mind elméleti szempontból fontosak a Ge-Te üvegek, amelyekből harmadik összetevő hozzáadásával előállíthatók gyorsan (Ge-Sb-Te) és lassan (Ge-Ga-Te) kristályosodó ötvözetek is.

Folyadékok

Alkohol-víz rendszerek fontosságát mutatja, hogy az ipar különböző területein is széles körben alkalmazzák őket. Például az etilén glikol vizes oldatait fagyálló folyadékként, a glicerint pedig szappanokban vagy krémekben a víztartalom megőrzésére használják. Felhasználásuk változatossága nagyban köszönhető vizes oldataik molekuláris illetve atomi szintű szerkezetének. A hidroxil csoport helyzete a molekulán belül, valamint kölcsönhatásuk a vízzel a kialakuló hidrogénkötés rendszeren keresztül nagymértékben meghatározza a fellépő folyamatok természetét. Így e hidrogénkötés hálózat feltérképezése igen fontos feladat ezekben a rendszerekben. Mivel a létrejövő hidrogénkötések által alkotott klaszterek, láncok tulajdonságai erősen függenek a vizsgált oldat koncentrációjától, ezért a változásokat minden esetben az elérhető legszélesebb koncentrációskálán (amennyire az adott vegyület vízben való oldhatósága engedi) vizsgáljuk. Továbbá, a már említett széleskörű felhasználásuk is indokolttá tette vizsgálataink szélesebb hőmérséklet-tartományra való kiterjesztését is. A diffrakciós adatok és számítógépes (Monte Carlo és molekuladinamikai) szimulációk együttes alkalmazása elősegíti a lehető legrealisztikusabb modellek felállítását, amelyek lényeges szerkezeti megállapításokhoz vezethetnek.

Elektrolit oldatok életünk számos területén játszanak meghatározó szerepet (pl. élő sejtek, korrózió, tengervíz). A víz háromdimenziós hidrogénkötéses hálójában jelentős módosulások következnek be az ionokkal való kölcsönhatások során. Ezen hatások “erősíthetik” vagy “gyengíthetik” a hidrogénkötéseket. A kutatói társadalomban elfogadott kijelentések mögött a hidrogénkötéses hálók topológiájában, kooperatív tulajdonságaiban (pl. elektronfelhők kiterjedéséhez kapcsolódó tulajdonságok) történő változások rejlenek. Az ion-ion és ion-víz kölcsönhatások a különböző koncentráció-tartományokban más-más tulajdonságokkal bíró hidrogénkötéses szerkezeteket hoznak létre. Kísérleti (diffrakció) és szimulációs (MD és RMC) technikák együttes alkalmazásával vizsgálhatjuk a különböző tömény sóoldatok szerkezetét, az ionok hidrátburkát, kontakt és oldószer-szeparált ion párok fellépését, a hidrogénkötéses hálózat megváltozását az ionok típusának és koncentrációjának függvényében.

Molekuláris folyadékok, ahogy nevük is utal rá egyforma molekulákból álló rendszerek. Képviselőik közé sorolható a legegyszerűbb egy atomot tartalmazó folyékony argon, a többatomos kisebb molekulákat tartalmazó rendszerek, mint például az acetonitril, valamint a hosszabb szénláncú alkoholok is. A folyadékokat alkotó molekulák jellemzői és térbeli elhelyezkedésük jelentős mértékben meghatározhatja fizikai és kémiai tulajdonságaikat. Ezért elsődleges feladatunk a molekulák egymáshoz képesti orientációinak leírása, amit a molekulák mérete és szimmetriatulajdonságai nagyban befolyásolhatnak.

Rendezetlen kristályok

Mindennapi életünkben a tökéletes kristályokról az elemi cella térbeli ismétlődősével előállt periodikus szerkezet és a szabályosság jut eszünkbe. A valódi kristályokban -- mint például a gyógyszeriparban használt molekuláris kristályokban, akkumulátorokban vagy a hidrogén tárolására alkalmas anyagokban -- azonban előfordulhat, hogy az elemi cellában egy atom, vagy egy molekula választani kényszerül, hogy a több lehetséges pozíció, illetve orientáció közül melyiket vegye fel: választása szomszédos cellánként más és más lehet és függhet a szomszédos atomok/molekulák elrendeződésétől. Célunk e választási preferenciának az atomi környezettől való függésének felderítése a teljes diffrakciós szórási kép, valamint RMC és MD szimulációk alapján. Ezen eljárás eredményeként meghatározhatjuk például a hidrogén atomok kötési pozícióit nagy-entrópiájú fémötvözetekben, vagy az ion-vezetési csatornák szűk keresztmetszetét akkumulátorokban használt katódok alapanyagaiban.

Energia tárolására alkalmas eszközökben felhasznált/felhasználható anyagok mikroszkopikus szerkezetének meghatározása

Korunk egyik alapvető kihívása a megtermelt energia hatékony tárolása, például elektromos akkumulátorokban és hidrogéntároló eszközökben. Csoportunk ezen a területen kezdeményez új kutatási programot, melynek eredményeképpen a legfejlettebb technológiákban felhasznált anyagok atomi szintű szerkezetét fogjuk meghatározni. A szerkezetek lehetnek reális (azaz lokálisan kismértékben rendezetlen) kristályok, vagy akár nemkristályosak (üvegszerűek, avagy ’amorf’-ak). A szerkezeti információ birtokában meghatározhatjuk akkumulátor-anyagokban az ionos vezetés lehetséges útvonalait, vagy a tárolt hidrogén elhelyezkedését az erre alkalmas fémötvözetekben. Mindezzel egyrészt feltárjuk e modern eszközök működésének mikroszkopikus szerkezeti hátterét, másrészt pedig lehetőséget kínálunk még jobb eszközök tervezésére.
Az ELKH támogatásával indult téma. (Pályázati futamidő: 2021. szeptember 1. - 2023. augusztus 31. Pályázati támogatás összege: 39 MFt).

Eredményeink éves összefoglalói 2017-től a Research fül alatt találhatóak.  Korábbi évek esetén a Wigner évkönyvekből lehet tájékozódni.

 

A Reverse Monte Carlo Módszer

A Reverse Monte Carlo (RMC) eljárás célja a rendezetlen rendszerek (üvegek, folyadékok vagy akár rendezetlenséggel bíró kristályok) szerkezetének modellezése kísérleti adatok, illetve a rendszerről rendelkezésünkre álló fizikai-kémiai információ felhasználásával. Bár szinte mindig diffrakciós vagy EXAFS méréseket használnak, „kísérleti adat” bármi lehet, amit ki tudunk fejezni az atomi koordináták segítségével. A modellekbe beépíthető fizikai-kémiai információ szintén igen sokrétű: a sűrűség mellett megemlíthetjük az egyes elemek által preferált koordinációs számokat, kötéshosszakat, kötésszögeket vagy akár „direkt” szimulációs eljárásokkal (klasszikus vagy ab initio molekuláris dinamika, Monte Carlo) kapott parciális párkorrelációs függvényeket vagy szögeloszlásokat. A módszert Robert McGreevy és Pusztai László 1988-ban megjelent cikkükben (Mol. Sim. 1, 359-367, 1988) közölték.

Ezt az úttörőnek nevezhető cikket megjelenése óta több mint 1200 különböző publikációban idézték. A kezdeti RMCA szoftver az elmúlt több mint 30 évben számtalan új funkcióval bővült, így jelentősen bővült a módszerrel vizsgálható rendszerek száma is. Az RMC++ verzió többek között optimalizálta a diffrakciós és az EXAFS adatok együttes illesztését amorf rendszerekre. Az utolsó verzió, az RMC_POT a korábbiakhoz képest lehetővé teszi, molekuladinamikai szimulációkhoz hasonló módon, a molekulák potenciál (force field) alapú kezelését is. Az RMC forráskód kezdetektől nyílt és ingyenes volta számtalan, a csoportunkéval párhuzamos fejlesztési ágat is eredményezett. Az ily módon egyre bővülő RMC közösség összetartására, tapasztalatcseréjére és eredményeik megosztására kutatócsoportunk tradicionálisan immár több mint 20 éve háromévente Budapesten nemzetközi konferenciát szervez.

 

Válogatott közlemények

1.  Pethes, I.; Bakó, I.; Pusztai, L.
     Chloride ions as integral parts of hydrogen bonded networks in aqueous salt solutions:
     the appearance of solvent  separated anion pairs
     PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS 22, 11038 (2020) DOI

2.  Pethes, I.; Chahal, R.; Nazabal, V.; Prestipino, C.; Trapananti, A.; Michalik, S.; Jóvári, P.
     Chemical Short-Range Order in Selenide and Telluride Glasses
     JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY B 120, 9204 (2016) DOI

3.  Gereben, O.; Pusztai, L.
     Investigation of the structure of ethanol-water mixtures by molecular dynamics simulation I:
     Analyses concerning the hydrogen-bonded pairs
     JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY B 119,3070 (2015) DOI

4.  Pothoczki, Sz. ; Temleitner, L. ; Pusztai, L.
     Structure of Neat Liquids Consisting of (Perfect and Nearly) Tetrahedral Molecules
     CHEMICAL REVIEWS 115, 24, 13308-13361 (2015) DOI

5.  Jóvári, P.; Kaban, I.; Steiner, J; Beuneu, B.; Schöps, A.; Webb, A.
     Local order in amorphous Ge2Sb2Te5 and GeSb2Te4
     PHYSICAL REVIEW B 77, 035202 (2008) DOI

6. Gereben, O.; Jóvári, P.; Temleitner, L.; Pusztai, L.
    A new version of the RMC++ Reverse Monte Carlo programme, aimed at investigating the structure of covalent glasses
    JOURNAL OF OPTOELECTRONICS AND ADVANCED MATERIALS 9, 3021 (2007) DOI

A kutatócsoport teljes publikációs listája 2012-től, illetve 1998 és 2011 közötti időszakban az MTMT adatbázisában elérhető.

 

Együttműködések

• Institute of Materials Research, Slovak Academy of Sciences, 2003 -
  Téma: Fémüvegek atomi szintű szerkezetvizsgálata [1] [2]
• University of Ljubljana Faculty of Chemistry and Chemical Technology, Ljubljana, Szlovénia, 2008 -
  (2018-2.1.11-TÉT-SI-2018-0001, SNN 116198, TÉT_16-1-2016-0056, Szlovén-magyar TéT No. SI-18/07)
  Téma: Hidrogénkötéses folyadékok szerkezete (a tiszta víztől az alkohol-víz keverékekig) [1] [2] [3] [4] [5]
• Természettudományi Kutatóközpont, ELKH, Szerves Kémiai Intézet Budapest, Magyarország, 2017 -
  (K 124885)
  Téma: Hidrogénkötéses hálózatok vizsgálata vizes oldatokban [1] [2] [3] [4]
• Institut Charles Gerhardt Montpellier, Montpellier, Franciország, 2013
  Téma: Amorf tellúrötvözetek rövid távú rendje [1] [2] [3] [4] [5]
• Institut des Sciences Chimiques de Rennes, Rennes, Franciaország, 2009 -
  Téma: Rövid távú rend kalkogén üvegekben [1] [2] [3] [4] [5]
• Institute Laue Langevin, Grenoble, Franciaország 2015 -
  Téma: Hidrogéntartalmú folyadékok vizsgálata neutronok segítségével  [1] [2] [3]

 

Oktatási és tudományos ismeretterjesztési tevékenység

• Kutatódiák program 2020-2021-es tanév
• Kutatódiák tábor 2019, Kutatódiák tábor 2022
• Materials testing by modern neutron techniques [neutrf20em], Kötelezően választható tantárgy, ELTE TTK Anyagtudomány MSc szak, 2 óra/hét (Temleitner László, Pusztai László)
• Anyagtudomány szerkezetvizsgálati módszerei II [anyszerkv2k17em], Kötelező tantárgy, ELTE TTK Anyagtudomány MSc szak,Temleitner László vendégelőadóként: Structural investigation with neutron beams
• Neutron és szinkrotronsugárzás a kondenzált anyagok vizsgálatában, Választható tantárgy, BME TTK, 2óra/hét (Temleitner László, Pusztai László)
• Közreműködés az Intézeti Kutatók éjszakája rendezvényen: 2019-2023
• Temleitner László, Pusztai László, Pothoczki Szilvia: "Tetraéderes molekuláris folyadékok. Egyszerű anyagok, fejfájást okozó problémák", Természet Világa 147, 346 (2016, augusztus)

 

Pályázati eredményesség hazai OTKA pályázatokon

130425 »  Pusztai László: A nyomás és a hőmérséklet hatása alkohol-víz elegyek szerkezetére
                2018.12.01. - 2021.08.31. (Wigner FK, SZFI, Komplex Folyadékok Osztálya) 19.594 MFt
128656 »  Pothoczki Szilvia:  Hidroxilcsoportot tartalmazó vegyületek vizes oldatainak szerkezete
                2018.09.01. - 2023.08.31. (Wigner FK, SZFI, Komplex Folyadékok Osztálya) 13.686 MFt
116198 »  Pusztai László: Hidrogénkötéses folyadékok szerkezete és termodinamikája: a tiszta víztől az alkohol-víz keverékekig
                2016.01.01. - 2019.12.31. (Wigner FK, SZFI, Komplex Folyadékok Osztálya)  31.992 MFt
83529 »   Pusztai László: Komplex folyadékok szerkezetvizsgálata    
                2011.02.01. - 2015.12.31. (Wigner FK, SZFI, Komplex Folyadékok Osztálya) 15.206 MFt
91158 »   Pusztai László: Komplex folyadékok szerkezetvizsgálata
                2011.02.01-2015.01.31. (MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézet, Neutronfizikai Osztály) 3.615 MFt
64279 »   Pusztai László: Folyadék és amorf szerkezetű anyagok vizsgálata diffrakcióval és számítógépes modellezéssel
                2006.01.01. - 2008.12.31. (MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézet, Neutronfizikai Osztály) 4.016 MFt    
48580 »   Pusztai László: Folyadékok és amorf anyagok szerkezetvizsgálata diffrakcióval és számítógépes modellezéssel
                2005.01.01. - 2009.06.30.  (MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézet, Neutronfizikai Osztály) 13.65 MFt    

 

Kiválóság (Díjak, Ösztöndíjak)

2020: Némethné Pethes Ildikó – Nők a Tudományban Egyesület Kiválósági Díj
2020: Temleitner László – ELFT Gyulai Zoltán-díj
2019: Némethné Pethes Ildikó –  Wigner FK SZFI Publikációs Díj
2018-2021: Pothoczki Szilvia – Bolyai János Kutatási Ösztöndíj
2018-2021: Temleitner László – Bolyai János Kutatási Ösztöndíj
2016: Temleitner László – Wigner FK SZFI Publikációs Díj
2014: Pusztai László – ELFT Schmid Rezső-díj
2008-2011: Jóvári Pál – Bolyai János Kutatási Ösztöndíj

Kutatócsoportunk 7 alkalommal nyerte el a "Wigner-kutatócsoport" címet: 2013, 2014, 2017, 2019, 2021, 2022, 2023

 

A kutatócsoport tagjai

Benjamin Klee – PhD (2020)
Harsányi Ildikó - PhD (2006)
Jóvári Pál – az MTA doktora (2020)
Némethné Pethes Ildikó – PhD (2004)
Pothoczki Szilvia – PhD (2010)
Pusztai László – az MTA doktora (2000)
Soczó Bálint - BSc hallgató
Temleitner László – PhD (2007)
 

Korábbi tagok:

Csík Dávid – PhD hallgató
Száraz Dániel – ELTE TTK fizika, MSc hallgató

 

Utolsó frissítés: 2024.03.08.