Először sikerült szimulálni a kagylóhéjak keletkezését magyar kutatóknak. Ezzel egyben először modelleztek a tudósok ilyen bonyolult biológiai szerkezeteket, amellyel megnyílhat az út a még bonyolultabb biomineralizációs folyamatok megértéséhez.
A biomineralizációs folyamatok közé tartozik többek között a csontok, a fogak képződése, a vesekő, a koleszterin lerakódások kialakulása a véredények falán, vagy a kovamoszatok, kagylóhéjak, ill. a korall-vázak kialakulása is.
A tudomány számára nemcsak ezért fontos a biomineralizáció megértése, hanem azért is, mert ezen folyamat során olyan különlegesen ellenálló szerves-szervetlen kompozitok (két vagy több különböző kombinációból felépülő anyagok) jönnek létre, amelyek tulajdonságaikat a mikroszerkezetüknek köszönhetik. Ilyen kompozitokat létrehozva pedig számtalan lehetőség nyílik meg a tudomány az alkalmazások számára.
Bár a vizsgálatok még alapkutatási fázisban vannak, a megszerzett ismeretek megalapozhatják a magasan szervezett kompozit struktúrák létrehozásához szükséges alacsony hőmérsékletem működő, környezetbarát technológiák kidolgozását.
Ma már szinte természetesnek hat, hogy a tudás alapú anyagtervezésnek egyik alapja a számítógépes anyagtudomány: a fémek, polimerek, műanyagok, és különféle kompozitok megszilárdulása/kristályosdása során lezajló folyamatok elemzésével már eddig is hatékony módszereket dolgoztak ki a kutatók a komplex megszilárdulási folyamatok, ill. a mikroszerkezetek kialakulásának leírására. Ezen a területen, különösen hatékony modellnek bizonyult a fázismező elmélet egy speciális változata, amely alkalmasan választott rendparaméterekkel, ti. a szerkezeti változást követő fázismező és a lokális kristálytani orientációt jellemző orientációs mező kombinációjával fogja meg.
Míg a biomineralizációs szimulációkat magyar kutatók végezték, az összehasonlításhoz szükséges kísérleteket a német (és ESRF-es) kutatók végezték és dokumentálták.
A magyar és német kutatók a 2018. őszén megjelent rangos Advanced Materials folyóiratban publikálták azokat az eredményeiket, melyek látványos egyezést találtak a kagylóhéjak mikroszerkezete (elektronmikroszkópos mérésekkel, elektron-visszaszórási diffrakcióval (EBSD) és szinkrotronos röntgen mikrotomográfiával meghatározott) és annak képződését mutató (fázismező elméleti) szimulációk (1. ábra) között, tehát amelyek azt bizonyították, hogy sikerült szimulálniuk egy kagyló biomineralizációját.
1. ábra: Animáció, amely az orientációs mező időfüggésén keresztül az Unio pictorum édesvízi kagyló héja létrejöttének három fázisát mutatja be a fázismező-elmélet keretében (MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont): (1) a nukleációs folyamatok során véletlen orientációjú apró kristályokból álló réteg alakul ki, amelyet (2) az orientációsan rendezett oszlopos réteg képződése követ, majd (3) a lemezes gyöngyház réteg kialakulása figyelhető meg. Forrás: Schoeppler V., et al, Biomineralization as a Paradigm of Directional Solidification: A Physical Model for Molluscan Shell Ultrastructural Morphogenesis, First published: 21 September 2018, DOI: (10.1002/adma.201803855). Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Reproduced with permission.
A szimulált folyamat a valóságban:
2. ábra: Az Unio pictorum édesvízi kagyló héjának keresztmetszeti elektron-visszaszórási diffrakciós (EBSD) felvételei (Igor Zlotnyikov és csoportja, Drezdai Egyetem Molekuláris Biomérnöki Központ). Alul (a héj külső C rétegében) véletlen orientációjú finom kristályok láthatók, melyekből feljebb haladva (D–E) orientációs rendeződést mutató oszlopos szerkezet alakul ki, míg legbelül (F) lemezes szerkezetű gyöngyház jön létre. Forrás: Schoeppler V., et al., Biomineralization as a Paradigm of Directional Solidification: A Physical Model for Molluscan Shell Ultrastructural Morphogenesis, First published: 21 September 2018, DOI: (10.1002/adma.201803855). Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Reproduced with permission.
A kutatásban magyar részről Gránásy László Széchenyi-díjas kutató és Pusztai Tamás vett részt, akik az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont munkatársai. Gránásy László számítógépes anyagtudományi kutatócsoportja német kísérleti kutatókkal együttműködve (Igor Zlotnyikov csoportja, a Drezdai Egyetem, Molekuláris Biomérnöki Karán) 2018. január 1. óta azt vizsgálja, hogy az anyagtudományban a kristályos megszilárdulásra kidolgozott matematikai módszerek mennyire alkalmazhatók a biológiai megszilárdulási folyamatok modellezésére.
Az Advanced Materialsban megjelent munka az NKFIH Élvonal Kiválósági Programja támogatásával készült.
