Horyzonty nauki

instytut chemii fizycznej pan

2


Instytut Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie powstał 19 marca 1955 roku jako jeden z pierwszych insty-tutów chemicznych Polskiej Akademii Nauk.

W najnowszym krajowym rankingu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego zajęliśmy w naszej grupie pierwsze miejsce. W rankingu SCImago Institutions Rankings (SIR) okazaliśmy się najlepsi w Polsce w prestiżowej klasyfikacji Q1, uwzględniającej liczbę publikacji w 25% najwyżej noto-wanych czasopism naukowych świata

Zatrudniamy ponad 170 pracowników naukowych, w tym ponad 40 profesorów i doktorów habilitowanych. Rocznie nasi naukowcy publikują blisko 200 oryginalnych prac ba-dawczych w czasopismach z listy filadelfijskiej, w tym w pe-riodykach z impact factorem ponad 5 („Science”, „Nature Chemistry”, „Angewandte Chemie Int. Ed.”, „Chemical Com-munications”, „Lab on Chip”, JACS itp.).

Nasz obecny profil naukowy jest silnie powiązany ze świa-towymi kierunkami rozwoju chemii fizycznej i fizyki chemicznej. Badania naukowe z użyciem najnowocześniejszej aparatury prowadzimy w dziewięciu zakładach, zajmujących się fizyko-chemią ciała stałego, powierzchni oraz płynów i miękkiej ma-terii, kwantową teorią ciała stałego i cząsteczek, katalizą na metalach, elektrochemią, korozją, procesami elektrodowymi, fotochemią, spektroskopią oraz układami złożonymi i che-micznym przetwarzaniem informacji. W 30 zespołach tema-tycznych realizujemy ponad 80 projektów badawczych. Zgła-szamy rocznie około 30 patentów, w tym międzynarodowe.

Działający w ramach naszego instytutu Zakład Doświad-czalny CHEMIPAN wdraża, produkuje i komercjalizuje spe-cjalistyczne związki chemiczne stosowane w farmacji, rolnic-twie i leśnictwie, m.in. substancje feromonowe pozwalające wpływać na populacje szkodników upraw.

NAsz INstytut

instytut chemii fizycznej pan instytut chemii fizycznej pan

3

Jako pierwszy instytut Polskiej Akademii Nauk objęliśmy udziały w firmie typu spin-off – jesteśmy współwłaścicielami Scope Fluidics, przedsiębiorstwa zajmującego się bada-niami naukowymi oraz projektowaniem urządzeń mikroprze-pływowych do celów medycznych i biotechnologicznych. Obecnie na terenie Instytutu działa także drugi spin-off: Curiosity Diagnostics.

Współpracujemy z ponad 40 uniwersytetami i instytucja-mi naukowymi z całego świata, uczestniczymy też w wielu krajowych i międzynarodowych projektach badawczych. Jednym z takich przedsięwzięć jest grant „Kwantowe nano-struktury półprzewodnikowe do zastosowań w biologii i me-dycynie” wartości ponad 73 mln zł. Zdobywamy prestiżowe granty Unii Europejskiej, m.in. NOBLESSE (jeden z najwięk-szych grantów przekazanych pojedynczej polskiej instytu-cji badawczej w ramach działania „Potencjał Badawczy” VII Programu Ramowego Unii Europejskiej) i microCODE (przyznany w ramach ERC Starting Grants).

W naukach chemicznych, w zakresie chemii fizycznej i teoretycznej, mamy uprawnienia do przyznawania tytułów akademickich doktora i doktora habilitowanego. Prowadzi-my międzynarodowe studia doktoranckie, w których uczest-niczy ponad 60 osób. Nasi profesorowie i doktorzy są zaan-gażowani w działalność edukacyjną i popularyzującą naukę, na wszystkich szczeblach edukacyjnych.

Organizujemy ogólnoświatowy konkurs „Dream Che-mistry Award” na najciekawszy naukowy projekt-marzenie z zakresu chemii i jej pogranicza z fizyką, biologią, medy-cyną lub inżynierią materiałową. Jesteśmy też inicjatorami i współorganizatorami prestiżowego krajowego konkursu „Złoty Medal Chemii”, adresowanego do studentów-autorów najlepszych w danym roku prac licencjackich.

W przyszłości nasza działalność będzie się koncentro-wała wokół chemii inspirowanej biologią, nanotechnologii związanej chemią oraz wdrożeń z wykorzystaniem spółek zaawansowanych technologii. n


4



5

O KSIążCETworzymy wiedzę, by zmieniać świat

– to motto Instytutu Chemii Fizycznej PAN. Traktujemy je poważnie i regularnie promujemy w mediach polskich i ogólnoświatowych swoje osiągnięcia naukowe, swoich naukowców i swoje dyscypliny nauki.

Przedstawione w niniejszej książce osiągnięcia naukowe to zaledwie część prac ba-dawczych realizowanych w naszym instytucie – ta, o której informacje prasowe w ostatnich trzech latach wzbudziły szczególne zainteresowanie mediów Polski i świata. W tym krótkim okresie doniesienia o sukcesach naukowych IChF PAN pojawiły się w samych serwisach internetowych co najmniej kilka tysięcy razy, nierzadko trafiając na główne strony WWW największych mediów polskich oraz czołowych serwisów naukowych i popularnonauko-wych świata, w tym tak poczytnych jak ScienceDaily.com. Przetłumaczono je na kilkanaście języków.

Tematy badawcze, zaprezentowane w książce, zostały przygotowane wyłącznie na pod-stawie opublikowanych przez nas informacji prasowych. Aby zwiększyć czytelność przeka-zu, podzieliliśmy je na cztery grupy. Pierwsza zawiera opisy naszych prac z zakresu badań postawowych. Druga dotyczy tak istotnych w chemii technik detekcyjnych. Trzecia grupu-je te osiągnięcia naukowe, które mają szczególnie dużą szansę na wdrożenia. Ostatnia, czwarta grupa przedstawia niektóre nasze działania związane z organizacją naszego insty-tutu i świata nauki.

Zrozumieć. Zobaczyć. Wykorzystać. Zorganizować.

Po to jesteśmy.


6


SPIS TREśCINAsz INstytut 2

O KSIążCE 5

...ZROZUMIEć! 9

Zaskakująco skomplikowana cząsteczka w kosmosie 10

Planety-olbrzymy pomogą badać powierzchnie materiałów 12

Lepkość w skali nano 14

Biologistyka: Jak szybko jeżdżą chemiczne pociągi w komórkach? 16

Polimery cytoszkieletu bakterii mają inną budowę niż sądzono 18

Kopia kopii nierówna – to statystyka różnicuje komórki 20

Nieoczekiwane zachowanie mikrokropel 22

Molekularny jeż może pomóc transportować leki 24

To milikelwiny napędzają parowanie kropel 26

Wodór w cząsteczkach – jednak tuneluje? 28

Odpychanie z przyciągania 30

Odkrywamy zasady wytwarzania uporządkowanych warstw polimerów 32

Molekularne silniki: Moc niespełnionych nadziei? 34

Znane katalizatory zachowują się inaczej niż sądzono 36

Nieoczekiwana rola szumu w formowaniu kręgosłupa 38

...ZOBACZyć! 41

światowe standardy metrologii powierzchni powstają u nas 42

Nowatorski czujnik wykryje skażenie melaminą 44

Polimer poluje na nikotynę 46

Rewolucyjne nanopodłoża do testów medycznych 48

Złote mikrokwiaty wzmocnią sygnały cząsteczek 50

Nanostruktury węglowe ułatwią wykrycie choroby Parkinsona 52

Wędrujące mikrokrople zbierają wirusy i bakterie 54

żele oszukują badaczy 56

Krok ku spersonalizowanej medycynie 58

Prawdziwa twarz elektrochemii i korozji 60

Elektrochemiczny krok ku lepszym magazynom wodoru 62


7

...WyKORZySTAć! 65

Mikrofluidyczny przełom w biotechnologiach 66

Kontrola nad łączeniem mikrokropel 68

Prosty przepis na usuwanie nanozanieczyszczeń 70

Separacja tysiąc razy szybciej 72

Słońce i fotokatalizatory oczyszczą brudną wodę 74

Sztuczna biel staje się przyjazna dla wzroku 76

Grafen? Z każdego laboratorium! 78

Czerwone światło z węglowych nanorurek 80

Niezwykłe struktury ciekłokrystaliczne na powierzchni wody 82

Samoorganizacja i zasolenie wytwarzają cienkie warstwy nanocząstek 84

Nanoobiekty węglowe ułatwią budowę nowych źródeł prądu 86

Trójwymiarowa chemia przez ucieranie ciał stałych 88

Feromony pomogą chronić lasy bukowe 90

Sztuka wzmacniania, czyli 10 terawatów na biurku 92

Biobaterie łapią oddech 94

Nowy katalizator umożliwi komercjalizację rewolucyjnych ogniw paliwowych 96

...ZORGANIZOWAć! 99

Nowoczesne techniki analizy powierzchni na Mazowszu 100

IChF PAN liderem jakości polskiej nauki 101

Zielona chemia rozgości się na Mazowszu 102

Nowoczesne laboratorium do badań nad mikroprzepływami 104

Termodynamika naprawdę od podstaw 105

Dream Chemistry Award 106

Złoty Medal Chemii 2012 107

Gościliśmy naukowców-chemików z Uniwersytetu w Cambridge 108

Pierwszy instytut PAN w spółce spin-off 109

Chemiczne obchody dla wszystkich 110

Nasi popularyzatorzy w Gruzji 111

Europejska Noc Badaczy 112

...ZROZUMIEć!Poznawanie bogactwa natury jest procesem czasochłonnym,

wymagającym dziś coraz bardziej wyrafinowanej aparatury i coraz większych zespołów naukowych. W konsekwencji

rośnie znaczenie badań teoretycznych. Pomagają one nie tylko optymalizować metody badawcze, ale także wytyczają nowe

kierunki poszukiwań i wskazują przyszłe zastosowania.

9

10

instytut chemii fizycznej pan ...zrozumieć!

ZASKAKUJąCO SKOMPLIKOWANA CZąSTECZKA W KOSMOSIEPrzezroczyste obłoki materii międzygwiazdowej są pene-trowane przez wysokoenergetyczne promieniowanie ultra-fioletowe i kosmiczne, zdolne rozbić każdą napotkaną czą-steczkę chemiczną. Jednak grupie naukowców, której trzon stanowią polscy astrofizycy i astrochemicy, w tym z naszego instytutu, udało się zaobserwować w takich obłokach czą-steczkę zbudowaną z niespodziewanie dużej liczby atomów: kation dwuacetylenu. Jego znalezienie w gazowo-pyłowych obłokach o małej gęstości może przyczynić się do rozwikła-nia najstarszej nierozwiązanej zagadki spektroskopii.

Badania z użyciem 8-metrowego teleskopu w Para-nal Observatory w Chile przeprowadził zespół naukowców

z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika (UMK) w Toruniu, Euro-pejskiego Obserwatorium Południowego (ESO), Uniwersy-tetu w Seulu oraz naszego instytutu. Grupą kieruje prof. dr hab. Jacek Krełowski z Centrum Astronomii UMK.

Gęstość przezroczystych obłoków międzygwiazdowych jest ekstremalnie mała. „Rozcieńczenie materii w takich obłokach odpowiada gęstości otrzymanej w wyniku roz-prowadzenia jednej szklanki powietrza w pustym sześcia-nie o podstawie mającej powierzchnię małego kraju. To znacznie mniej od najlepszej próżni wytwarzanej w labora-toriach”, wyjaśnia jeden ze współodkrywców, prof. dr hab. Robert Kołos z Zespołu Astrochemii Laboratoryjnej naszego

Ý W przezroczystych obłokach materii międzygwiazdowej wykryto kation dwuacetylenu, cząsteczkę zbudowaną z dwóch atomów wodoru i czterech węgla. (Źródło: IChF PAN, NASA & C.R. O’Dell/Vanderbilt University)


11

...zrozumieć!

instytutu. Obłoki międzygwiazdowe mają jednak ogromne rozmiary, sięgające nawet kilkudziesięciu lat świetlnych, dla-tego znajdujące się w nich cząsteczki mają szansę oddziały-wać z penetrującym obłok promieniowaniem elektromagne-tycznym.

Cząsteczki pochłaniają i emitują fotony wyłącznie o okre-ślonych energiach (a zatem i długościach fal), odpowia-dających różnicom między poziomami energetycznymi charakterystycznymi dla danej cząsteczki. Zatem wskutek oddziaływania z rozrzedzonymi gazami w przezroczystych obłokach, powszechnymi w naszej i innych galaktykach, światło gwiazd dociera do Ziemi nieco zmienione. Brakuje w nim fal o pewnych długościach – tych, które zostały zaab-sorbowane przez atomy i cząsteczki chemiczne znajdujące się po drodze.

W latach 20. ubiegłego wieku astrofizycy zaobserwowali, że światło jest pochłaniane przez ośrodek międzygwiazdowy w sposób, którego nie udało się wyjaśnić obecnością wów-czas znanych, bardzo prostych składników gazu między-gwiazdowego. Dzisiaj za pomocą fal radiowych wykrywa się cząsteczki dość duże – rekordzistą jest liczący 13 atomów cyjanopoliacetylen HC11N – ale rodzą się one wewnątrz gęstych, nieprzezroczystych obłoków, gdzie są chronione przed niszczącym promieniowaniem.

Osobliwe właściwości optyczne obłoków przezroczy-stych, związane z obecnością tzw. rozmytych linii absorpcji międzygwiazdowej DIB, czyli Diffuse Interstellar Bands, po-zostają tajemnicą od prawie 90 lat. Zyskały nawet miano naj-starszej nierozwiązanej zagadki spektroskopii. Obecne od-krycie pozwoliło dodać do zbioru DIB nową linię i zarazem zidentyfikować ją jako pochodzącą od kationu dwuacetylenu H-CC-CC-H+.

„Dwuacetylen jest cząsteczką nieoczekiwanie dużą jak na przezroczyste obłoki międzygwiazdowe. Dotychczas znajdowano tam połączenia co najwyżej trzech atomów: wę-gla C3 i wodoru H3

+. Aby wyjaśnić obecność kationu dwu-acetylenu, będziemy musieli zweryfikować obecne modele astrochemiczne”, zauważa prof. Kołos.

Cząsteczki o budowie niesymetrycznej – takiej jak wspo-mniany cyjanopoliacetylen: liniowy ciąg atomów węgla zakoń-czony z jednej strony wodorem, z drugiej azotem – są zdolne do emitowania lub pochłaniania fal radiowych. Kation dwu-acetylenu pozostawał długo nieuchwytny, ponieważ jest sy-metryczny, a zatem niewidzialny dla radioteleskopów. Obecne obserwacje optyczne sugerują jednak, że jest to dość pospo-lity składnik ośrodka międzygwiazdowego. Widać go nie tylko w dwóch obszarach Galaktyki znanych ze szczególnie dużej zawartości węgla, lecz ujawnił się także po uśrednieniu da-nych z kilkunastu innych kierunków obserwacji.

Dzięki detekcji kationu dwuacetylenu można przypusz-czać, że wśród rozmytych linii międzygwiazdowych są i inne pochodzące od podobnych, symetrycznych cząsteczek. Wydaje się więc prawdopodobne, że zagadka DIB zostanie wkrótce w istotnej części wyjaśniona. n

KONTAKT:

prof. dr hab. Robert Kołos

tel. +48 22 3433218email: [email protected]

Ý Gęstość materii w międzygwiazdowych obłokach molekularnych jest mniejsza niż w najlepszej próżni wytwarzanej w warunkach laboratoryjnych. (Źródło: NASA, ESA, INAF-IASF, University of Virginia)

12


PLANETy-OLBRZyMy POMOGą BADAć POWIERZCHNIE MATERIAłóWDo najjaśniejszych obiektów nocnego nieba należą gazo-we olbrzymy Układu Słonecznego: Jowisz i Saturn. Widzimy je, ponieważ światło naszej gwiazdy oddziałuje z ich gęsty-mi atmosferami. Matematyczny opis tego, co dzieje się ze światłem w atmosferze gazowej planety, wyprowadził w 1950 roku Subramanyan Chandrasekhar, słynny indyjski astrofi-zyk i matematyk. W liczącym dwieście stron wyprowadzeniu pojawiła się pewna skomplikowana funkcja, która obecnie znajduje zastosowanie m.in. przy badaniu fizycznych i che-micznych własności powierzchni materiałów.

Wyznaczanie bardzo dokładnych wartości funkcji Chan-drasekhara nadal jest wyzwaniem. W naszym instytucie udało się znaleźć metodę obliczania wartości tej funkcji z dokładnością do kilkunastu miejsc po przecinku. Nowy algorytm, łączący różne metody obliczeniowe, jest przy tym znacznie szybszy od dotychczasowych.

Gdy światło wpada w atmosferę gazowej planety, roz-prasza się w niej na różne sposoby (elastycznie i nieela-stycznie). Dodatkowo fale świetlne o pewnych długościach są selektywnie pochłanianie przez pierwiastki i związki che-miczne zawarte w atmosferze.

„Zwykle wydaje się nam, że światło gwiazdy po prostu odbija się od planety jak od lustra. To nie jest prawda. W at-mosferze planety dochodzi do wielu zjawisk związanych

z transportem promieniowania”, mówi prof. dr hab. Aleksan-der Jabłoński.

Prawa fizyczne związane z oddziaływaniem światła z at-mosferą gazowego olbrzyma można wykorzystać także do opisu emisji elektronów wskutek oświetlania próbek materia-łów wiązką promieniowania rentgenowskiego. Fotoelektrony o określonej energii, opuszczające powierzchnię próbki, są emitowane jedynie z obszaru kilku warstw atomowych. Elek-trony emitowane głębiej tracą energię wskutek oddziaływań z atomami ciała stałego. Analiza energii i intensywności sy-gnału fotoelektronów pozwala oceniać własności powierzch-ni badanego materiału.

„Za pomocą powierzchniowo czułych metod spektro-skopowych możemy określać cechy najbardziej zewnętrz-nych warstw materiałów, ich skład czy też stan chemiczny. Ta wiedza jest szczególnie ważna w inżynierii materiałowej, mikroelektronice i różnych nanotechnologiach, a także w tak istotnych procesach jak kataliza czy wszechobecna koro-zja”, wyjaśnia prof. Jabłoński.

Prof. Jabłoński od lat przygotowuje bazy danych dla amerykańskiego Narodowego Instytutu Technologii i Stan-dardyzacji (National Institute of Standards and Technology, NIST). Zawierają one pewne parametry niezbędne w oblicze-niach związanych z badaniem własności spektroskopowych powierzchni. Jedna z tych baz była w całości wyznaczona z użyciem matematyki zbliżonej do formalizmu pierwotnie zaproponowanego przez Chandrasekhara do opisu zjawisk astronomicznych.

Obliczenia potrzebne do opracowania wyników badań spektroskopowych powierzchni wymagają wielokrotnego wyznaczania wartości funkcji Chandrasekhara z możliwie dużą dokładnością. Problem tkwi w tym, że choć funk-cja Chandrasekhara opisuje stosunkowo proste zjawisko fizyczne, sama jest dość skomplikowanym wyrażeniem matematycznym. Istnieje wiele metod obliczania wartości tej funkcji z niezbyt dużą dokładnością, zbliżoną do 1-2%. W niektórych zastosowaniach związanych z transportem

Û Oddziaływanie światła z atmosferą planety nie jest tak proste jak odbicie od lustra. W atmosferze dochodzi do wielu zjawisk związanych z transportem energii. (Źródło: IChF PAN/jch)


13

...zrozumieć!

KONTAKT:

prof. dr hab. Aleksander Jabłoński


elektronu w powierzchniowych warstwach materiałów po-jawia się jednak konieczność wyznaczania wartości funkcji Chandrasekhara z precyzją nawet do 11-15 miejsc po prze-cinku.

„W ostatnich latach udało mi się opracować algorytm, który pozwala otrzymać tak dużą dokładność, a przy tym działa nawet kilkadziesiąt razy szybciej od dotychczaso-wych”, mówi prof. Jabłoński. Wzrost szybkości wykonywa-nia algorytmu jest równie ważny jak wzrost dokładności. Związane jest to z faktem, że w programach modelujących transport elektronów na powierzchni materiału funkcję Chandrasekhara trzeba liczyć tysiące, a nawet dziesiątki ty-sięcy razy.

Kod programu realizującego nowy algorytm wyznacza-nia wartości funkcji Chandrasekhara został udostępniony w czasopiśmie „Computer Physics Communications”.

Warto podkreślić, że funkcja Chandrasekhara odgry-wa ważną rolę nie tylko w astronomii czy fizykochemii po-wierzchni. Znalazła zastosowanie także w energetyce jądro-wej, gdzie używa się jej m.in. do analizowania rozpraszania neutronów w osłonach reaktorów atomowych. n

Ý Do opisu zjawisk zachodzących podczas spektroskopowych badań powierzchni materiałów używa się funkcji znalezionej przez S. Chandrasekhara przy analizie oddziaływania światła z atmosferami planet – gazowych olbrzymów. Po lewej Saturn z przechodzącym na jego tle Tytanem, zdjęcie z misji Cassini. Po prawej zdjęcie powierzchni węgla aktywowanego NORIT ze skaningowego mikroskopu elektronowego FEI Nova NanoSEM 450 (pow. 5000x, kolory sztuczne). (Źródło: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute, IChF PAN)

14


Dlaczego w jądrze komórkowym zachodzą procesy biolo-giczne? Jest ono tak zatłoczone przez makrocząsteczki, tak lepkie, że białka powinny poruszać się w nim niezwykle wol-no. W takich warunkach tempo łączenia się białek w kom-pleksy oraz przyłączanie się cząsteczek do łańcuchów DNA nie mogą być efektywne.

„Wiemy jednak, że białka w żywych komórkach porusza-ją się kilkaset tysięcy razy szybciej niż powinny. Udało nam się odkryć, dlaczego”, mówi prof. dr hab. Robert Hołyst.

Ludzie nie dysponują zmysłami pozwalającymi dobrze identyfikować zmiany lepkości. Lepkość oleju rzepakowe-go wydaje się nam stosunkowo podobna do lepkości wody, choć ta ostatnia jest aż 400 razy mniejsza. W rezultacie czę-sto mylimy lepkość z gęstością. Na przykład szampon skła-da się w 95% z wody i ma zbliżoną do niej gęstość, mimo to z powodu dużej lepkości rozlewa się na dłoni powoli. Lepki, nie gęsty, jest także miód.

W fizyce lepkość pojawia się jako parametr w odkrytych w XIX wieku równaniach Naviera-Stokesa. Opisują one po-prawnie przepływ rzek czy strug powietrza wzdłuż skrzydeł samolotu. Zgodnie z tym opisem, lepkość nie zależy od skali i powinna działać tak samo zarówno w przypadku lecącego samolotu, jak i cząsteczki białka poruszającej się wewnątrz jądra komórkowego. Pomiary mówią jednak coś innego.

Już w latach 50. ubiegłego wieku prowadzone na ultra-wirówkach eksperymenty, dotyczące sedymentacji drobnych

cząstek przy dużych przeciążeniach, ujawniły zaskakujący fakt. Okazało się, że obiekty kilka miliardów razy mniejsze mogą odczuwać lepkość dziesiątki, a nawet setki tysię-cy razy mniejszą od obiektu makroskopowego. Na pytanie o przyczynę tak dramatycznej zmiany lepkości długo nie po-trafiono znaleźć odpowiedzi.

Lepkość badał już Newton, mimo to do dziś pozostaje ona zagadkową własnością przyrody. Rozumiemy jej pocho-dzenie w gazach: gdy dwie warstwy gazu przesuwają się względem siebie, cząsteczka może przeskoczyć z warstwy do warstwy, dochodzi do zderzeń i spowolnienia ruchu. Ale gdy gaz robi się gęsty i staje się cieczą, nagle pojawiają się oddziaływania między cząsteczkami i trudno wskazać zjawi-ska bezpośrednio odpowiedzialne za powstanie lepkości. W rezultacie naukowcy wciąż są na etapie badania lepkości w najprostszych płynach rzeczywistych, zbudowanych z ato-mów argonu lub innych gazów szlachetnych.

Grupa naukowców pod kierunkiem prof. Hołysta wyka-zała niedawno, że w każdym układzie hydrodynamicznym istnieje fundamentalna skala długości, przy której następu-je przejście od makrolepkości do nanolepkości. Wielkość tej skali zależy od rozmiarów obiektów obecnych w płynie: w przypadku polimerów będzie to rozmiar kłębka polimero-wego, w zawiesinie wirusów długość pałeczki wirusa.

„Jeśli cząsteczka polimeru ma rozmiar 10 nanometrów, wtedy każdy obiekt od niej większy, zanurzony w polimerze,

LEPKOść W SKALI NANO


15

...zrozumieć!

będzie odczuwał lepkość makroskopową, a każdy mniejszy – nano”, wyjaśnia prof. Hołyst.

Szczególnie ciekawy jest fakt, że zmiany lepkości mają charakter eksponencjalny i w okolicy fundamentalnej skali długości są bardzo gwałtowne. Zmniejszenie rozmiaru pły-nącego obiektu o 10 nanometrów może się wówczas wią-zać ze zmianą lepkości aż o 5-6 rzędów wielkości. Odkrycie naszych naukowców oznacza, że dotychczasowe równania hydrodynamiczne, w których parametr lepkości jest stały, trzeba będzie w przyszłości przeformułować.

Pomiary w ramach projektu badawczego przeprowadzo-no z użyciem najnowszych metod i przyrządów, takich jak mikroskop konfokalny z korelacją fluorescencji FCS (Flu-orescence Correlation Spectroscopy). Ta młoda technika badawcza pozwala śledzić w ognisku lasera zachowanie pojedynczych cząsteczek białek w płynach o objętości mi-krometrów sześciennych. Eksperymenty prowadzono przez pięć lat; przez dwa lata były one sponsorowane m.in. przez brytyjski koncern Unilever, zainteresowany wykorzystaniem wyników przy projektowaniu nowych szamponów i odżywek.

Z punktu widzenia naukowego badania nad nanolepko-ścią mają znaczenie fudamentalne. Ponieważ wpływa ona na tempo dyfuzji, limituje szybkość zachodzenia reakcji bio-chemicznych wewnątrz żywych komórek.

„Nie przypadkiem białka w komórce, zazwyczaj niewiel-kie, tworzą kompleksy dopiero w okolicach miejsca mającej zajść reakcji biochemicznej. Jest to konieczne, ponieważ duży kompleks przemieszczałby się milion razy wolniej niż każde z białek osobno”, wyjaśnia prof. Hołyst.

Naukowcy mają nadzieję, że ich odkrycie znajdzie zasto-sowanie w przemyśle, gdzie lepkość odgrywa kluczową rolę w wielu reakcjach biotechnologicznych. Z wyników z pewno-ścią skorzystają producenci szamponów i środków kosme-tycznych. Nowa zasada fizyczna będzie miała również istot-ne znaczenie podczas konstruowaniu nanourządzeń.

„Nauka wciąż słabo rozumie zjawiska zachodzące w tak małych skalach. Jeśli jednak chcemy budować nanomaszy-ny, wypadałoby, abyśmy jak najlepiej poznali zjawiska typo-we dla świata, w którym mają one działać”, podsumowuje prof. Hołyst. n

KONTAKT:

prof. dr hab. Robert Hołyst


Ý Dr Natalia Ziębacz bada ruch nanoobiektów za pomocą dynamicznego rozpraszania światła. (Źródło: IChF PAN/Grzegorz Krzyżewski)

16


Dr Tomasz Kalwarczyk próbuje dostarczyć informację w zatłoczonym środowisku. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

BIOLOGISTyKA: JAK SZyBKO JEżDżą CHEMICZNE POCIąGI W KOMóRKACH?Nie można zrozumieć chemicznych podstaw życia nie wie-dząc, z jaką szybkością zachodzą reakcje chemiczne w ko-mórkach. Tempo tych reakcji zależy od prędkości, z który-mi cząsteczki uczestniczące w reakcji przemieszczają się (dyfundują) w cytoplazmie. W zespole prof. dr. hab. Roberta Hołysta udało się ustalić – po raz pierwszy – współczynniki dyfuzji dla praktycznie wszystkich białek występujących we wnętrzach bakterii Escherichia coli. Opracowaną metodę można zastosować także do innych komórek.

Ruch cząsteczek chemicznych w komórkach trochę przy-pomina to, co dzieje się na dworcach kolejowych. Ale już na

pierwszy rzut oka widać różnice. „Zwykłe pociągi odjeżdżają o ustalonych godzinach, podczas gdy w komórkach trans-port odbywa się praktycznie cały czas. Dlatego na ogół nie ma sensu pytać, o której odjeżdża pociąg z cząsteczkami danego typu. Za to z całą pewnością jest sens pytać, jak szybko jedzie skład z określoną substancją!”, wyjaśnia prof. Hołyst.

Efektywność transportu związków chemicznych w ko-mórkach stała się inspiracją dla wielu firm transportowych. Mówi się o biologistyce: modelowaniu transportu samo-chodowego czy kolejowego na wzór tego, co się dzieje we


17

...zrozumieć!

KONTAKT:

dr Tomasz Kalwarczyk


ÛSkonstruowana w naszym instytucie baza danych zawiera współczynniki dyfuzji wszystkich białek w komórkach bakterii Escherichia coli. (Źródło: IChF PAN)

wnętrzach komórek. Jednak prof. Hołyst nie pozostawia złu-dzeń: „Wszyscy są zachwyceni, bo w komórkach transport jest tak cudownie odporny na zaburzenia. Zapominają, że bierze się on tam właśnie z owych przypadkowych fluktuacji, do tego zachodzących w małej objętości, gdzie mamy do czynienia z lepkością zależącą nie tylko od środowiska, ale także od rozmiarów próbnika! życzę powodzenia tym, którzy procesy zachodzące w tak fizycznie odmiennym środowisku chcą przenosić na nasze drogi. Biologistyka działa świetnie, ale tylko we wnętrzach komórek!”.

Badania w naszym instytucie, przeprowadzone dzięki grantom Narodowego Centrum Nauki, Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz programom Fundacji na rzecz Nauki Polskiej i opublikowane w czasopiśmie „Bioinforma-tics”, koncentrowały się wokół tempa dyfuzji cząsteczek bia-łek w cytoplazmie bakterii Escherichia coli.

„Lepkość wewnątrz komórek ssaków jest stosunkowo nieduża, zaledwie 60 razy większa niż wody. Ale bakterie są znacznie mniejsze, wszystko jest bardziej zatłoczone. Lep-kość makroskopowa jest tam nawet 26 tys. razy większa niż wody. To dramatyczna różnica!”, stwierdza dr Tomasz Kal-warczyk.

Wcześniejsze badania zespołu prof. Hołysta pozwoliły stwierdzić, że lepkość odczuwana przez cząsteczki zależy nie tylko od środowiska, czyli rozpuszczalnika, ale również od rozmiaru i kształtu cząsteczek. Zatem w tym samym środowisku, np. we wnętrzach komórek jednego typu, czą-steczki różniące się kształtem i rozmiarami mogą odczuwać bardzo małą lepkość (nanolepkość) lub ogromną, nawet kilka tysięcy razy większą lepkość makroskopową. Dotych-czasowe metody przewidywania wartości współczynników dyfuzji białek w cytoplazmie nie uwzględniały tego efektu.

Doświadczalne określenie tempa dyfuzji związków che-micznych w komórkach bakteryjnych jest i czasochłonne,

i trudne. W efekcie na świecie zmierzono współczynniki dy-fuzji tylko dla nielicznych związków w komórkach niektórych bakterii. Z tego powodu nasi naukowcy stworzyli metodę przewidywania wartości współczynników dyfuzji dla różnych substancji i środowisk. W tym celu wykorzystali własne wzo-ry, uwzględniające występowanie nano- i makrolepkości, oraz zebrali kilkadziesiąt znanych z literatury wartości współ-czynników dyfuzji makrocząsteczek w bakteriach Escheri-chia coli. Na tej podstawie skonstruowano krzywą referen-cyjną, z której można było odczytać współczynniki dyfuzji pozostałych związków.

Baza danych skonstruowana w naszym instytucie zawie-ra współczynniki dyfuzji dla wszystkich znanych białek wy-stępujących w bakteriach Escherichia coli. To ponad 6000 makrocząsteczek, na które składa się ok. 4300 kodowanych przez geny łańcuchów aminokwasów oraz ich różne, często wielokrotne połączenia (polimery), tworzone przez te same łańcuchy (homomery), jak i różne aminokwasy (heteromery).

„Z uwagi na łatwość dostępu do danych literaturowych, przygotowaliśmy bazę danych tylko dla białek występu-jących w bakteriach Escherichia coli. Lecz naszą metodę można zastosować do praktycznie każdego rodzaju komór-ki i każdej cząsteczki chemicznej, na przykład do określe-nia współczynników dyfuzji cukrów w komórkach ssaczych”, podkreśla dr Marcin Tabaka. n

18


POLIMERy CyTOSZKIELETU BAKTERII MAJą INNą BUDOWę NIż SąDZONODotychczasowe przekonania o budowie polimerów two-rzących cytoszkielet bakterii przynajmniej w części były błędne, wykazała grupa naszych naukowców. „Udowodnili-śmy, że polimery FtsZ, jedne z elementów cytoszkieltu bak-terii, są w rzeczywistości nawet kilkunastokrotnie krótsze niż dotychczas sądziliśmy”, mówi dr Sen Hou, główny autor pu-blikacji naukowej, która ukazała się w czasopiśmie „Journal of Biological Chemistry”.

Szkielet cytoplazmatyczny to trójwymiarowa sieć włókien białkowych. Jej udział w masie komórki jest wyraźny i wynosi zwykle kilkanaście procent. Cytoszkielet odgrywa rolę nieco podobną do tej, jaką pełni kręgosłup u człowieka. Do najważ-niejszych elementów cytoszkieletu należą rurkowate struk-tury, zbudowane w komórkach eukariotycznych (z jądrem) z białka tubuliny, oraz włókna polimerowe. Jeszcze niedawno sądzono, że szkielet cytoplazmatyczny występuje wyłącznie w komórkach eukariotycznych. W latach 90. ubiegłego wie-ku odkryto jednak, że jest obecny także w bakteriach, gdzie obok tubuliny występuje jej homolog, białko FtsZ.

Białko FtsZ odgrywa ważną rolę na wczesnych etapach podziału komórki. Z tego powodu cytoszkielet prokariotów jest obiektem intensywnych badań ze strony naukowców poszukujących nowych antybiotyków. Związki chemiczne, które by atakowały strukturę cytoszkieletu, uniemożliwiałby podział komórek bakterii, a tym samym skutecznie wstrzy-mywałyby rozwój choroby. Efektywność poszukiwań zależy jednak m.in. od stanu wiedzy o budowie polimerów szkieletu cytoplazmatycznego.

W naszym instytucie zbadano długość polimerów two-rzonych przez białka FtsZ występujące w cytoszkielecie bak-terii Caulobacter crescentus. Po raz pierwszy w pomiarach tego typu wykorzystano metodę dynamicznego rozprasza-nia światła (Dynamic Light Scattering, DLS), potwierdzając jednocześnie jej wysoką użyteczność.

Technika DLS, znana również jako spektroskopia korela-cji fotonów, polega na rejestrowaniu światła rozpraszanego wskutek ruchów własnych cząsteczek, np. ruchów Brow-na. Rozpraszanie okazuje się tym bardziej jednorodne, im mniejsze cząsteczki występują w roztworze. DLS umożliwia zmierzenie rozmiarów cząsteczek mniejszych od mikrome-tra i badanie procesów zachodzących w czasie od mikrose-kund do minut.

Pomiary wykonane przez grupę naszych naukowców za pomocą dynamicznego rozpraszania światła doprowadziły

do zaskakującej obserwacji. Okazało się, że typowy polimer FtsZ jest w rzeczywistości bardzo krótki. Składa się z za-ledwie 9-18 monomerów, a jego całkowita długość to ok. 100 nanometrów, czyli kilkunastokrotnie mniej niż przyjmo-wano dotychczas na podstawie pomiarów z użyciem trans-misyjnych mikroskopów elektronowych (Transmission Elec-tron Microscopy, TEM).

Zmniejszając i zwiększając tempo polimeryzacji roztworu z białkiem FtsZ, nasi badacze wykazali, że podczas wylewa-nia próbki na siatkę miedziową, stosowaną do przygotowa-nia preparatów dla mikroskopii TEM, małe liniowe polimery zaczynają w ciągu kilku sekund tworzyć duże zlepki. Przy-jęte w literaturze światowej zawyżone wartości długości po-limerów w cytoszkielecie wynikały zatem z samej procedury przygotowania próbek do badań pod mikroskopami TEM.

„Nasz wynik jest nie tylko dobrze udokumentowany, ale również lepiej pasuje do obecnej wiedzy o chemicznym śro-dowisku we wnętrzach komórek. Nanolepkość cytoplazmy w bakteriach jest nawet kilkanaście tysięcy razy większa niż wody. Gdyby polimery cytoszkieletu były długie, nie mogły-by się odpowiednio szybko przemieszczać w cytoplazmie”, mówi prof. dr hab. Robert Hołyst. n

Ü Polimery białka FtsZ, występującego w cytoszkieletach bakterii, są nawet kilkanaście razy krótsze niż mierzono to w dotychczasowych pomiarach. Na zdjęciu dr Sen Hou, główny autor badań. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

KONTAKT:

dr Sen Hou



19

...zrozumieć!

20


KOPIA KOPII NIERóWNA – TO STATySTyKA RóżNICUJE KOMóRKIW pewnych warunkach populacja namnażających się komórek może spontanicznie podzielić się na dwie grupy o wyraźnie różnych funkcjach. Naukowcy od dawna szukają przy-czyn tego spektakularnego procesu, lecz mechanizmy, które dotychczas znajdowali, były skomplikowane i nie wyjaśniały wszystkich obserwowa-nych przypadków. Najprostszego wyjaśnienia dostarczyły dopiero ob-liczenia analityczne i symulacje kom-puterowe przeprowadzone przez na-szych naukowców.

„Odkryliśmy prawo statystyczne odpowiedzialne za różnicowanie się komórek”, mówi dr Anna Ochab-Marcinek.

Nowy mechanizm statystyczny być może pozwoli wytłumaczyć jed-no ze źródeł oporności bakterii na antybiotyki oraz wyjaśni, dlaczego mimo tego samego zestawu genów bliźnięta jednojajowe i organizmy sklonowane nie są swoimi dokładny-mi kopiami. Artykuł opisujący odkry-cie ukazał się w czasopiśmie nauko-wym „Proceedings of the National Academy of Sciences”, wydawanym przez amerykańską Akademię Nauk.

Już w połowie ubiegłego wie-ku podczas badań laboratoryjnych zauważono, że populacja bakterii Escherichia coli może podzielić się na dwie grupy, z których jedna wy-kazuje ekspresję pewnego genu, np. odpowiedzialnego za produkcję enzymu trawiącego określony rodzaj cukru, a w drugiej gen pozostaje nie-czynny. Efekt ten jest znany w nauce jako bimodalność populacji.

Obserwacja była intrygująca, ponieważ wszystkie komórki miały to samo DNA i przebywały w tych

Ý Odkryte przez naszych naukowców prawo statystyczne opisuje, jak losowy nieporządek we wnętrzu pojedynczych komórek przekształca się w uporządkowanie prowadzące do różnicowania się populacji. Na zdjęciu dr Anna Ochab-Marcinek, jedna ze współodkrywców. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)


21

...zrozumieć!

samych warunkach. Co więcej, mimo braku zmian w zesta-wie genów, kolejne pokolenia komórek potrafiły dziedziczyć nowe funkcje.

Naukowcy z naszego instytutu postawili sobie za zada-nie odkryć najprostszy możliwy mechanizm, który odpowia-da za tak niespodziewane zachowanie komórek. W tym celu przeprowadzili obliczenia teoretyczne, a następnie spraw-dzili je za pomocą wielu symulacji komputerowych metodą Monte Carlo. Odwzorowano w nich najważniejsze reakcje chemiczne zachodzące w żywej komórce.

Informacja genetyczna w komórkach jest zawarta w strukturze DNA, jednak białka są syntetyzowane na pod-stawie sekwencji znajdujących się w informacyjnym RNA (mRNA). Aby wyprodukować zakodowane w genie białko, trzeba więc informację najpierw przenieść z DNA na mRNA. Proces przenoszenia (transkrypcji) jest kontrolowany przez cząsteczki nazywane czynnikami transkrypcyjnymi. Czą-steczki te po przyłączeniu do DNA mogą utrudniać odczyt genu (są wówczas nazywane represorami) lub go umożli-wiają (są aktywatorami).

„Komórka to worek z wieloma różnymi cząsteczkami che-micznymi, poruszającymi się przypadkowo wskutek ruchów cieplnych. Po podziale może się więc zdarzyć, że w jednej komórce potomnej będzie więcej czynników transkrypcyj-nych niż w drugiej”, opisuje dr Anna Ochab-Marcinek.

Za pomocą symulacji komputerowych nasi badacze analizowali, jak niejednakowa ilość represorów czy aktywa-torów wpływa na populację komórek. Symulacje te pozwoliły ustalić, jak w czasie rozwoju populacji zmieniają się stężenia białek produkowanych przez poszczególne komórki. Po-nieważ liczba cząsteczek określonego typu, występujących w danej komórce, jest stosunkowo mała, podczas podzia-łów dochodzi do niejednorodnego rozdziału represorów lub aktywatorów między komórki potomne. W rezultacie w cza-sie wzrostu populacji pojawiają się komórki produkujące znacznie więcej danego białka niż pozostałe lub nieprodu-kujące go wcale.

Zależność między tempem produkcji danego białka a ilością represorów lub aktywatorów w komórce nie jest proporcjonalna. Efekt ten jest zwany nieliniowością, ponie-waż wykres przedstawiający, jak ilość białka zależy od ilości czynników transkrypcyjnych (tzw. funkcja odpowiedzi) nie jest wówczas linią prostą. Nasi naukowcy pokazali, że z po-wodu tej nieliniowości formują się w populacji dwie wyraźne grupy: w jednej gen jest aktywny, w drugiej nie.

Podział populacji komórek na dwie grupy ma istotne znaczenie ewolucyjne. Zróżnicowanie zwiększa szansę przeżycia części populacji w przypadku wystąpienia w śro-dowisku zmian niekorzystnych dla jednej z grup.

KONTAKT:

dr Anna Ochab-Marcinek


„Znany jest fakt, że bakterie mutują i robią się bardziej oporne na leki. My pokazaliśmy najprostszy mechanizm, dzięki któremu sama natura bakterii oraz związane z nią prawa statystyki zwiększają prawdopodobieństwo przeżycia przynajmniej części populacji, nawet wtedy, gdy nie ma mu-tacji”, mówi dr Ochab-Marcinek.

Nasi naukowcy zaproponowali także prostą konstrukcję geometryczną, za pomocą której można przewidzieć, kiedy w danej populacji komórek może dojść do zróżnicowania. Konstrukcja polega na wykreśleniu prostej przecinającej osie układu współrzędnych w miejscach odpowiadających zmierzonej częstotliwości impulsów produkcji czynnika transkrypcyjnego w populacji oraz wielkości tych impulsów. Jeśli prosta przecina – znany z pomiarów laboratoryjnych – wykres funkcji odpowiedzi genu, populacja komórek zacznie dzielić się na grupy. Za pomocą tak prostej operacji geome-trycznej można łatwo wyjaśnić zaskakujące rezultaty wcze-śniejszych eksperymentów prowadzonych przez inne grupy badawcze, na przykład pojawianie się w populacji bimodal-ności tylko przy pewnych stężeniach antybiotyku.

„Ponieważ odkryty przez nas mechanizm jest najprost-szy z możliwych, przypuszczamy, że w sposób nieunikniony jest on bardzo powszechny w komórkach”, mówi dr Marcin Tabaka, współodkrywca zjawiska.

„Odkryte przez nas prawo statystyczne opisuje, w jaki sposób losowy nieporządek panujący we wnętrzu pojedyn-czych komórek przekształca się w uporządkowanie prowa-dzące do różnicowania się populacji, korzystne dla jej prze-trwania”, podsumowuje dr Ochab-Marcinek. n

22


NIEOCZEKIWANE ZACHOWANIE MIKROKROPELW środowisku fizyków panuje zgodna opinia, że zjawiska związane z przepływem laminarnym zostały już dobrze po-znane i szczegółowo opisane od strony teoretycznej. W na-szym instytucie zaobserwowano jednak, że krople substancji chemicznych, płynące w cieczy nośnej wewnątrz kanalików w niektórych układach mikrofluidycznych, nie zawsze zacho-wują się zgodnie z oczekiwaniami. „Efekt zauważony przez naszą grupę jest związany ze zmianami wirów wewnątrz mi-krokropelek i na razie nie jest przewidywany przez modele teoretyczne”, mówi dr Sławomir Jakieła. Wyniki badań, re-alizowanych dzięki grantowi TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, opublikowano w prestiżowym czasopiśmie fizycz-nym „Physical Review Letters”.

„W przyszłości układy mikroprzepływowe staną się dla chemii tym, czym dla elektroniki okazały się układy scalone. Jednak zanim zbudujemy urządzenia chemiczne równie re-wolucyjne jak krzemowe mikroprocesory, musimy dokładnie poznać wszystkie zjawiska fizyczne zachodzące podczas przepływu mikrokropel”, stwierdza dr Jakieła.

Przepływy, z którymi spotykamy się na co dzień, są czę-sto zdominowane przez bezwładność i turbulencje. Przy małych objętościach, typowych dla układów mikrofluidycz-nych, przepływ cieczy jest laminarny i rządzą nim efekty związane z lepkością. Prędkość oleju płynącego laminarnie w mikrokanalikach nie jest jednorodna. Najwolniej poruszają się warstwy przy ściankach, najszybciej – te znajdujące się w pobliżu środka kanału.

„Jeśli mikrokropla jest wyraźnie mniejsza od średnicy ka-nału, może się ulokować w centralnej części przepływu. Jej prędkość jest wtedy nawet dwukrotnie większa od średniej prędkości przepływu oleju. To nic zaskakującego. Podobny efekt obserwujemy choćby w rzekach: przy brzegach nurt jest dużo wolniejszy niż pośrodku”, wyjaśnia doktorantka Sylwia Makulska.

Jeśli dostateczne duża kropla płynie przez kanalik o przekroju kolistym, wypełnia jego całe światło. Prędkość kropli jest wtedy taka sama jak prędkość przepływu oleju. Sytuacja staje się znacznie ciekawsza, gdy kropla znajduje się w kanaliku o przekroju prostokątnym. Wskutek napięcia powierzchniowego mikrokropla pozostaje zaokrąglona. Nie wypełnia więc całego przekroju kanału i w jego narożnikach nadal płynie olej.

Zespół naszych naukowców wytwarzał mikrokrople z mieszaniny wody i gliceryny, o różnych stężeniach, a co za tym idzie o różnej lepkości. Płynęły one w oleju (heksadeka-nie) przez kanał długości 10 cm, o przekroju prostokątnym. Badacze mierzyli prędkość przepływu mikrokropel wzglę-dem oleju w zależności od ich objętości (długości w mikro-kanale), lepkości kropel i oleju oraz prędkości przepływu cieczy nośnej.

Gdy krople miały lepkość mniejszą lub porównywalną z lepkością cieczy nośnej, prędkość ich ruchu względem oleju okazała się maleć wraz ze wzrostem długości kropli, lecz tylko w pewnym zakresie. Krople poruszały się najwol-niej, gdy ich długość była dwu-, trzykrotnie większa od sze-rokości kanału.

„Minimum prędkości względnej kropli w stosunku do oleju pojawiało się zawsze. Wszystko wydawało się być zgodne z oczekiwaniami teoretyków”, mówi dr Jakieła.

Naprawdę ciekawe rzeczy zaczęły się dziać, gdy ba-dacze zaczęli zmieniać prędkość przepływu oleju. Okaza-ło się, że wraz ze wzrostem tej prędkości minimum pręd-kości względnej kropli względem oleju zanikało. Lecz gdy

Û Kropla substancji chemicznej (czerwony) płynąca przez mikrokanał o przekroju prostokątnym nie wypełnia go w całości. Ciecz nośna (niebieski) opływa kroplę wzdłuż narożników kanału. Przekroje poniżej przedstawiają widok kropli wzdłuż osi kanału oraz prostopadle do niej i obrazują, jak zmienia się rozkład wirów wewnątrz kropel wraz ze wzrostem prędkości cieczy nośnej. (Źródło: IChF PAN)


23

...zrozumieć!

pobudzał znaczniki do świecenia. Dzięki temu można było obserwo-wać ruchy płynu wewnątrz kropel. Pomiary ujawniły, że gdy wzrasta prędkość cieczy nośnej, rozkład wirów wewnątrz kropli zaczyna się zmieniać.

„Spodziewaliśmy się zmian, ale dotychczasowe teorie sugerowały, że liczba wirów w mikrokroplach będzie tym mniejsza, im szybciej płynie olej. Tymczasem my zaob-serwowaliśmy zjawisko odwrotne: im szybciej płynął olej, tym w kropli było więcej wirów. Przyroda kolejny raz sprawiła psikusa teoretykom”, stwierdza dr hab. Piotr Garstecki, prof. IChF PAN.

W naszym instytucie ruszyły już pierwsze prace zmierzające do wy-korzystania nowego zjawiska w pro-cesach związanych z mieszaniem zawartości mikrokropel w układach mikrofluidycznych. n

prędkość oleju dalej zwiększano, minimum pojawiało się ponownie – głębsze i szersze. „Mówiąc prościej: odkry-liśmy, że w zależności od prędkości przepływu oleju, kro-pla tej samej długości może płynąć w jednych warunkach szybciej względem oleju, a w innych wolniej”, wyjaśnia dr Jakieła.

Aby sprawdzić, skąd wynika zaskakujące zachowanie mikrokropel, nasi naukowcy wprowadzili do nich znaczni-ki fluorescencyjne rozmiaru kilku mikrometrów. Gdy krople przepływały przez mikrokanał, oświetlano je laserem, który

KONTAKT:

dr Sławomir Jakieła

tel. +48 22 3433231 email: [email protected]

Û Dr Sławomir Jakieła podczas pomiaru prędkości przepływu mikrokropel w układzie mikrofluidycznym. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

24


MOLEKULARNy JEż MOżE POMóC TRANSPORTOWAć LEKIJak zwinięty jeż – tak wygląda agregat zbudowany z dwu-nastu cząsteczek kaliksarenu, otrzymany i zbadany w na-szym instytucie. Nową strukturę naukowcom udało się wykrystalizować, dzięki czemu mogli dokładnie poznać jej budowę na poziomie atomowym.

Kaliksareny to związki organiczne o cząsteczkach zbu-dowanych z cyklicznie ułożonych jednostek fenylowych. Najprostszym przedstawicielem grupy jest kaliks[4]aren, składający się z czterech jednostek fenylowych połączo-

nych w pierścień z centralną luką. Luka ta jest na tyle duża, że można wprowadzić w nią inną cząsteczkę, w ca-łości lub częściowo, tworząc w ten sposób kompleks mo-lekularny.

„W praktyce kaliksareny traktujemy jako molekularne odpowiedniki kielichów czy koszyczków, które mogą być użyte do transportu innych cząsteczek, na przykład leków. Nasza grupa wraz z kolegami z Institut de Biologie et Chimie des Protéines z Lionu ma międzynarodowy patent na otrzy-

Ý Grupa badawcza kierowana przez prof. dr hab. Kingę Suwińską odkryła molekularny pojemnik – kulisty agregat zbudowany z 12 cząsteczek kaliksarenu. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)


25

...zrozumieć!

mywanie kokryształów kaliksarenów z lekami”, mówi prof. dr hab. Kinga Suwińska.

Wykorzystanie kaliksarenów w medycynie nie jest łatwe. Związki te zwykle rozpuszczają się tylko w rozpuszczal-nikach organicznych. Z tego powodu w naszym instytucie bada się modyfikowane kaliksareny, podstawione grupami sulfonowymi (–SO3H) i fosforanowymi (–PO3H2). W takiej postaci kaliksareny są przeprowadzone w formę kwasową, łatwo rozpuszczającą się w wodzie. Badania na myszach, zrealizowane dwa lata temu przez współpracującą z nami grupę naukowców z Institut de Biologie et Chimie des Pro-téines, wykazały, że w niskich i średnich stężeniach związki te nie są toksyczne. Ponadto same sulfonowane kaliksareny wykazują aktywność biologiczną, np. mają właściwości an-tywirusowe i antybakteryjne.

Zmodyfikowane kaliksareny stają się dobrymi nośnikami leków. Ich znaczenie jest tym większe, że leki, które w po-staci czystej nie rozpuszczają się w wodzie, w kompleksie z kaliksarenem mogą być w wodzie rozpuszczalne. Dodat-kowo, poprzez utworzenie kompleksu z kaliksarenem, moż-na zmienić profil bioprzyswajalności leku. Oznacza to, że leki – nie zawsze przecież obojętne dla wszystkich tkanek i organów pacjenta – będzie można w przyszłości podawać w mniejszych, bezpieczniejszych dawkach.

Dobierając odpowiedni kompleks z kaliksarenem, na-ukowcy potrafią zabezpieczać cząsteczki skompleksowane przed wpływem czynników zewnętrznych, np. światła lub wilgoci. Umiejętność ta ma ważne znaczenie praktyczne. W postaci czystej lek może się rozkładać na przykład w gór-nej części układu pokarmowego. Dzięki kaliksarenom moż-na go zabezpieczyć, jak w kapsułce molekularnej, i w tej for-mie dostarczyć dokładnie tam, gdzie jego obecność będzie najbardziej pożądana.

Najnowszym odkryciem grupy zajmującej się w naszym in-stytucie chemią supramolekularną są cząsteczki modyfikowa-nego kaliksarenu samoorganizujące się w agregaty o wyjątko-wo złożonej i wizualnie efektownej budowie. Wszystko zaczęło się od otrzymania w jednej z reakcji nowej pochodnej kaliksa-renu, która wykrystalizowała w formie regularnych kryształów.

„Związki w postaci krystalicznej są doskonałym obiektem do badań. Ich strukturę można analizować bezpośrednio, za pomocą dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego. To dlatego mogliśmy tak dokładnie określić, jak wygląda samo-agregacja nowego kaliksarenu”, wyjaśnia prof. Suwińska.

Okazuje się, że w pewnych warunkach dwanaście czą-steczek kaliksarenu samoorganizuje się w kulistą strukturę z grupami alkilokarbonylowymi skierowanymi na zewnątrz. Supramolekularna supercząsteczka, która wtedy powstaje, przypomina zwiniętego jeża.

Malownicza supercząsteczka odkryta w naszym insty-tucie ma rozmiary około pięciu nanometrów (miliardowych części metra). Jej szczególnie ważną cechą, zwłaszcza z punktu widzenia przyszłych możliwych zastosowań, jest duża luka wewnętrzna o objętości około tysiąca angstre-mów sześciennych. „W skali mikroświata taka przestrzeń to naprawdę sporo. Wewnątrz może się zmieścić ponad 30 cząsteczek wody”, mówi prof. Suwińska. Specyficzna budo-wa powoduje, że molekularny jeż z naszego instytutu wydaje się być doskonałym kandydatem do transportowania innych cząsteczek.

Opracowanie metod wytwarzania takich i analogicznych cząsteczek kaliksarenów, zbadanie właściwości ich kom-pleksów, np. z lekami, oraz przetestowanie tych kompleksów pod względem ewentualnej toksyczności i/lub aktywności biologicznej, wymaga jeszcze długich badań prowadzonych we współpracy z innymi instytucjami naukowymi. n

Ý Molekularny jeż odkryty w naszym instytucie. Wewnątrz cząsteczki znajduje się duża pusta przestrzeń (zaznaczona na niebiesko), którą w przyszłości będzie można użyć do transportowania innych cząsteczek, np. leków. (Źródło: IChF PAN)

KONTAKT:

prof. dr hab. Kinga Suwińska


26


TO MILIKELWINy NAPęDZAJą PAROWANIE KROPELZbyt gorąco? To nie tylko wina lata. Prawdopodobnie pot na twojej skórze przestał parować z dostateczną wydajno-ścią. Parowanie ma wpływ na „klimat” wewnątrz naszego organizmu, ale jest równie ważne dla klimatu całej planety – a także dla tempa suszenia się bielizny czy wydajności sil-ników samochodowych. Mimo wszechobecności zjawiska w naszym otoczeniu, po 130 latach badań fizycy nadal nie w pełni rozumieli jego przebieg. Teraz, dzięki eksperymen-tom i symulacjom, wykonanym przez zespoły naszego in-stytutu i Instytutu Fizyki PAN (IF PAN), tajemnice parowania wreszcie ujrzały światło dzienne.

„Zwykle dość łatwo przewidzieć, jaki będzie początek lub koniec danego procesu fizycznego czy chemicznego. Odpo-wiedź na pytanie, jaką ścieżkę realizacji procesu wybiera na-tura, jest już znacznie trudniejsza. W przypadku parujących kropel od dawna było wiadome, że temperatury przed roz-poczęciem parowania i po jego zakończeniu są takie same.

Ale co zachodzi między tymi chwilami, gdy wszystko dopiero się dzieje? To było pytanie, na które nie znaliśmy dobrej od-powiedzi”, mówi prof. dr hab. Robert Hołyst (IChF PAN).

Dotychczasowe modele teoretyczne procesu parowania zakładały, że szybkość parowania zależy od tempa przyłą-czania się lub odrywania cząsteczk od powierzchni cieczy. Pomiary wskazywały jednak, że na powierzchni kropel po-winna się wtedy tworzyć bariera utrudniająca cząsteczkom przechodzenie od fazy ciekłej do gazowej (lub odwrotnie). Lecz niedawne eksperymenty grup badawczych na świecie dowiodły, że takiej bariery nie ma i praktycznie każda czą-steczka, która pada na powierzchnię cieczy, już się od niej nie odrywa. Zauważono też, że na granicy między kroplą a otoczeniem pojawia się wyraźny skok temperatury i że ciśnienie podczas parowania pozostaje stałe. Efekty te nie były przewidywane przez dotychczasowe modele teore-tyczne.

Ý Badania przeprowadzone przez nasz instytut i Instytut Fizyki PAN ujawniły, że głównym czynnikiem napędzającym parowanie kropel są niewielkie różnice temperatury – nawet rzędu dziesięciotysięcznych części kelwina. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)


27

...zrozumieć!

W tej sytuacji grupa prof. Hołysta zdecydowała się wyko-nać symulacje komputerowe parowania kropel o rozmiarach nanometrowych. Równolegle zespół w IF PAN prowadził – technicznie bardzo trudne – pomiary w rzeczywistych ukła-dach, na mikrokroplach parujących wewnątrz pułapki elek-trodynamicznej. Badano m.in. parowanie wody do własnej pary w powietrzu, wody do powietrza, glikolu i glicerolu do azotu oraz argonu do własnej pary. Otrzymane wyniki wska-zują, że głównym czynnikiem odpowiedzialnym za parowa-nie kropel jest temperatura parującej cieczy.

„Parowanie okazuje się procesem napędzanym bardzo małymi różnicami temperatur. Aby zachodziło, często wy-starczą zaledwie dziesięciotysięczne części kelwina!”, mówi dr inż. Daniel Jakubczyk z IF PAN.

Kluczową rolę podczas parowania odgrywa przepływ ciepła między kroplą a otoczeniem. W przypadku obiektów o małych rozmiarach jest on utrudniony. Dzieje się tak, po-nieważ każda kropla jest otoczona przez cienką warstwę własnej pary.

„Działający tu mechanizm izolacji termicznej jest podob-ny do efektu Leidenfrosta. Znamy go wszyscy, bo wszyscy widzieliśmy krople wody ślizgające się na gorącej patelni czy spodzie żelazka. Gdyby przepływ ciepła między patelnią a kroplą był naprawdę wydajny, krople by wrzały i parowały błyskawicznie. Tak się nie dzieje, bo między kroplami a go-rącą powierzchnią jest warstwa izolatora, pary wodnej, na której ślizgają się krople”, wyjaśnia prof. Hołyst.

Warstwa izolująca, formująca się wokół parującej kro-pli, jest wystarczającą gruba, by skutecznie hamować przepływ ciepła. Jednak grubość tej warstwy zależy przede wszystkim od warunków panujących w otoczeniu i nie ma związku z rozmiarami samych kropel. Dlatego kropla na-nometrowa „odczuwa” grubszą (w stosunku do swoich rozmiarów) warstwę izolacji i paruje wolniej niż wynikałoby to z szybkości parowania kropel mikrometrowych czy mi-limetrowych. Co więcej, z uwagi na rozmiary nanokropel, w warstwie izolującej przy ich powierzchni w ogóle przeby-wa mało cząsteczek. To dodatkowy mechanizm izolujący, ograniczający przepływ energii do mało wydajnych zjawisk związanych z emisją i absorbcją promieniowania podczer-wonego.

Nowy wzór opisujący parowanie, podany przez naszych naukowców, poprawnie opisuje przebieg procesu zarów-no dla typowych, dużych kropel, jak i tych bardzo małych, o rozmiarach zbliżonych do pojedynczych nanometrów.

„Małe krople mogą wyparować w czasie nanosekund, dużym zajmuje to nawet kilkadziesiąt minut. Eksperymen-ty potwierdziły, że mimo tak dużej rozpiętości czasowej, aż kilkunastu rzędów wielkości, nasz wzór poprawnie opisuje

przebieg tych wszystkich procesów”, podkreśla dr hab. Ma-rek Litniewski (IChF PAN), współautor badań.

Wyniki prac naukowców z IChF PAN i IF PAN, opubli-kowane w czasopiśmie „Soft Matter”, znajdą zastosowanie w wielu obszarach, m.in. w nanotechnologiach i inżynie-rii materiałowej, badaniach klimatu i efektu cieplarnianego (para wodna jest głównym gazem cieplarnianym w ziemskiej atmosferze), a także w meteorologii. Interesujące możliwości pojawiają się w technice i mogą prowadzić m.in. ku nowym, bardziej wydajnym silnikom spalinowym. n

KONTAKT:



Ý Grupa naukowców, kierowana przez prof. Roberta Hołysta (na zdjęciu), opracowała nowy model teoretyczny opisujący parowanie wody. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

28


WODóR W CZąSTECZKACH – JEDNAK TUNELUJE? Porfiryna i jej pochodne to związki występujące natural-nie w przyrodzie. Wykryto je m.in. w ludzkiej krwi, gdzie pełnią ważną rolę biologiczną: uczestniczą w reakcjach związanych z transportem tlenu. W naszym instytucie od kilkunastu lat bada się pochodne porfiryny. Cząsteczki te mają postać płaskich pierścieni węglowych z atomami wodoru na zewnątrz i czterema atomami azotu wewnątrz. W centrum cząsteczki, w pustej przestrzeni otoczonej atomami azotu, znajdują się dwa atomy wodoru. Wykazu-ją one ciekawą cechę: mogą się przemieszczać między atomami azotu. Grupa naukowców pod kierunkiem prof. dr hab. Jacka Waluka stara się poznać dokładny prze-bieg tego zjawiska i wyjaśnić mechanizmy odpowiedzial-ne za jego istnienie. Czy atomy wodoru przemieszczają

się klasycznie, jak w typowej chemii, czy też za ich ruch odpowiada tunelowanie, efekt kwantowy pozwalający po-konywać bariery potencjału bez konieczności zdobywania dodatkowej energii?

W środowisku chemików tunelowanie traktowano po-czątkowo jako zjawisko rzadkie, zdarzające się tylko w wy-rafinowanych warunkach. Dziś staje się oczywiste, że to proces powszechny, zachodzący podczas większości – jeśli nie wszystkich – reakcji chemicznych. Przypuszcza się, że tunelowanie odgrywa istotną rolę podczas przenoszenia wodoru w enzymach, gdzie prawdopodobnie dochodzi do synchronicznego tunelowania kilku protonów jednocześnie. Podobne mechanizmy mogą mieć znaczenie przy powsta-waniu mutacji DNA.

Ý Dr hab. Jacek Dobkowski przy aparaturze pomiarowej używanej do badania tunelowania wodoru w porficenie. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)


29

...zrozumieć!

W naszym instytucie szuka się wskazówek dotyczących natury procesu transportu atomów wodoru w pochodnych porfiryny. Wykorzystano w tym celu cząsteczki zmodyfiko-wane w taki sposób, że potencjał elektryczny, w którym się przemieszczały, był lekko niesymetryczny: jedna z barier studni potencjału była nieco niższa od drugiej. Opis teore-tyczny zjawiska przewiduje, że gdyby atomy wodoru prze-mieszczały się w sposób klasyczny, po prostu przechodząc nad barierą, stała szybkości tej reakcji powinna się zwięk-szać. Pomiary przeprowadzone we współpracy z Wydziałem Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego wskazują na istnienie efektu przeciwnego: zmniejszenia stałej szybkości. Rezul-tat ten jest dobrze tłumaczony przez teorię zakładającą, że głównym mechanizmem odpowiedzialnym za przemiesz-czanie atomów wodoru w cząsteczce jest tunelowanie.

„Wyniki, otrzymane przez naszą grupę dzięki bada-niom niesymetrycznych pochodnych porfiryny, nie są jesz-cze ostatecznymi dowodami. Możemy jednak mówić już o dobrze udokumentowanych przypuszczeniach, że nawet w temperaturze pokojowej ruch protonów w pochodnych porfiryny odbywa się na zasadzie tunelowania”, podkreśla prof. Waluk.

Pytanie, czy tunelują całe atomy wodoru, czy same pro-tony, wzbudza wiele emocji w środowisku naukowym. Atom wodoru składa się z protonu oraz znajdującego się wokół niego elektronu. Gdy wodór staje się fragmentem cząstecz-ki, elektron ten dołącza do jej chmury elektronowej, która pełni rolę kleju zespalającego tworzące cząsteczkę jądra atomowe. Tunelowanie samego protonu oznaczałoby, że gęstość elektronów w chmurze po zakończeniu procesu pozostałaby niezmieniona. Gdyby tunelował cały atom wo-doru, elektron powinien podążyć za protonem. Podział nie jest w rzeczywistości tak jednoznaczny i gdy proton tuneluje w cząsteczce, zwykle podąża za nim tylko część gęstości elektronu w chmurze.

Najnowsze wyniki badań nad tunelowaniem protonów w pochodnych porfiryny współgrają z wcześniejszymi pra-cami, prowadzonymi w naszym instytucie nad cząsteczkami o potencjale symetrycznym. W 2010 roku grupa prof. Walu-ka wykazała, że w zależności od stanu oscylacyjnego czą-steczki porficenu (C20H14N4) tunelowanie może przebiegać szybciej lub wolniej. Do śledzenia tunelowania wykorzysta-no wtedy techniki laserowe pozwalające na pomiary z roz-dzielczością czasową dochodzącą do 50 femtosekund. Wy-kazano, że zachowanie wodoru tunelującego w porficenie ma istotny wpływ na czas trwania fluorescencji, czyli emisji światła przez wzbudzoną cząsteczkę. W temperaturze po-kojowej w roztworach o dużej lepkości fluorescencja wydłu-żała się nawet tysiąckrotnie: z pikosekund do nanosekund.

W połączeniu z modelowaniem teoretycznym pomiary te pozwoliły odkryć, że gdy przenosi się jeden proton, energia cząsteczki się zmienia i ta musi odpowiednio zmodyfikować swoją strukturę, natomiast gdy tunelują dwa protony jed-nocześnie, energia pozostaje niezmieniona. Atomy w czą-steczce nie muszą się wtedy reorganizować i tunelowanie staje się łatwiejsze.

Badania nad tunelowaniem protonów mogą prowadzić nie tylko do lepszego zrozumienia procesów zachodzących w cząsteczkach, ale również do praktycznych zastosowań. Wzbudzone cząsteczki porficenu można byłoby stosować jako sondy do pomiaru lepkości w mikro- i nanoskali. Pozwa-lałaby one obserwować wybrane części komórek oraz wykry-wać ich niektóre stany chorobowe. Z uwagi na silną zależ-ność własności fotofizycznych od lepkości roztworu, opisane przez naszych naukowców odmiany porfiryny otwierają także interesujące możliwości selektywnego niszczenia komórek nowotworowych za pomocą terapii fotodynamicznych. n

KONTAKT:

prof. dr hab. Jacek Waluk


Ý Schemat cząsteczki porficenu. Gdy dwa atomy wodoru w centrum tunelują jednocześnie między dolnymi i górnymi atomami azotu, proces zachodzi szybciej i łatwiej niż podczas tunelowania jednego wodoru. (Źródło: IChF PAN)

30


ODPyCHANIE Z PRZyCIąGANIAGdy dwa obiekty odpychają się pod wpływem jednej siły, zwykle oczekujemy, że dołożenie kolejnej, również odpycha-jącej, przyspieszy separację. Okazuje się, że ta intuicja nie zawsze jest prawdziwa.

Wyniki niedawnych eksperymentów z mieszaninami, przeprowadzonych na Uniwersytecie w Stuttgarcie, były za-skoczeniem dla wielu naukowców. W jednym z badanych układów działała siła odpychająca. Gdy wprowadzono dru-gą siłę odpychającą, pojawił się efekt odwrotny od oczeki-wanego: mocne przyciąganie. Niecodziennym rezultatem zainteresowały się nasze teoretyczki.

„Zbudowałyśmy od podstaw model teoretyczny badane-go w Niemczech układu i z powodzeniem zweryfikowałyśmy jego przewidywania z wynikami eksperymentów. Dzięki temu potrafimy wyjaśnić, jak złożenie dwóch odpychań prze-kształca się w przyciąganie”, mówi prof. dr hab. Alina Ciach.

Układem modelowanym w naszym instytucie była mieszanina wody i oleistej cieczy organicznej – lutydyny. W mieszaninie znajdowały się także jony soli. Sam płyn był umieszczony między dwiema naładowanymi elektrycznie ściankami, jedną hydrofilową, drugą hydrofobową.

Woda z lutydyną mieszają się tylko w pewnym zakresie temperatur. Ciekawa sytuacja pojawia się w pobliżu tempe-ratury krytycznej, gdy układ nie może się „zdecydować”, czy ma być wymieszany, czy rozmieszany.

„W tych warunkach warstwa wody przy ściance hydrofi-lowej robi się stosunkowo gruba, podobnie jak warstwa ole-ju przy ściance hydrofobowej. A ponieważ woda z olejem się ‘nie lubią’, pojawia się siła rozpychająca ścianki”, wyja-śnia Faezeh Pousaneh z Iranu, doktorantka pracująca w ra-mach Międzynarodowych Projektów Doktoranckich Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

Niecodzienne zachowanie modelowanego układu ujaw-niało się po przyłożeniu do obu ścianek ładunku elektrycz-nego tego samego znaku. Między ściankami działało wtedy drugie odpychanie, elektrostatyczne, a mimo to ścianki za-czynały się przyciągać!

„W ruch poszły kartki i ołówki. Razem z Faezeh, za po-mocą obliczeń czysto analitycznych, wyprowadziłyśmy kon-kretne wzory opisujące przebieg zjawiska”, mówi prof. Ciach.

Kluczowym elementem modelu okazało się założenie, że jony w roztworze poruszają się wyłącznie w wodzie, unikają zaś lutydyny. ścianki badanego układu miały ładunek elek-tryczny, zatem przyciągały ku sobie jony.

„Ale przy ściance hydrofobowej jest przecież warstwa lutydyny!”, zauważa Pousaneh. „To oznacza, że jon staje

przed dylematem: chce dostać się do ścianki, lecz dostępu do niej broni lutydyna. Tę przeszkodę jon może pokonać tyl-ko w jeden sposób: ciągnąc ze sobą wodę”.

W wyniku opisanego procesu powierzchnia ścianki, wcześniej hydrofobowa, zaczyna zachowywać się jak hy-drofilowa, upodabniając się pod tym względem do drugiej ścianki. A dwie ścianki hydrofilowe się przyciągają.

Nasz zespół zamierza kontynuować badania nad wa-riantami modelowanych układów.

„Oddziaływania podobne do opisanych przez nas po-jawiają się między naładowanymi cząstkami koloidalnymi o selektywnych powierzchniach. W zależności od tempera-tury, oddziaływania te raz są odpychające, raz przyciągają-ce”, mówi prof. Ciach.

Okazuje się, że w wąskim zakresie temperatur potencjał przyjmuje minimum dla pewnej odległości między cząstka-mi, czyli jest podobny do potencjału odpowiedzialnego za ustawianie się atomów w węzłach sieci krystalicznej.

„Zatem sterując temperaturą będziemy mogli zmusić ko-loid do wytworzenia określonej struktury. Potem wystarczy ją utrwalić i użyć, na przykład w inżynierii materiałowej”, pod-kreśla prof. Ciach. n

KONTAKT:

prof. dr hab. Alina Ciach


Ü Doktorantka Faezeh Pousaneh z „kuchenną” wersją badanej przez siebie mieszaniny. Owoce symbolizują drobiny koloidu, białe ziarna – wodę, ciemne – lutydynę, czerwone – jony preferujące wodę. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)


31

...zrozumieć!

32


ODKRyWAMy ZASADy WyTWARZANIA UPORZąDKOWANyCH WARSTW POLIMERóW

Ý Badanie samoorganizacji w cienkich warstwach polimerów za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego. Dr inż. Marek Knor przy pracy. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

potrafimy teraz skutecznie eliminować”, mówi prof. Robert Nowakowski z Grupy Badawczej Mikroskopii i Spektroskopii.

Cząsteczki organiczne mogą przewodzić prąd równie dobrze jak metale. W metalach chmura elektronów może się jednak poruszać w dowolnym kierunku, podczas gdy nośniki prądu w cząsteczkach organicznych przemieszcza-ją się wzdłuż tzw. sprzężonych wiązań podwójnych. Fakt ten oznacza dużą ruchliwość nośników tylko w jednym kie-runku: wzdłuż osi podłużnej cząsteczki. W tej sytuacji po-prawę przewodności można otrzymać przez wydłużanie cząsteczek, czyli użycie związków wielkocząsteczkowych – polimerów. Rozwiązanie to ma jednak wadę. Polimery wiel-kocząsteczkowe znacznie trudniej tworzą uporządkowane warstwy. W rezultacie często układają się przypadkowo, co prowadzi do chaotycznego przemieszczania się nośników prądu (nośnik po przejściu przez długą, zwiniętą w kłębek makrocząsteczkę może się znaleźć niemal w tym samym miejscu warstwy, w którym zaczynał wędrówkę). Rezultatem chaotycznej struktury jest mała ruchliwość nośników prądu.

Materiały organiczne zmienią oblicze elektroniki. Urzą-dzenia staną się nie tylko tańsze, cieńsze i lżejsze, ale także zyskają cechy niespotykane dotychczas. Wyświetlacze będzie można zwijać w rulon lub wytwarzać z przezroczystych ele-mentów i nanosić bezpośrednio na szyby, na przykład w sa-mochodach.

Zanim elastyczna elektronika zdobędzie masowy rynek, należy poznać zasady rządzące powstawaniem cienkich warstw półprzewodników organicznych. Grupa naukowców z naszego instytutu (pod kierunkiem dr. hab. inż. Roberta Nowakowskiego, prof. IChF PAN) oraz Politechniki Warszaw-skiej (prof. Małgorzata Zagórska) i Komisariatu d/s Ener-getyki Atomowej w Grenoble (prof. Adam Proń) dokonała tu istotnego postępu.

„Zbadaliśmy, jak w warstwach zmienia się organizacja cząsteczek w zależności od ich długości. Dzięki temu rozu-miemy, dlaczego krótsze cząsteczki łączą się w uporządko-wane struktury dwuwymiarowe, a bardzo długie cząsteczki tworzą chaotyczne agregacje. Ten ostatni, niekorzystny efekt


33

...zrozumieć!

Opisany problem można rozwiązać za pomocą cząsteczek wydłużonych, lecz dostatecznie krótkich, aby wykazywały naturalną skłonność do samoporządkowania – czyli oligo-merów. W wyniku wzajemnych oddziaływań takie cząsteczki ustawiają się równolegle do siebie i tworzą rzędy.

Obecnie przyjmuje się, że w przyszłości organiczne układy elektroniczne będą zbudowane z uporządkowanych warstw cząsteczek gwarantujących dużą ruchliwość nośni-ków prądu w kierunku określonym dla danego urządzenia.

Optymalizacja struktury warstw polimerowych polega na znalezieniu kompromisu między długością łańcucha oli-gomeru a jego zdolnością do samoorganizacji. „Chemicy z Politechniki Warszawskiej przygotowali nam nowe polimery i oligomery, pochodne tiofenu. Badania strukturalne i mikro-skopowe cienkich warstw tych związków wykazały jednak, że są one nieuporządkowane. Podejrzewaliśmy, że nieupo-rządkowanie to wynika z polidyspersyjności, czyli współist-nienia cząsteczek o różnej długości. Zjawisko to występuje prawie we wszystkich polimerach syntetycznych”, tłumaczy prof. Nowakowski. Aby sprawdzić to przypuszczenie, nasi naukowcy opracowali unikatową metodę rozdziału mie-szaniny po polimeryzacji na frakcje cząsteczek o tej samej długości. Wykorzystano w tym celu wysokosprawną chro-matografię cieczową i cienkowarstwową. Z tak otrzymanych frakcji wytwarzano następnie na podkładzie grafitowym war-stwy grubości jednej cząsteczki i badano je skaningowym mikroskopem tunelowym.

Uporządkowanie cząsteczek jest związane z obecno-ścią długich i giętkich grup alkilowych, wprowadzonych do cząsteczki aby zwiększyć jej rozpuszczalność. Najkrót-sze cząsteczki tworzą w warstwie dwuwymiarowe struktury wskutek wzajemnego oddziaływania (zazębiania się) grup alkilowych sąsiednich cząsteczek w dwóch prostopadłych kierunkach. Wydłużenie cząsteczki zwiększa liczbę grup al-kilowych oddziałujących jedynie w kierunku prostopadłym do jej osi i prowadzi do asymetrii oddziaływań międzyczą-steczkowych. Rezultatem jest zmiana typu uporządkowania z dwuwymiarowych wysp obserwowanych dla krótszych oli-gomerów do jednowymiarowych kolumn tworzonych przez dłuższe oligomery. „Przyczyną chaosu w warstwach okazał się fakt, że wytwarza się je z mieszaniny makrocząsteczek o różnych długościach, z których każda dąży do innego typu uporządkowania”, mówi doktorant Tomasz Jaroch.

Uporządkowanie cząsteczek w warstwie jest konsekwen-cją ich budowy. Nawet niewielka zmiana w budowie meru (jednostki powtarzalnej, która powielana tworzy łańcuch po-limeru lub oligomeru) może wpłynąć na przebieg samoor-ganizacji. W grupie prof. Małgorzaty Zagórskiej z Politechniki Warszawskiej zsyntetyzowano oligomery z grupami alkilowymi

przy innych atomach węgla pierścienia tiofenowego niż w związku badanym pierwotnie. Zmiana powoduje zmniej-szenie odległości między grupami alkilowymi w obrębie meru i w konsekwencji zmianę oddziaływań międzycząsteczkowych w warstwie. W tak zsyntetyzowanych związkach nie zaob-serwowano niekorzystnych efektów w samoorganizacji: czą-steczki różnej długości tworzyły uporządkowane dwuwymia-rowe wyspy. Otrzymane uporządkowanie charakteryzuje się korzystnymi właściwościami półprzewodnikowymi, ponieważ rdzenie oddziałujące bezpośrednio wzdłuż osi podłużnej gwa-rantują zwiększenie efektywnej ruchliwości nośników ładunku. Nasi naukowcy potwierdzili eksperymentalnie brak zazębiania grup alkilowych w tym kierunku, demostrując na obrazach mi-kroskopowych, że możliwe jest przesunięcie pojedynczego oligomeru wewnątrz warstwy. Zazębianie się grup alkilowych wzdłuż osi cząsteczki uniemożliwiłoby taką operację. n

KONTAKT:

dr hab. inż. Robert Nowakowski prof. IChF PAN


Ý Kontrolowane przesuwanie pojedynczych cząsteczek w uporządkowanej warstwie tetramerów 3,3”DOTT. Obrazy z tunelowego mikroskopu skaningowego (STM) pokazują, że pojedyncze skanowanie (w prawą stronę) przemieszcza wybraną cząsteczkę z lewej krawędzi luki na prawą, co prowadzi do zmiany kształtu defektu. Ponieważ po dwóch skanach są przesunięte dwie cząsteczki w różnych rzędach, luka wraca do pierwotnego kształtu, lecz jest przesunięta w kierunku prostopadłym do osi podłużnej cząsteczek. Przemieszczenie jest potwierdzone przez zmianę pozycji luki względem stabilnego defektu warstwy (zaznaczonego żółtym okręgiem). Eksperyment potwierdza brak zazębiania się grup alkilowych w kierunku równoległym do osi podłużnej cząsteczki. Kolory sztuczne. (Źródło: IChF PAN)

34


MOLEKULARNE SILNIKI: MOC NIESPEłNIONyCH NADZIEI?


35

...zrozumieć!

Nanomaszyny to urządzenia przyszłości. Zbudowane z bardzo małej liczby atomów, miałyby rozmiary zaledwie mi-liardowych części metra. Skonstruowanie wydajnych nano-maszyn najprawdopodobniej doprowadziłoby do kolejnej re-wolucji cywilizacyjnej. Dlatego badacze na całym świecie od lat przyglądają się różnym cząsteczkom i próbują zaprząc je do wykonywania pracy mechanicznej. Nasi naukowcy jako jedni z pierwszych dokonali pomiarów wydajności moleku-larnych maszyn złożonych z kilkudziesięciu atomów.

„Wszystko wskazuje na to, że moc silników składających się z pojedynczych, stosunkowo niewielkich cząsteczek jest znacznie mniejsza od oczekiwanej”, mówi dr inż. Andrzej żywociński, jeden ze współautorów pracy opublikowanej w czasopiśmie „Nanoscale”.

Molekularne silniki badane w naszym instytucie to zbu-dowane z kilkudziesięciu atomów cząsteczki ciekłych krysz-tałów typu smektyk C* (długość każdej z nich to 2,8 nano-metra). Po naniesieniu na powierzchnię wody, cząsteczki w odpowiednich warunkach samoczynnie formują na niej najcieńszą z możliwych – bo monomolekularną – warstwę o specyficznej budowie i cechach.

Każda cząsteczka użytego ciekłego kryształu składa się z łańcucha, którego część hydrofilowa kotwiczy się na powierzchni wody. Nad powierzchnię wystaje stosunkowo długa, pochylona część hydrofobowa. Monomolekularna warstwa przypomina więc las, którego drzewa rosną pod pewnym kątem. Na swobodnym końcu każdego łańcucha są dwie poprzeczne, różniące się rozmiarami grupy atomów. Tworzą one odpowiednik dwupłatowego śmigła o płatach różnej długości. Gdy cząsteczki parującej wody uderzają w „śmigła”, asymetria powoduje, że cały łańcuch zaczyna krążyć (wirować) wokół swej „kotwicy”.

Specyficzne cechy ciekłych kryształów i warunki do-świadczenia powodują, że sąsiednie cząsteczki w monowar-stwie zaczynają wirować zgodnie (w fazie). Szacuje się, że swoje obroty potrafią zsynchronizować „połacie lasu” liczą-ce nawet bilion (1012) cząsteczek, tworzące na powierzchni wody obszary o rozmiarach milimetrowych.

„Co więcej, badane przez nas cząsteczki wirują bardzo wolno. Jeden obrót może trwać od kilku sekund do nawet kilku minut. To bardzo pożądana cecha. Gdyby cząsteczki obracały się z częstotliwościami na przykład megahercowy-mi, byłoby trudno przenieść ich energię na większe obiekty”, wyjaśnia dr żywociński.

Wcześniejsze oszacowania mocy nanosilników moleku-larnych dotyczyły albo znacznie większych cząsteczek, albo takich, których praca była napędzana reakcjami chemiczny-mi. Oszacowania te nie uwzględniały również oporów ośrod-ka, w którym pracują cząsteczki.

Wolne, kolektywne obroty cząsteczek ciekłych kryszta-łów na powierzchni wody można łatwo obserwować i mie-rzyć. Nasi naukowcy sprawdzili więc, jak zmienia się szyb-kość wirowania cząsteczek w zależności od temperatury, oszacowali również zmiany lepkości (rotacyjnej) zachodzą-ce w układzie. Okazało się, że energia ruchu pojedynczej cząsteczki, wytworzona podczas jednego obrotu, jest bar-dzo mała: wynosi zaledwie 3,5·10–28 dżula. Wartość ta jest aż dziesięć milionów razy mniejsza od energii ruchów ter-micznych.

„Nasze pomiary to kubeł zimnej wody dla konstruktorów molekularnych nanomaszyn”, zauważa prof. dr hab. Robert Hołyst.

Mimo wytwarzania małej mocy, wirujące cząsteczki cie-kłych kryształów mogą znaleźć praktyczne zastosowania. Wynika to z faktu, że moc kolektywnie wirującego dużego zespołu cząsteczek jest odpowiednio większa. Ponadto na jednym centymetrze kwadratowym powierzchni wody takich zespołów, każdy liczący biliony cząsteczek, może być wiele.

W ramach tych samych badań porównano również moc wytwarzaną przez wirujące cząsteczki ciekłych kryształów z mocą biologicznego silnika – bardzo dużej cząstecz-ki znanej jako adenozynotrifosfataza (ATPaza). Enzym ten funkcjonuje w komórkach zwierzęcych jako pompa sodowo-potasowa. Po dokonaniu odpowiednich przeliczeń oszaco-wano, że gęstość energii wytwarzanej w jednostce objętości w przypadku ATPazy jest ok. 100 tysięcy razy większa niż w przypadku wirujących ciekłych kryształów.

„Ewolucja miała miliony lat, by wytworzyć tak wydajną pompę molekularną. My, ludzie, zajmujemy się molekular-nymi maszynami dopiero od paru-parunastu lat”, komentuje prof. Hołyst i dodaje: „Proszę nam dać odrobinę czasu”. n

KONTAKT:

dr inż. Andrzej Żywociński


Û Nasi naukowcy zmierzyli moc wytwarzaną przez molekularne maszyny – wirujące kolektywnie cząsteczki ciekłych kryształów, znajdujące się w monomolekularnej warstwie na powierzchni wody. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

36


Ý Dr Magdalena Bonarowska wprowadza naważkę katalizatora Pd-Cu/SiO2 do aparatury do badania katalitycznego wodoroodchlorowania tetrachlorometanu. (Źródło: IChF PAN / Grzegorz Krzyżewski)

ZNANE KATALIZATORy ZACHOWUJą SIę INACZEJ NIż SąDZONO


37

...zrozumieć!

KONTAKT:

prof. dr hab. inż. Zbigniew Karpiński


Usuwanie azotanów z wód gruntowych czy chloru ze ścieków z pralni chemicznych, zabiegi ważne dla ochrony środowiska, wymagają stosowania odpowiednich kataliza-torów. Do popularnych katalizatorów należą dobrze pozna-ne katalizatory palladowo-miedziowe osadzone na nośniku z krzemionki. Zespół naukowców prowadzony przez prof. dr. hab. inż. Zbigniewa Karpińskiego wykazał jednak, że katali-zatory te zachowują się inaczej niż dotychczas zakładano.

Katalizator to substancja chemiczna, która uczestni-cząc w reakcji przyspiesza jej przebieg i odtwarza się po jej zakończeniu. Oprócz zysku ze skrócenia czasu reakcji, efektem użycia katalizatora może być wzrost selektywności reakcji, czyli zwiększenie ilości właściwego produktu wzglę-dem produktów ubocznych.

Selektywne katalizatory to zwykle układy zawierające więcej niż jeden metal. W przypadku katalizatorów palla-dowych często stosuje się modyfikacje za pomocą miedzi. Aktywne nanocząstki katalizatora są osadzane na podłożu z krzemionki (SiO2). Tak przygotowany katalizator palladowo-miedziowy (Pd-Cu) jest przed reakcją wygrzewany w wyso-kiej temperaturze, w obecności wodoru. Celem wygrzewania jest aktywacja katalizatora, czyli nadanie jego cząsteczkom energii pozwalającej na uczestniczenie w docelowej reakcji.

Istotny wpływ na wydajność pracy katalizatora bimeta-licznego mają proporcje między ilościami obu użytych me-tali. „Za pomocą pomiarów rentgenowskich odkryliśmy coś, czego badacze dotychczas nie byli świadomi”, mówi dr Magdalena Bonarowska. Wyniki analiz wskazywały, że pod-czas aktywacji w atmosferze wodoru w temperaturach po-wyżej 400 stopni Celsjusza pallad wchodzi w oddziaływanie z krzemionką w podłożu – i tym samym ucieka z aktywnych drobin katalizatora.

„Katalizator, który pierwotnie miał powiedzmy 75% pal-ladu i 25% miedzi, po aktywowaniu może mieć te propor-cje silnie zaburzone, na przykład 50% do 50%. Co więcej, zmienia się jego struktura krystalograficzna. Oznacza to, że udział w reakcji weźmie wyraźnie inny katalizator niż ten, któ-ry był pierwotnie przygotowany!”, stwierdza dr Bonarowska.

Ubytek palladu z aktywnych nanocząstek katalizatora prowadzi do jego szybszej dezaktywacji. W praktyce ozna-cza to dodatkowe, niemałe koszty, związane z konieczno-ścią rozładowania reaktora chemicznego i zregenerowania lub nawet wymiany znajdującego się w nim katalizatora.

„Aktywowanie katalizatorów palladowo-miedziowych na podłożu z krzemionki trzeba nierzadko przeprowadzać i w temperaturze 500 stopni Celsjusza. Chodzi bowiem o zapewnienie najlepszego stopnia wymieszania obu metali rozproszonych na powierzchni nośnika. Warto się jednak za-stanowić, czy – jeśli sama docelowa reakcja na to pozwala

– lepszym rozwiązaniem nie byłaby aktywacja katalizatora w temperaturach niższych, za to na przykład przez dłuższy czas”, zauważa prof. Karpiński.

Katalizatory palladowo-miedziowe na różnych nośni-kach, w tym na krzemionce, są stosowane do usuwania azotanów w wodach gruntowych oraz selektywnej redukcji wielu związków organicznych, m.in. nitrozwiązków do amin, oraz węglowodorów nienasyconych (np. acetylenu do etyle-nu bądź butadienu do butenu). Używa się ich także do elek-trokatalitycznego utleniania metanolu oraz do wodorood-chlorowania, czyli usuwania chloru ze szkodliwych związków organicznych za pomocą wodoru. n

38


NIEOCZEKIWANA ROLA SZUMU W FORMOWANIU KRęGOSłUPAWe wczesnej fazie rozwoju zarodków kręgowców w ich mezodermie grzbietowej wykształcają się periodyczne seg-menty nazywane somitami. Z czasem przekształcają się one m.in. w kręgi, elementy kręgosłupa. Polsko-francuski zespół z naszego instytutu i Centre National de la Recherche Scien-tifique (CNRS) w Paryżu przedstawił prosty model teoretycz-ny opisujący formowanie podobnych struktur. Analiza wła-sności modelu ujawniła, że w ich powstawaniu zaskakującą rolę odgrywa wewnętrzny szum, obecny w każdym układzie fizycznym.

„Jesteśmy przekonani, że prawa fizyki i chemii mogą tłumaczyć zjawiska biologiczne i ewolucję żywych organi-zmów”, mówi dr hab. Bogdan Nowakowski, prof. IChF PAN. „Z tego powodu spróbowaliśmy teoretycznie odwzorować jeden z elementów rozwoju zarodkowego kręgowców: for-mowanie się periodycznych struktur w somitogenezie. Zrobi-liśmy to rozważając najprostsze schematy reakcji chemicz-nych, z udziałem zaledwie kilku składników”.

W chemii zjawisk dalekich od równowagi znane są wi-dowiskowe reakcje oscylacyjne Biełousowa-żabotyńskiego (można je zobaczyć na przykład na wielu filmach w serwi-sie youtube). Reakcje te zachodzą w roztworach wodnych odpowiednich reagentów o różnych stężeniach. Jeśli do roztworu zostanie dodany składnik, który wytrąci układ ze stanu równowagi termodynamicznej, wtedy w cieczy zaczną pojawiać się propagujące fronty chemiczne. Efektem ich ist-nienia są cykliczne zmiany barwy roztworu. Jeśli reakcja za-chodzi w cienkiej warstwie roztworu, np. na szalce Petriego, można obserwować ciągle powstające i rozchodzące się barwne kręgi.

Zaproponowany przez naukowców z IChF PAN i CNRS model jest wyjątkowo prosty. W jego skład wchodzą trzy reakcje chemiczne i cztery substancje, w tym dwie wymu-szające stan nierównowagi w badanym układzie. Parametry modelu dobrano w taki sposób, aby reakcje prowadziły do wyraźnych oscylacji stężeń składników roztworu. W ich wy-niku w układzie pojawiały się periodyczne, stabilne w czasie struktury, tzw. struktury Turinga.

W naturze formowanie się periodycznych struktur w em-brionach przebiega prawdopodobnie w sposób bardziej skomplikowany, być może z udziałem kilkudziesięciu i wię-cej reakcji.

„Nasz model jest pracą czysto teoretyczną, sygnałem pokazującym, że za część zjawisk zachodzących podczas

somitogenezy mogą odpowiadać naprawdę proste mecha-nizmy”, podkreśla prof. Nowakowski.

Dysponując modelem teoretycznym odzwierciedlającym dynamikę zjawiska obserwowanego w rozwoju zarodków, polsko-francuski zespół mógł sprawdzić wpływ wewnętrzne-go szumu na opisywany proces. W naturze szum jest kon-sekwencją cząsteczkowej budowy materii, nieuniknionym, stochastycznym efektem występującym w każdym układzie fizycznym. Do modelu teoretycznego szum trzeba jednak wprowadzić. Teoretycy mogą więc dokonać rzeczy nieosią-galnej dla eksperymentatorów: porównać układ nieistniejący w przyrodzie, bez szumu, z układem z szumem – i ocenić, jak fluktuacje termodynamiczne wpływają na proces seg-mentacji.

„Zazwyczaj zakłada się, że przypadkowy szum zakłóca istniejący porządek. Nasze symulacje dały przeciwny wynik. Po wprowadzeniu szumu do modelu periodyczne struktury zaczęły pojawiać się znacznie szybciej, zaraz po przejściu frontu chemicznego”, opisuje prof. Nowakowski.

Fluktuacje termodynamiczne okazały się przyspieszać periodyczną organizację przestrzenną i stabilizowały ją w czasie. Co więcej, układ formował struktury łatwiej, w wy-raźnie większym zakresie wartości parametrów modelu. n

KONTAKT:

dr hab. Bogdan Nowakowski prof. IChF PAN



39

...zrozumieć!

41

...ZOBACZyć!Narzędzia służące do wykrywania związków chemicznych są nieodłącznym towarzyszem

w pracy chemika, ale znajdują też liczne zastosowanie poza murami laboratoriów. Ciągłe udoskonalanie metod detekcji jest

niezwykle ważne. Ich rosnąca czułość, dokładność i selektywność mają kluczowe

znaczenie dla rozwoju nauki i przemysłu.

42

instytut chemii fizycznej pan ...zobaczyć!

śWIATOWE STANDARDy METROLOGII POWIERZCHNI POWSTAJą U NASZewnętrzne warstwy materiałów, grubości zaledwie kilku-kilkunastu warstw atomowych, odgrywają główną rolę w tak ważnych dziedzinach jak mikroelektronika i tak istotnych procesach jak kataliza czy korozja. Warstwy te bada się obecnie za pomocą powierzchniowo czułych metod spek-troskopowych. Skuteczna analiza pomiarów wymaga jednak uwzględnienia pewnych parametrów, dostępnych w bazach danych rozprowadzanych przez amerykański Narodowy Instytut Technologii i Standardyzacji w Waszyngtonie (Natio-nal Institute of Standards and Technology, NIST). Bazy te po-wstają dzięki pracy prof. dr hab. Aleksandra Jabłońskiego.

Powierzchnia materiałów decyduje o sposobie, w jaki oddziałują one z otoczeniem. Obecność zanieczyszczeń może jednak zmienić powierzchnię w sposób trudny do przewidzenia.

„Nawet wtedy, gdy w materiale znajduje się zaledwie kilka obcych cząsteczek na milion, zanieczyszczenia mogą wypłynąć na zewnątrz i pokryć całą próbkę. Powierzchniowe własności takiej substancji będą wówczas inne niż wnętrza

materiału”, mówi prof. Jabłoński i podkreśla, że wiedza o rzeczywistych własnościach fizycznych i chemicznych po-wierzchni materiałów ma ogromne znaczenie dla przemysłu korzystającego z najnowszych osiągnięć inżynierii materia-łowej, mikroelektroniki oraz rozmaitych nanotechnologii.

Do badania powierzchni stosuje się najczęściej dwie me-tody badawcze: spektroskopię fotoelektronową oraz spek-troskopię elektronów Augera. W pierwszej z nich powierzch-nię próbki oświetla się promieniowaniem rentgenowskim i obserwuje elektrony wybite z warstw powierzchniowych przez fotony. W drugiej metodzie materiał jest bombardowa-ny monochromatyczną wiązką elektronów; bada się wów-czas energie elektronów emitowanych wskutek wewnątrza-tomowych przejść bezpromienistych (a więc takich, którym nie towarzyszy emisja fotonu). Ponieważ wyłącznie elektrony wyrzucone z atomów przy powierzchni mają szansę wydo-stać się poza próbkę bez straty energii, obie metody „wi-dzą” tylko kilka najbardziej zewnętrznych warstw atomowych materiału.

Ý Prof. dr hab. Aleksander Jabłoński (od lewej) przy spektrometrze wielokomorowym podczas wizyty ambasadora Japonii (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)


43

...zobaczyć!

Za pomocą spektroskopii fotoelektronowej można anali-zować m.in. wartościowość i formę chemiczną pierwiastków oraz rozkład związków chemicznych na powierzchni mate-riałów, w tym nieprzewodzących, takich jak substancje po-chodzenia biologicznego, ceramiki czy tworzywa sztuczne.

Wiązkę elektronów łatwiej skupić niż promieniowanie rentgenowskie, spektroskopia elektronów Augera pozwala więc otrzymać większą rozdzielczość rozkładu pierwiastków na powierzchni, dochodzącą w najnowszych urządzeniach do zaledwie 10 nanometrów.

Wykonanie poprawnych analiz za pomocą spektroskopii powierzchniowo czułych wiąże się z koniecznością opraco-wania wiarygodnej teorii transportu elektronów w obszarze powierzchniowym materii skondensowanej. Do formalizmu matematycznego opisującego to zjawisko wprowadzono pewne parametry umożliwiające ilościową analizę powierzch-ni. Rozszerzenie teorii dokonane przez prof. Jabłońskiego oraz jego propozycje nowych parametrów zaowocowały stworzeniem obszernych baz danych, ułatwiających pracę użytkownikom spektroskopii elektronowych.

Przygotowane w naszym instytycie dane – zawierają-ce takie parametry jak przekroje czynne na rozpraszanie

elektronów, średnie drogi swobodne elektronów oraz drogi pochłaniania elektronów – wzbudziły zainteresowanie ame-rykańskiego Narodowego Instytutu Technologii i Standar-dyzacji NIST, który podjął się ich dystrybucji. W rezultacie w latach 2001-2010 rozprowadzono ponad 2000 pakietów programowych zawierających bazy danych przygotowane w naszym instytucie. Bazy te są wykorzystywane powszech-nie przez naukowców z całego świata.

Niedawno prof. Jabłoński zakończył testy kolejnej bazy danych, SRD 154, tym razem zawierającej tzw. modyfikowa-ne czynniki wstecznego rozpraszania. n

KONTAKT:



Ý Prof. dr hab. Michał Kleiber, prezes Polskiej Akademii Nauk, oraz prof. dr hab. Aleksander Jabłoński rozmawiają o spektroskopii fotoelektronowej oraz spektroskopii elektronów Augera. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

44


NOWATORSKI CZUJNIK WyKRyJE SKAżENIE MELAMINąDzięki wykorzystaniu procesu wdrukowywania molekular-nego, nasi naukowcy zbudowali unikatowy czujnik chemicz-ny (chemosensor) do selektywnego wykrywania melaminy. Substancja ta bywa nielegalnie stosowana w celu zawyżania zawartości białek w produktach spożywczych, mierzonej za pomocą detektorów badających ilość azotu w próbce. Urzą-dzenie, przetestowane w warunkach laboratoryjnych, zgło-szono do opatentowania.

„Zaprezentowana przez nas metoda wykrywania i ozna-czania stężenia melaminy pozwala przeprowadzać pomiary z dokładnością, którą dotychczas mogliśmy uzyskać wy-łącznie w laboratorium”, mówi prof. Włodzimierz Kutner.

Złą sławę melamina zdobyła po skandalu z chińskim mlekiem. W drugiej połowie 2008 roku trafiła do produktów mlecznych produkowanych w Chinach, w tym do odżywek dla niemowląt. Problemy ze zdrowiem miało 300 tys. osób, hospitalizowano 50 tys. niemowląt, sześcioro z nich zmarło. Skażone produkty wykryto później w sklepach na całym świecie, w tym w Niemczech i na Słowacji.

Melamina jest stosowana w przemyśle do wytwarzania materiałów polimerowych, służących do produkcji klejów, blatów i naczyń kuchennych, nawozów sztucznych i barwni-ków (nie należy jej jednak mylić z melaniną, barwnikiem od-powiedzialnym m.in. za kolor tęczówki). Po przedostaniu się do organizmu, melamina w połączeniu z kwasem cyjanuro-wym – detergentem używanym do sterylizowania opakowań żywności – tworzy żółte złogi w kanalikach nerkowych, co prowadzi do poważnych problemów zdrowotnych; w skraj-nych przypadkach mogą się one zakończyć nawet śmiercią.

Dotychczas precyzyjne testy na obecność melami-ny można było przeprowadzać wyłącznie w laboratoriach. „W przemyśle spożywczym stosowano metody pośrednie, polegające na określaniu zawartości azotu w próbce”, wyja-śnia prof. Kutner. „Wybór azotu nie był przypadkowy, jest to bowiem pierwiastek występujący głównie w białkach”.

Melamina zawiera bardzo duże ilości azotu: stanowi on aż 2/3 jej masy. Z tego powodu w Chinach powszech-nie dodawano ją do rozcieńczonego wodą mleka. Czujniki wskazywały obecność dużych ilości azotu w produktach, co sugerowało wysoką wartość odżywczą próbek.

Opracowany w naszym instytucie detektor reaguje nie na azot, a bezpośrednio na melaminę. „Gdy badany roz-twór przepływa przez warstwę detekcyjną naszego chemo-czujnika, tylko cząsteczki melaminy pasują do znajdujących

się w niej luk molekularnych i tylko one mogą w nich ugrzę-znąć”, opisuje prof. Kutner.

Warstwa detekcyjna jest osadzona na elektrodzie rezo-natora kwarcowego. Gdy cząsteczki melaminy wypełnia-ją luki, wzrasta masa warstwy, co prowadzi do łatwych do zmierzenia zmian częstotliwości drgań rezonatora. Po po-miarze cząsteczki melaminy można wypłukać, dzięki czemu czujnik nadaje się do ponownego użycia.

Kluczowym elementem chemoczujnika jest warstwa de-tekcyjna grubości kilkuset nanometrów. Warstwę tę wytwa-rza się metodą wdrukowywania molekularnego. Melaminę miesza się z monomerem funkcyjnym, którego cząsteczki otaczają cząsteczki melaminy. Do roztworu wprowadza się teraz kolejny monomer (sieciujący), poddawany następnie kopolimeryzacji z monomerem funkcyjnym. Z tak powstałej, utwardzonej struktury wypłukuje się cząsteczki melaminy. Rezultatem jest porowate, przestrzenne sito, w którego lu-kach mogą się zakotwiczyć tylko cząsteczki melaminy.

We współpracy z Instytutem Fizyki PAN podjęliśmy rów-nież badania, których celem jest wyeliminowanie wrażliwego na warunki pracy rezonatora kwarcowego. Jego rolę pełni-łyby półprzewodnikowe struktury tranzystorowe. Ich obsza-ry bramkowe można pokrywać warstwami detekcyjnymi wdrukowanych molekularnie polimerów. Wykorzystanie tych struktur otwiera drogę do komercjalizacji wynalazku.

Prace nad chemoczujnikiem melaminy są realizowane w ramach wartego 73 mln zł grantu „Kwantowe nanostruk-tury półprzewodnikowe do zastosowań w biologii i medy-cynie – Rozwój i komercjalizacja nowej generacji urządzeń diagnostyki molekularnej opartych o nowe polskie przyrządy półprzewodnikowe”. W grancie uczestniczą: Instytut Fizyki PAN (koordynator grantu), Instytut Chemii Fizycznej PAN, In-stytut Wysokich Ciśnień PAN oraz Instytut Biologii Doświad-czalnej PAN, Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej, Instytut Technologii Elektronowej oraz Interdyscyplinarne Centrum Modelowania Matematycz-nego i Komputerowego Uniwersytetu Warszawskiego. n

KONTAKT:

prof. dr hab. Włodzimierz Kutner

tel. + 48 22 3433217email: [email protected]


45

...zobaczyć!

Ý Dr Piotr Pięta przy prototypie selektywnego czujnika melaminy. Kluczowym elementem chemosensora jest odpowiednio zaprojektowane sito molekularne. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

46


POLIMER POLUJE NA NIKOTyNęWspółpraca naszego instytutu i Wydziału Chemii Wichita State University doprowadziła do skonstruowania polime-rowej pułapki na nikotynę. Wyposażony w molekularne kleszcze polimer wydajnie wychwytuje cząsteczki nikotyny i jej pochodnych, może je także w kontrolowany sposób uwalniać. Związek znajdzie zastosowanie w wielokrotne-go użytku detektorach nikotyny przeznaczonych dla celów przemysłowych i biomedycznych, a także w plastrach dla

palaczy, które będą stabilniej i dłużej wydzielały nikotynę do organizmu.

„Pierwszą pułapkę na nikotynę zsyntetyzował kilka lat temu nasz amerykański partner. Były nią molekularne kleszcze, cząsteczki swobodnie pływające w roztworze i w nim tworzące kompleksy z nikotyną. Obecnie udało się nam zamocować kleszcze we wnętrzu jednego z polime-rów. Substancja ma formę stałą, dzięki czemu mogliśmy

Ý Wyposażony w molekularne kleszcze polimer, opracowany w wyniku współpracy Instytutu Chemii Fizycznej PAN z Wydziałem Chemii Wichita State University, umożliwił zbudowanie czujnika wykrywającego nikotynę w roztworach. Na zdjęciu dr inż. Krzysztof Noworyta. (Źródło: IChF PAN, G. Krzyżewski)


47

...zobaczyć!

ją wykorzystać do budowy detektorów”, mówi prof. dr hab. Włodzimierz Kutner.

Zgłoszoną do opatentowania polimerową pułapkę na ni-kotynę zbudowano z pochodnej metaloporfiryny, substancji występującej m.in. w ludzkiej krwi. Jej cząsteczka zawiera pierścień (makrocykl) z umieszczonym centralnie atomem cynku. Do tego pierścienia dołączono amidowe kleszcze. Nikotyna wiąże się z tak skonstruowanym polimerem za po-mocą swoich dwóch atomów azotu: jeden tworzy wiązanie z atomem cynku, drugi z kleszczami.

„Dzięki specyficznemu, dwupunktowemu wiązaniu mamy większą pewność, że złapana cząsteczka to właśnie nikotyna”, podkreśla dr inż. Krzysztof Noworyta i dodaje, że w jednym z opracowanych polimerów kleszcze znajdują się po obu stronach płaszczyzny pierścienia z cynkiem. Taka konstrukcja wyraźnie zwiększa efektywność pułapkowania nikotyny.

Opracowany polimer oprócz nikotyny wychwytuje także cząsteczki alkaloidów będących jej metabolitami oraz inne związki często występujące w produktach nikotynowych, np. kotyninę i miozminę. Wiązanie polimeru z nikotyną jest trwa-łe, lecz odwracalne. Dzięki tej właściwości nowe detektory do oznaczania nikotyny i jej pochodnych będą mogły być używane wielokrotnie.

KONTAKT:

dr inż. Krzysztof Noworyta

tel.: +48 22 3433217e-mail: [email protected]

Ý Polimerowa pułapka na nikotynę składa się z pochodnej porfiryny (kolor czarny), w której do makrocyklu (niebieski) zawierającego cynk (fiolet) dołączono amidowe kleszcze (zielony). Cząsteczkę nikotyny przedstawiono w kolorze czerwonym. Dolna grafika to trójwymiarowa wizualizacja polimeru. (Źródło: IChF PAN/Tentaris/ACh)

Detekcja nikotyny następuje, podobnie jak w przypad-ku melaminy, za pomocą rezonatora piezoelektrycznego pokrytego elektrolitycznie warstwą polimeru. Wychwycone cząsteczki nikotyny zwiększają masę warstwy, co wpływa na łatwą do zmierzenia zmianę częstotliwości drgań rezo-natora.

„Można powiedzieć, że po prostu ciągle ważymy war-stewkę naszego polimeru. Ponieważ wiemy, ile ważyła na początku i wiemy, że wyłapuje ona tylko nikotynę i jej związ-ki, wzrost wagi oznacza obecność tych substancji w roztwo-rze”, wyjaśnia dr inż. Noworyta.

Kwarcowe rezonatory objętościowej fali akustycznej, sto-sowane w doświadczeniach z nowym polimerem, umożliwia-ją detekcję nikotyny w roztworach. W najbliższym czasie nasi naukowcy planują wykorzystać rezonatory fali powierzchnio-wej, które drgają ze znacznie większymi częstotliwościami, są więc czulsze i po pokryciu polimerem wychwytującym ni-kotynę mogłyby wykrywać ją także w gazach.

W opisanej metodzie wykrywanie i oznaczanie nikotyny nie musi ograniczać się do ważenia. Ponieważ nikotyna jest elektroaktywna, równocześnie z pomiarem częstotliwości będzie można mierzyć prąd utleniania nikotyny „pułapkowa-nej” w polimerze. Jednoczesny pomiar dwiema metodami zwiększy niezawodność detekcji.

Polimer z kleszczami na nikotynę można wykorzystać m.in. w czujnikach przeznaczonych do analizy stężenia niko-tyny w liściach tytoniwych oraz w badaniach biomedycznych na zawartość metabolitów nikotyny w płynach ustrojowych pacjentów. Innym potencjalnym zastosowaniem są plastry nikotynowe wspomagające zwalczanie nałogu palenia tyto-niu. Dzięki nowemu polimerowi mogłyby one uwalniać niko-tynę dłużej i równomierniej. n

48


REWOLUCyJNE NANOPODłOżA DO TESTóW MEDyCZNyCHLaboratorium we wnętrzu mikroczipa, zdolne w pojedyn-czym badaniu wykryć większość rodzajów przeciwciał we krwi pacjenta, oznaczałoby rewolucję w diagnostyce me-dycznej. Lekarze zyskaliby szybki dostęp do naturalnej kar-toteki chorób badanej osoby, zarówno przebytych, już trwa-jących, jak i tych, które dopiero rozwiną się w przyszłości. Ta futurystyczna wizja staje się bliższa rzeczywistości dzięki nowatorskim, złoconym podłożom z azotku galu, opracowa-nym przez naukowców z naszego instytutu i Instytutu Wyso-kich Ciśnień PAN (IWC PAN).

Unikatowe w skali świata parametry podłoży po raz pierwszy otwierają drogę do długo oczekiwanego upo-wszechnienia wzmacnianej powierzchniowo spektroskopii ramanowskiej SERS. Za pomocą tej niezwykle czułej tech-niki badawczej można wykrywać bakterie, wirusy, a nawet pojedyncze cząsteczki.

„Brak podłoży o odpowiedniej nanostrukturze od trzech dekad uniemożliwiał stosowanie SERS w medycynie. Nam udało się tę przeszkodę wreszcie pokonać”, mówi prof. dr hab. Robert Hołyst.

Podłoża do SERS będą miały w przyszłości podstawo-we znaczenie dla metod detekcyjnych w biologii i medycy-nie. Potencjał spektroskopii SERS jest tak duży, że prace nad podłożami do niej prowadzi m.in. Agencja Zaawanso-wanych Obronnych Projektów Badawczych Departamentu Obrony USA – DARPA.

Chropowacone w skali nanometrowej podłoża odgry-wają w spektroskopii ramanowskiej kluczową rolę. Efekt Ramana polega na nieelastycznym rozpraszaniu fotonów na cząsteczkach. Zazwyczaj cząsteczka, na której zacho-dzi rozpraszanie, pochłania foton i natychmiast emituje inny, o tej samej energii – fizycy mówią wówczas o rozpraszaniu elastycznym lub Rayleigha. Niekiedy zdarza się jednak, że część energii fotonu zostanie przekazana np. w wibracje cząsteczki lub w jej ruch obrotowy. W takiej sytuacji foton wyemitowany przez cząsteczkę będzie miał nieco mniejszą energię. Może zdarzyć się też sytuacja przeciwna: cząstecz-ka odda nieco energii emitowanemu fotonowi.

W obu przypadkach opisane rozpraszanie określa się jako ramanowskie, od nazwiska jego odkrywcy, indyjskiego

Ý Dr Agnieszka Michota-Kamińska z próbkami nowych podłoży sersowskich, przy aparaturze badawczej. (Źródło: IChF PAN/Grzegorz Krzyżewski)


49

...zobaczyć!

fizyka i noblisty Venkata Ramana. Jest ono niezwykle rzad-kim zjawiskiem: zaledwie jeden foton na dziesiątki milionów jest rozpraszany w ten sposób, co oznacza, że bardzo trud-no go zarejestrować.

W 1974 roku brytyjski chemik Martin Fleischmann ze współpracownikami zauważył silny sygnał rozpraszania ra-manowskiego, pochodzący od cząsteczek umieszczonych na chropowatym podłożu ze srebra. Kolejne badania ujawni-ły, że zachodzi tu rzeczywiście efekt wzmocnienia, występu-jący także na podłożach ze złota, platyny i miedzi. W każdym przypadku warunkiem koniecznym wystąpienia wzmocnienia okazało się właściwe ukształtowanie powierzchni.

„Jeśli powierzchnia jest odpowiednio schropowacona, na ostrych krawędziach nierówności znacznie rośnie natę-żenie pola elektromagnetycznego. Z podobnego powodu wszelkie konstrukcje o kształcie iglic przyciągają pioruny”, wyjaśnia prof. Hołyst.

Cząsteczki osadzone na tak przygotowanej powierzch-ni przebywają w bardzo silnym polu elektromagnetycznym i znacznie częściej rozpraszają fotony w sposób nieelastyczny, ramanowski. Jako metoda analizy, wzmacniana powierzch-niowo spektroskopia ramanowska (Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS) jest wyjątkowo atrakcyjna, ponieważ pierwotny sygnał zostaje potężnie wzmocniony, zazwyczaj od miliona do miliarda razy. Tak wysoka czułość metody pozwala wykrywać nawet pojedyncze cząsteczki chemiczne.

Dobre podłoże sersowskie powinno mieć w miarę regu-larną, periodyczną strukturę powierzchniową, gwarantującą powtarzalność rejestrowanych przez aparaturę sygnałów. Do jego skonstruowania wykorzystano podłoża z azotku galu (GaN), opracowane w Instytucie Wysokich Ciśnień PAN. Pro-ces wytwarzania zaczyna się od wyprodukowania podłoża GaN zawierającego równomiernie rozłożone defekty struktu-ralne, czyli dyslokacje. Powierzchnia GaN jest następnie pod-dawana fototrawieniu, które zachodzi wszędzie z wyjątkiem defektów. W rezultacie powstają pionowe kolumny o śred-nicach kilkudziesięciu nanometrów. Wskutek sił napięcia, swobodne końce sąsiednich nanokolumn łączą się ze sobą, tworząc liczne struktury przypominające stogi na polach. Po tym etapie podłoża są przekazywane z IWC PAN do naszego instytutu, gdzie napyla się na nie cienką warstwę złota. Rezul-tatem procesu jest bardzo rozwinięta powierzchnia, pokryta równomiernym gąszczem nanometrowych złotych stożków.

Skonstruowane przez naszych naukowców podłoża sersowskie mają wyjątkowe cechy. „Podłoża dotychczas dostępne na rynku wymagały szczególnie ostrożnego trak-towania. Trzeba je było przechowywać w atmosferze azotu, nie wolno było dotykać, a mimo to po rozpakowaniu traci-ły zdolność wzmacniania w ciągu zaledwie godzin. Nasze

podłoża można włożyć na kilka miesięcy do zwykłej szuflady i nadal będą nadawały się do użycia”, podkreśla dr Agniesz-ka Michota-Kamińska.

Ze względów ekonomicznych istotny jest fakt, że nasze podłoża – jako jedyne na świecie – można stosować wielo-krotnie. Ich struktura powierzchniowa jest tak trwała, że nasi badacze mogli opracować skuteczne procedury czyszcze-nia, gwarantujące utrzymanie wysokiego poziomu wzmoc-nienia sygnałów SERS.

Podłoża do badań z użyciem spektroskopii ramanow-skiej SERS zbudowano przy okazji realizowania grantu „Kwantowe nanostruktury półprzewodnikowe do zastoso-wań w biologii i medycynie”. Jego dalekosiężnym celem jest skonstruowanie sensora służącego do detekcji przeciwciał we krwi. Głównym elementem urządzenia będzie półprze-wodnik pokryty siecią tysięcy mikrometrowych zagłębień. W każdym dołku zostanie umieszczona inna, starannie do-brana sekwencja aminokwasów, wabiąca określone prze-ciwciała. Odpowiedni układ mikroprzepływowy dostarczy krew, której przeciwciała przyłączą się tylko do pasujących polipeptydów w dołkach. Odczyt danych będzie następował za pomocą techniki SERS. n

KONTAKT:

dr Agnieszka Michota-Kamińska


Ý Porównanie wzmocnienia sygnału ramanowskiego nowych podłoży sersowskich (wykres zielony) z jedynymi podłożami komercyjnie dostępnymi na rynku (wykres czerwony). Na osi pionowej natężenie promieniowania ramanowskiego, na osi poziomej częstotliwość rejestrowanych fal elektromagnetycznych. (Źródło: IChF PAN)

50


ZłOTE MIKROKWIATy WZMOCNIą SyGNAły CZąSTECZEKWzmacniana powierzchniowo spektroskopia ramanow-ska (Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS) jest obiecującą techniką badawczą. Dzięki niej sygnały emitowa-ne przez cząsteczki chemiczne mogą zostać wzmocnione setki tysięcy, a nawet miliony razy. „Jednak nie ma róży bez kolców”, mówi dr hab. Marcin Fiałkowski, prof. IChF PAN. „Aby wzmocnienie było tak duże, cząsteczki należy umie-ścić na odpowiednio ukształtowanym podłożu. Pod mikro-skopem elektronowym zazwyczaj przypomina ono spiczaste góry, na przykład takie jak Alpy, z tą różnicą, że tu wysokość wierzchołków mierzy się w nanometrach, a góry pokrywa nie śnieg, lecz warstwa złota”.

Na rynku nie ma obecnie tanich, dobrych i łatwych w eks-ploatacji podłoży do analizy sersowskiej, co jest jednym z czynników hamujących komercjalizację metody. Obiecują-cym rozwiązaniem problemu wydają się podłoża opracowa-ne w naszym instytucie w związku z realizacją grantu „Kwan-towe nanostruktury”. Powstają one poprzez osadzanie na powierzchni płytki wytrącających się z roztworu, sferycznych i silnie postrzępionych złotych struktur. Oglądane pod mikro-skopem elektronowym, te mikronowych rozmiarów kule przy-pominają pąki kwiatowe zbudowane z wielu płatków złota.

Największe wzmocnienie sygnału SERS występuje, gdy cząsteczka osiądzie na styku dwóch „szczytów” podłoża.

Ý Doktorantka Katarzyna Winkler przegląda zdjęcia z mikroskopu elektronowego przedstawiające podłoża wykonane ze złotych mikrokwiatów. (Źródło: IChF PAN/Grzegorz Krzyżewski)


51

...zobaczyć!

KONTAKT:

dr hab. Marcin Fiałkowski prof. IChF PAN


Efekt ten trudno uzyskać na dotychczasowych, przypomina-jących góry powierzchniach, ponieważ poszczególne wierz-chołki są na nich wyraźnie rozdzielone. Inaczej jest w przy-padku podłoży ze złotych kwiatów.

„Gdy postrzępione mikrokwiaty osadzają się na po-wierzchni, tworzą grube, złożone struktury przestrzenne z dużą liczbą miejsc styku między płatkami. To dlatego sy-gnały emitowane z naszych podłoży są wzmacniane nawet dziesięć milionów razy”, podkreśla doktorantka Katarzyna Winkler.

Nie mniej istotna od wzmocnienia jest powtarzalność sygnałów otrzymywanych z konkretnego podłoża. Warstwy ze złotych kwiatów sprawdzają się pod tym względem zna-komicie. Sygnały pochodzące od cząsteczek tego samego typu, znajdujących się w różnych miejscach tego samego podłoża, są do siebie bardzo podobne, co nie zawsze ma miejsce w przypadku powierzchni otrzymywanych innymi metodami. Wysoką powtarzalność sygnałów zaobserwo-wano także dla podłoży wykonanych na różnych płytkach, z użyciem osobno przygotowanych roztworów.

Produkcja podłoży ze złotych mikrokwiatów jest szybka, prosta i tania, nie wymaga stosowania robotów ani pomiesz-czeń o wysokiej czystości. „W mieszaninie reakcyjnej mamy tylko sól złota i reduktor w odpowiedniej proporcji. Jego zadaniem jest zredukowanie kationów złota do złota meta-licznego”, mówi Winkler. Do tak przygotowanego roztworu wystarczy włożyć schropowaconą płytkę. Proces osadza-nia złotych kwiatów zazwyczaj kończy się w ciągu godziny, a samo podłoże jest gotowe do użycia już następnego dnia.

Metoda pokrywania powierzchni złotymi mikrokwiata-mi z przeznaczeniem dla spektroskopii SERS została zgło-szona do opatentowania. Obecnie nasi naukowcy dążą do tego, aby pokryte mikrokwiatami podłoża mogły być wyko-rzystywane wielokrotnie do pomiarów z użyciem różnych substancji. W tym celu są opracowywane metody zmywania analitów nienaruszające struktury podłoża. n

Û Zdjęcia podłoży z mikrokwiatów złota wykonane za pomocą mikroskopu elektronowego. Powiększenia od góry: 1000x, 5000x, 10 000x, 30 000x. (Źródło: IChF PAN)

52


NANOSTRUKTURy WęGLOWE UłATWIą WyKRyCIE CHOROBy PARKINSONANiedobór dopaminy jest oznaką ciężkich chorób układu nerwowego. Badania stężenia dopaminy, które w płynach fizjologicznych zazwyczaj i tak jest bardzo małe, są drogie i wymagają specjalistycznej aparatury, niedostępnej w gabi-netach lekarskich. Sytuacja może się zmienić dzięki wyna-lazkowi naszych naukowców, którzy skonstruowali elektrody pokryte nanocząstkami węgla osadzonymi na drobinach polikrzemianowych. Elektrody z powodzeniem wykorzysta-no do badania stężeń dopaminy w roztworach w obecności kwasów moczowego i askorbinowego oraz paracetamolu, substancji utrudniających analizę.

Opracowana metoda detekcji dopaminy otwiera drogę do tanich i szybkich testów medycznych. Za ich pomocą le-karze już w swoich gabinetach mogliby z dużym prawdopo-dobieństwem ustalić, czy pacjent cierpi na popularne scho-rzenia układu nerwowego, takie jak choroba Parkinsona.

Elektrody opracowane w naszym instytucie składają się z naprzemiennych warstw drobin polikrzemianowych i nano-cząstek węgla. Polikrzemianowe drobiny mają rozmiary od 100 do 300 nanometrów (miliardowych części metra). Jako nieprzewodzące, pełnią jedynie rolę szkieletu rozbudowu-jącego powierzchnię elektrody. Polikrzemiany są gęsto po-kryte nanocząstkami węgla (w rozmiarach od 8 do 18 nm), które tworzą właściwą, przewodzącą prąd powierzchnię ro-boczą.

Wytwarzanie elektrod z nowymi pokryciami jest tanie. Elektrody naprzemiennie zanurza się na kilka sekund w od-powiednio przygotowanych zawiesinach, raz z drobinami polikrzemianowymi, raz z nanocząstkami węglowymi.

„Nanocząstki węglowe mają grupy funkcyjne naładowa-ne ujemnie, a polikrzemiany dodatnio. Występujące między nimi oddziaływania elektrostatyczne są dość silne. Spraw-dziliśmy, że wielokrotnie powtarzając zanurzenia można na powierzchni elektrody zbudować ‘kanapkę’ nawet z 24 warstw”, opisuje doktorantka Anna Celebańska.

Niedobór dopaminy występuje m.in. w chorobie Par-kinsona, zatem jego wykrywanie ma istotne znaczenie me-dyczne. Zadanie jest trudne, ponieważ stężenie dopaminy w płynach ustrojowych, nawet u osób zdrowych, jest bar-dzo małe. Co gorsza, w próbkach z dopaminą zazwyczaj są obecne inne substancje, takie jak kwas moczowy i askorbi-nowy. Oba związki generują podobne sygnały co dopamina, a występują w stężeniach tysiąckrotnie większych.

Aby za pomocą nowej metody sprawdzić stężenie do-paminy, elektrody z nanocząstkami węglowymi zanurza się w odpowiednio przygotowanym roztworze z próbką, po czym przykłada się potencjał elektryczny. Dopamina jest elektrochemicznie aktywna i dobierając odpowiednią war-tość potencjału można ją utlenić. Niestety, jej sygnał jest zwykle przesłonięty sygnałami pochodzącymi od kwasów askorbinowego i moczowego. Jednak dzięki nanocząstkom węgla na powierzchni elektrod, wartości potencjałów, przy których następuje utlenienie obu kwasów, zmieniają się. W efekcie piki na wykresie rozdzielają się i sygnał pocho-dzący od dopaminy staje się widoczny.

„Wyniki przeprowadzonych testów okazały się bardzo dobre. Nasza metoda należy do jednych z najczulszych sposobów detekcji dopaminy. Pozwala wykryć ją w stęże-niach do 10-7 mola na litr w obecności substancji przeszka-dzających o stężeniu 10-3 mola na litr”, mówi Celebańska.

Ý Zdjęcia mikroskopowe czystych drobin polikrzemianowych (po lewej) i pokrytych nanocząstkami węgla (po prawej). (Źródło: IChF PAN)

Ý Zdjęcie mikroskopowe powierzchni elektrody z 24 warstwami drobin polikrzemianowych pokrytych nanocząstkami węgla. Elektrody tego typu mogą wykrywać dopaminę w roztworach nawet w obecności substancji zakłócających pomiar. (Źródło: IChF PAN)


53

...zobaczyć!

Obecne metody badania stężenia dopaminy są drogie i wymagają specjalistycznego sprzętu. Tymczasem na ryn-ku są dostępne stosunkowo tanie, mieszczące się w dłoni przyrządy do detekcji substancji chemicznych. Gdyby wy-posażyć je w nowe elektrody i upowszechnić w gabinetach lekarskich, pacjent o swojej chorobie mógłby dowiedzieć się jeszcze przed końcem wizyty.

Detekcja dopaminy za pomocą nowych elektrod jest możliwa do stężeń odpowiadających stężeniom dopaminy w płynach ustrojowych zdrowego człowieka. Stężenia mniej-sze, charakterystyczne dla osób chorych, nie zostaną do-kładnie oznaczone i detektor nie zadziała.

„Metoda ma naturalny próg detekcji, dzięki któremu potrafimy ustalić, że dopaminy w organizmie jest za mało. Ile za mało? Tego na razie nie umiemy powiedzieć. Mamy

jednak nadzieję na dalsze zwiększenie czułości metody”, stwierdza prof. dr hab. Marcin Opałło.

Elektrody pokryte nanocząstkami węglowymi osadzony-mi na polikrzemianach powstały w ramach grantu „Kwanto-we nanostruktury półprzewodnikowe do zastosowań w bio-logii i medycynie”. n

KONTAKT:

prof. dr hab. Marcin Opałło


Ý Elektrody pokryte nanocząstkami węgla osadzonymi na kulkach polikrzemianowych pozwalają wykrywać niedobór dopaminy. Za ich pomocą będzie można diagnozować popularne choroby układu nerwowego. Na zdjęciu doktorantka Anna Celebańska, główna autorka badań. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

54


WęDRUJąCE MIKROKROPLE ZBIERAJą WIRUSy I BAKTERIEPrzyszłością chemii są miniaturowe urządzenia służące do prowadzenia reakcji i analiz chemicznych. Budowa ukła-dów tego typu, popularnie nazywanych „laboratoriami na czipach” (lab on chip), stawia jednak przed konstruktorami poważne wyzwania.

„Można zrobić świetny mikroukład do analiz, ale żeby pracował, trzeba mu jeszcze w odpowiedni sposób przygo-tować próbkę”, mówi dr Martin Jönsson-Niedziółka i dodaje:

„Przypuśćmy, że na pewnej powierzchni znajdują się wirusy i bakterie. Gdybyśmy spróbowali tę powierzchnię zwyczajnie przemyć wodą, a następnie jej kroplę wprowadzić do mikro-analizatora, efekt byłby kiepski. Po prostu stężenie zanie-czyszczeń w próbce okaże się za małe”.

Aby zapewnić jak największe stężenie biozanieczysz-czeń, lepiej użyć niewielkiej kropli wody, objętości zaledwie mikrolitra. Kroplę taką wprowadza się między dwie płytki:

Ý Dr Martin Jönsson-Niedziółka zajmuje się metodami oczyszczania powierzchni z biozanieczyszczeń za pomocą mikrokropel sterowanych polem elektrycznym. (Źródło: IChF PAN/Grzegorz Krzyżewski)


55

...zobaczyć!

dolną, na której wcześniej elektrostatycznie osadzono zanie-czyszczenia, oraz górną, pokrytą układem małych elektrod i warstwą izolatora (zabezpiecza on przed przepływem prą-du przez kroplę, co mogłoby prowadzić do elektrolizy). Wy-korzystując zjawisko zwane elektrozwilżaniem i odpowiednio przykładając napięcie, kroplę można precyzyjnie przesuwać po powierzchni i w ten sposób zebrać biozanieczyszczenia z całej płytki.

Dodatkową zaletą metody jest fakt, że pobrana próbka znajduje się od razu w stanie ciekłym, wymaganym przez wiele metod pomiarowych. Co więcej, ponieważ ruch mikro-kropli jest łatwy do kontrolowania, znika problem z dostar-czaniem próbki do dalszych podzespołów „laboratorium na czipie”.

Układy z mikrokroplami są budowane i testowane od kilku lat. Wątpliwości grupy naukowców z naszego instytutu oraz francuskich Institut d’Electronique, de Microélectroni-que et de Nanotechnologie i Institut de Recherche Interdi-sciplinaire budził fakt, że wszystkie wcześniejsze publikacje o mikrokroplach opisywały proces zbierania z powierzchni kuleczek lateksowych. Drobiny te stosuje się, ponieważ są łatwo dostępne w różnych rozmiarach i bezpieczne podczas testów. Nie było jasne, czy mikrokrople będą równie efek-tywnie zbierały rzeczywiste biozanieczyszczenia, takie jak przetrwalniki bakterii czy wirusy.

W badaniach użyto mikrourządzenia zbudowanego przez grupę francuską. Do prób wykorzystano nieaktywny bakteriofag (wirus atakujący bakterie) MS2, przetrwalniki (spory) bakterii Bacillus atrophaeus oraz cząsteczki białek OA (albumina jaja kurzego). Biopróbki osadzono na dwóch

różnych powierzchniach. Jedną z nich była powierzchnia hydrofobowa, pokryta substancją przypominającą teflon. Druga została zbudowana z nanodrutów długo-ści mikrometra, a jej właściwości hydro-fobowe były zbliżone do tych, z których słyną liście lotosu. Powierzchni tego typu – superhydrofobowej – nie badano do-tychczas w żadnych mikroukładach wyko-rzystujących zjawisko elektrozwilżania.

W doświadczeniach przeprowadzo-nych z wirusami rodzaj powierzchni, na

której się znajdowały, nie wpływał w istotny sposób na efek-tywność czyszczenia mikrokroplami. Wynosiła ona 98-99% i była nawet większa do typowej dla drobin lateksowych (92-93%). Inaczej sytuacja wyglądała dla sporów i cząsteczek białek. Wysoki procent oczyszczenia powierzchni stwierdzo-no dla nich tylko na powierzchni superhydrofobowej (odpo-wiednio 99 i 92%), podczas gdy na powierzchni hydrofobo-wej wartości były wyraźnie niższe (46% i 71%).

Opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „Lab on a Chip” wyniki pokazują, że efektywność oczyszczania po-wierzchni mikrokroplami silnie zależy zarówno od rodzaju zbieranych drobin, jak i od własności hydrofobowych sa-mych powierzchni.

„Każdy, kto za pomocą mikrokropel chce efektywnie zbierać biopróbki różnych typów, powinien stosować po-wierzchnie superhydrofobowe”, podsumowuje dr Jönsson-Niedziółka. n

KONTAKT:

dr Martin Jönsson-Niedziółka


Û Wygląd powierzchni przed oczyszczeniem (po lewej) i po oczyszczeniu (po prawej) z biozanieczyszczeń za pomocą mikrokropli sterowanej polem elektrycznym. Zdjęcie z mikroskopu fluorescencyjnego. (Źródło: IChF PAN)

56


żELE OSZUKUJą BADACZyU wejścia do portu dochodzi do zderzenia dwóch tankow-ców wypełnionych ropą. Czy gigantyczna katastrofa ekolo-giczna jest nieunikniona? Dziś najbardziej prawdopodobna odpowiedź brzmi: tak. W przyszłości efektem zderzenia może być tylko pogięty metal. Ropa nie wypłynie, ponieważ wewnątrz zbiornika będzie miała postać żelu.

„Transport niebezpiecznych cieczy w formie zżelowanej to obecnie fantazja. Nie można jednak wykluczyć, że w przy-

szłości uda się opracować związki żelujące, które pozwolą zwiększyć bezpieczeństwo. Ale aby to się stało, musimy najpierw dokładnie poznać wewnętrzną strukturę żeli oraz mechanizmy rządzące ich powstawaniem”, mówi dr Roman Luboradzki.

żele to układy przypominające wyglądem mniej lub bar-dziej sprężystą galeretę. Zazwyczaj są dwuskładnikowe: jeden składnik pełni rolę rozpuszczalnika, drugi – czynnika

żelującego. W procesie żelowania (polegają-cym na schłodzeniu ciekłej mieszaniny obu składników) czynnik żelujący tworzy w prze-strzeni żelu rozległą sieć, która unieruchamia rozpuszczalnik. Sieć najczęściej składa się z amorficznych struktur przypominających nitki lub tasiemki, rzadziej są to stykające się kon-strukcje sferyczne.

W żelach chemicznych cząsteczki czynnika żelującego łączą się ze sobą za pomocą sil-nych wiązań kowalencyjnych i tworzą bardzo sztywne i trwałe struktury. żele fizyczne, bada-ne w naszym instytucie, powstają na odmiennej zasadzie. Czynnik żelujący, którym zwykle jest jakaś substancja organiczna, zawiera małe czą-steczki, liczące od kilkunastu do kilkudziesię-ciu atomów (stąd nazwa: Low Molecular Mass Organic Gelators, LMOG). Cząsteczki te łączą się w długie struktury oddziałując ze sobą za pomocą słabych oddziaływań, takich jak wiąza-nia wodorowe, oddziaływania p-p, siły van der Waalsa itp.

Przejście żelu fizycznego w ciecz i cieczy w żel to procesy odwracalne. Zwykle zacho-dzą bardzo szybko, przy zmianie temperatury o zaledwie 1-2 stopnie w pobliżu wartości kry-tycznej.

Analizowanie struktury żeli, zwłaszcza typu LMOG, jest trudne. Oba składniki żelu często charakteryzują się zbliżoną przezroczysto-ścią, a szczegóły struktury sieci mają rozmiary rzędu co najwyżej kilkunastu-kilkudziesięciu

Û Dr Roman Luboradzki przy dyfraktometrze rentgenowskim wykorzystywanym w badaniu struktury krystalicznej kserożeli. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)


57

...zobaczyć!

nanometrów. żelu o takiej budowie nie można obejrzeć pod mikroskopem optycznym. Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) wymaga natomiast umieszczenia próbki w próżni. Wymóg ten oznacza, że żel należy najpierw od-powiedno przygotować do badań.

Aby zagwarantować zachowanie struktury czynnika żelującego pod mi-kroskopem SEM, naukowcy stosu-ją dwie metody. Pierwsza polega na umieszczeniu próbki żelu w pompie próżniowej. W obniżonym ciśnieniu rozpuszczalnik szybko paruje, pozo-stawiając utrwalony czynnik żelujący, zwykle wyglądający jak biały puder. Tak powstała struktura jest nazywana kse-rożelem.

Kserożele otrzymuje się również z użyciem sublimacji. W tym przypadku próbkę zamraża się w ciekłym azocie. Zakłada się przy tym, że proces zamrażania próbki prze-biega tak szybko, że struktura sieci tworzonej przez czynnik żelujący się nie zmienia. Zamrożona próbka trafia następ-nie do komory próżniowej, gdzie rozpuszczalnik stopniowo sublimuje.

„Problem w tym, że na niektórych obrazach z mikrosko-pu SEM widać kryształy w kserożelach, w których teoretycz-nie być ich nie powinno. Nie wiedzieliśmy, czy kryształy te są rzeczywistą częścią struktury żelu, czy skutkiem procedury przygotowywania próbki do badań mikroskopowych. Dlate-go postanowiliśmy sprawdzić, jak zmienia się struktura kse-rożelu pod wpływem czasu i w zależności od sposobu przy-gotowywania próbek dla mikroskopu”, mówi dr Luboradzki.

Wyniki otrzymane w naszym instytucie wskazują, że nie zawsze to, co widać pod skaningowym mikroskopem elek-tronowym, odpowiada pierwotnej strukturze czynnika żelują-cego w żelu.

Niezbędnym etapem przygotowania próbki do badania pod mikroskopem SEM jest napylenie na nią warstwy prze-wodzącej. Ponieważ proces wiąże się z lokalnym podgrze-waniem próbki, obawiano się, że może prowadzić do zmian struktury kserożelu. Testy napylania węglem, platyną, złotem i palladem wykazały jednak, że napylanie nie wpływa na morfologię kserożelu.

Jednocześnie udało się zauważyć, że struktura nie-których kserożeli zależała od objętości próbki, a nawet od kształtu naczynia z próbką. Kserożele przygotowane w stan-dardowej butelce zawierały więcej struktur krystalicznych niż

próbki o dziesięciokrotnie mniejszej objętości umieszczone w kapilarach. Zaobserwowano także, że przemianę amor-ficznych nitek gotowego kserożelu w formę krystaliczną można przyspieszyć lekko podgrzewając próbkę. Co wię-cej, niektóre kserożele zaczynały samoistnie krystalizować po upływie kilku miesięcy. Oznacza to, że nawet poprawnie przygotowana próbka kserożelu nim trafi pod mikroskop SEM może w istotny sposób zmienić swoją strukturę.

„Kserożele nie grają z naukowcami czysto – przynaj-mniej niektóre próbują nas oszukiwać. Teraz, gdy o tym wie-my, będziemy mogli uniknąć wielu błędów interpretacyjnych i szybciej rozwiązać zagadkę, w jaki sposób jedna mała cząsteczka czynnika żelującego potrafi skutecznie związać nawet dziesięć tysięcy cząsteczek rozpuszczalnika”, mówi dr Luboradzki. n

KONTAKT:

dr Roman Luboradzki


Ý Amorficzna struktura kserożelu na zdjęciu ze skaningowego mikroskopu elektronowego. Kolory sztuczne. (Źródło: IChF PAN)

58


KROK KU SPERSONALIZOWANEJ MEDyCyNIE


59

...zobaczyć!

Informacja, jak silnie reagują ze sobą dwie rozpuszczo-ne substancje, ma istotne znaczenie w wielu dziedzinach, przede wszystkim w chemii, biologii molekularnej, farmacji oraz medycynie. Opracowana w naszym instytucie nowa technika analityczna pozwala w tani i pewny sposób okre-ślić trwałość kompleksów powstających w wyniku reakcji za-chodzących między związkami chemicznymi w roztworach. Co ciekawe, pomiar wykorzystuje bardzo proste zjawiska fizyczne i sprowadza się do badania, w jaki sposób roztwór dwóch związków przepływa przez długą i cienką rurkę – kapilarę.

Każdy wędkarz wie, że rzeki płyną najszybciej w środko-wej części nurtu, natomiast przy brzegach prąd jest zawsze wolniejszy. W podobny sposób zachowuje się ciecz przepły-wająca przez kapilarę. Jeśli przepływ jest pozbawiony turbu-lencji (laminarny), warstwy cieczy najbliższe środka kapilary płyną szybciej niż warstwy przy ściankach.

„Właśnie ten fakt wykorzystujemy w naszej metodzie. Kluczem są jednak zjawiska związane z dyfuzją”, powiedzia-ła dr inż. Anna Bielejewska.

W rzeczywistości cząsteczki cieczy mogą przemiesz-czać się (dyfundować) z warstwy płynącej z jedną prędko-ścią do warstwy płynącej z inną. Jeśli do kapilary wypełnio-nej roztworem jednej substancji wstrzykniemy drugą, tempo dyfuzji będzie zależało od tego, jak silnie reagują ze sobą związki chemiczne z obu roztworów. Jeśli cząsteczki szybko przemieszczają się między warstwami, detektor zarejestruje wysoki i wąski pik. Im wolniej cząsteczki dyfundują między warstwami, tym pik staje się szerszy.

„Jeśli zmierzymy szerokość pików przed i po wprowa-dzeniu czynnika kompleksującego do kapilary, możemy określić współczynniki dyfuzji substancji wolnej i skomplek-sowanej, a na tej podstawie wyliczyć stałą trwałości kom-pleksu. Określa ona, czy dane substancje chemiczne wiążą się ze sobą czy nie, a jeśli tak, to jak trwale”, wyjaśniła dr inż. Bielejewska.

Urządzenie opracowane w naszym instytucie składa się z pompy gwarantującej stabilny przepływ cieczy w tempie 0,05 mililitra na minutę, autosamplera dozującego próbkę, detektora promieniowania widzialnego i ultrafioletowego oraz nawiniętej na niewielki walec kapilary średnicy 0,25 mm i długości 25 m.

Otrzymane wyniki pomiarów świetnie zgadzały się z da-nymi zebranymi klasycznymi metodami chromatograficzny-mi oraz z wartościami podawanymi w światowej literaturze naukowej. W jednym z wielu przeprowadzonych testów ka-pilarę wypełniono roztworem rozcieńczonego osocza krwi, którego składnikiem jest białko albumina, po czym wstrzyk-nięto warfarynę, organiczny związek chemiczny stosowany jako lek przeciwzakrzepowy. Również w tym przypadku wy-niki doświadczenia okazały się poprawne.

Nowa technika analityczna, zgłoszona do opatentowa-nia, może znaleźć zastosowanie nie tylko w chemii, ale tak-że w medycynie, przy dobieraniu dawek leków, których stę-żenie we krwi powinno być ściśle określone.

„Obecnie lekarz najpierw podaje pacjentowi lek, potem przeprowadza analizę krwi, jeśli coś jest nie tak zmienia dawkę, sprawdza ponownie i tak aż do skutku. Dzięki naszej metodzie będzie można jeszcze przed rozpoczęciem kuracji raz pobrać kilka mililitrów krwi i ustalić, jak silnie wiąże ona dany lek”, stwierdziła dr inż. Bielejewska.

Pojedyncza analiza za pomocą opisanej metody trwa około pół godziny. Po tym czasie odpowiednie oprogramo-wanie podawałoby lekarzowi wynik w postaci dawki leku do-pasowanej do specyficznych cech organizmu konkretnego pacjenta.

„Opracowaliśmy nową, skuteczną metodę analizy rów-nowagi reakcji chemicznych w roztworach, do przeprowa-dzenia której wystarcza tani i prosty sprzęt pomiarowy. Czy metoda się upowszechni, zależy już tylko od przemysłu”, komentuje prof. Robert Hołyst. n

KONTAKT:



Û Nowa metoda analizy równowagi reakcji chemicznych polega na badaniu przepływu cieczy przez długą i cienką rurkę – kapilarę. Na zdjęciu doktorantka Paulina Dobosz przy chromatografie cieczowym, z nawiniętą kapilarą w dłoni. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

60


KONTAKT:

dr hab. inż. Iwona Flis-Kabulska


Ü Mikroelektrody antymonowe do pomiaru pH przy powierzchni metali, opracowane w naszym instytucie, pomogą w lepszym zrozumieniu natury procesów elektrochemicznych i korozyjnych. Na zdjęciu dr hab. inż. Iwona Flis-Kabulska. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

PRAWDZIWA TWARZ ELEKTROCHEMII I KOROZJIOd kilkudziesięciu lat w laboratoriach do pomiaru kwa-sowości/zasadowości – czyli współczynnika pH – stosuje się elektrody z antymonu. Niestety, pozwalają one mierzyć zmiany pH roztworów tylko w pewnym oddaleniu od elektrod czy korodujących metali. W naszym instytucie opracowano metodę wytwarzania mikroelektrod antymonowych, umożli-wiających pomiary zmian pH tuż nad powierzchnią metalu, na której zachodzą reakcje.

Zmiany kwasowości/zasadowości roztworu niosą waż-ne informacje o naturze reakcji chemicznych zachodzących przy powierzchniach metali. Dane te są szczególnie istotne dla lepszego poznania procesów elektrochemicznych i ko-rozyjnych. Niestety, metody pomiarowe, stosowane dotych-czas w pracowniach i laboratoriach, nie pozwalały obserwo-wać tych zmian z dostateczną precyzją.

O zasadowości bądź kwasowości informuje znany i po-wszechnie stosowany współczynnik pH. Dla czystej (a więc: obojętnej) wody wynosi on 7, dla kwasu solnego – 0, a dla wodorotlenku sodu (jednej z najsilniejszych zasad) – 14.

„Do tej pory nie byliśmy w stanie mierzyć zmian pH tam, gdzie dzieją się rzeczy najciekawsze: przy samej po-wierzchni metalu. Pomiary trzeba było prowadzić w pewnej odległości, jak mówimy: w objętości elektrolitu. Jest oczy-wiste, że w tej sytuacji zebrane dane nie zawsze dokładnie i nie zawsze natychmiast odwzorowywały to, co naprawdę się działo przy powierzchni metalu”, mówi dr hab. inż. Iwona Flis-Kabulska.

Chcąc lepiej zrozumieć mechanizmy rządzące elektro-chemią i korozją powierzchni metalowych, nasi naukowcy opracowali nowe narzędzie pomiarowe. Zgłoszony do opa-tentowania przyrząd to mikroelektroda antymonowa o kon-strukcji umożliwiającej prowadzenie łatwych i powtarzalnych pomiarów tuż nad powierzchnią metali – w odległości zaled-wie jednej dziesiątej milimetra.

Nowa mikroelektroda jest wykonywana z kapilary szkla-nej, wypełnianej płynnym antymonem. Rozciągnięta w celu zmniejszenia przekroju i płasko przycięta, mikroelektroda umożliwia prowadzenie pomiarów przy powierzchniach twar-dych, w środowisku ciekłym. Nadaje się więc do śledzenia reakcji elektrochemicznych i procesów korozyjnych, które zachodzą w wyniku oddziaływania metalu z roztworem lub cienką warstwą wody.

Dużą zaletą mikroelektrody opracowanej w naszym in-stytucie jest łatwość prowadzenia pomiarów. Konstrukcje

dostępne wcześniej na rynku wymagały m.in. stosowania mikromanipulatorów w celu precyzyjnego umieszczenia elektrod przy powierzchni.

„My wykorzystujemy zwykłą geometrię. Do powierzchni badanego metalu po prostu dosuwamy, pod odpowiednim kątem, płasko ściętą szklaną końcówkę mikroelektrody. Po-nieważ znamy średnicę końcówki i kąt jej dosunięcia, na-tychmiast wiemy, jak odchyla się ona od powierzchni, a więc w jakiej odległości od metalu znajduje się umieszczony w środku elektrody rdzeń z antymonu”, mówi dr hab. inż. Fli-s-Kabulska.

Podczas pomiaru płaska końcówka mikroelektrody jest nachylona do powierzchni badanego metalu, co oznacza, że nie styka się z nią całą powierzchnią. Fakt ten niesie do-datkowe korzyści. Protony, wytworzone podczas reakcji na powierzchni, nie rozpraszają się szybko w roztworze. Ich dy-fuzja jest spowolniona, a to znacznie zwiększa czułość przy-rządu i dokładność wyników.

Mikroelektroda antymonowa wykazuje się największą czułością przy pomiarach zmian pH w zakresie od 3 do 10.

Potencjalne możliwości wykorzystania nowej mikroelek-trody są szerokie. Przyrząd został skonstruowany z my-ślą o badaniach laboratoryjnych. Jednak z uwagi na niskie koszty wytwarzania, prostotę i powtarzalność pomiarów oraz wysoką czułość na zmiany, mikroelektrodę można byłoby stosować także w warunkach polowych, na przykład jako element czujników monitorujących stan konstrukcji żelbeto-nowych. n


61

...zobaczyć!

62


ELEKTROCHEMICZNy KROK KU LEPSZyM MAGAZyNOM WODORU


63

...zobaczyć!

KONTAKT:

prof. dr hab. Tadeusz Zakroczymski


Û Nowa membrana o warstwowej konstrukcji umożliwia – w połączeniu z odpowiednimi metodami pomiarowymi – elektrochemiczne badanie tempa przenikania wodoru w metalach reaktywnych, takich jak magnez. Na zdjęciu dr Arkadiusz Gajek. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

Wodór jest postrzegany jako uniwersalne paliwo przyszło-ści. Niestety, pierwiastek ten praktycznie nie występuje na Ziemi w stanie wolnym. Trzeba więc go najpierw wytworzyć (np. przez elektrolizę wody) i zmagazynować, by w koń-cu wykorzystać – najlepiej w ogniwach paliwowych, które przetwarzają energię chemiczną wprost w elektryczną. Lecz magazynowanie wodoru to poważny problem. Wady tra-dycyjnych zbiorników na gazowy i ciekły wodór zmuszają do poszukiwania innych rozwiązań. Jeden z obiecujących sposobów magazynowania wodoru wykorzystuje zdolność niektórych metali i stopów do łatwego pochłaniania tego pierwiastka. Opracowanie efektywnych magazynów wodo-ru wymaga jednak dokładnej wiedzy o jego dyfuzji w me-talach.

Przenikanie wodoru przez metale najwygodniej bada się za pomocą metod elektrochemicznych. Niestety, zawo-dzą one w przypadku metali, w których dyfuzja wodoru jest stosunkowo powolna, oraz wtedy, gdy metale silnie reagują z wodnymi roztworami elektrolitów. Problem w szczególno-ści dotyczy magnezu i jego stopów, uważanych za jedne z najbardziej atrakcyjnych materiałów do magazynowania wodoru. „Nam udało się pokonać tę przeszkodę”, mówi prof. dr hab. Tadeusz Zakroczymski, którego zespół od wielu lat prowadzi kompleksowe badania nad wnikaniem, dyfuzją i absorpcją wodoru w metalach.

Aby wprowadzić wodór do wnętrza metalu, można użyć bardzo dużego ciśnienia. Inna metoda, elektrochemiczna, jest prostsza, lecz równie skuteczna. „Stosunkowo niewiel-ka gęstość prądu katodowego, rzędu miliamperów na cen-tymetr kwadratowy, może odpowiadać ciśnieniu gazowego wodoru rzędu kilkudziesięciu tysięcy atmosfer”, wyjaśnia dr Arkadiusz Gajek.

O tym, jak wodór dyfunduje w metalach, dowiadujemy się zwykle dzięki elektrochemicznym pomiarom szybkości jego przenikania przez próbkę, którą jest membrana roz-dzielająca dwa niezależne naczynia elektrolityczne. Z jednej strony membrana jest ładowana wodorem wydzielającym się z roztworu wodnego na katodzie. Atomy wodoru wnika-ją następnie do membrany, dyfundują przez nią i uchodzą drugą stroną. Tutaj, dzięki odpowiednim warunkom, nie re-kombinują, lecz są natychmiast utleniane elektrochemicznie do protonów.

Metodami elektrochemicznymi można nie tylko wprowa-dzać wodór do metalu, ale także wykrywać atomy wodoru opuszczające membranę. Sposób ten jest niezmiernie czuły. łatwy do zmierzenia prąd o gęstości jednego mikroampera na centymetr kwadratowy oznacza strumień zaledwie ok. sześciu bilionów (6×1012) pojedynczych atomów na sekun-dę na centymetr kwadratowy.

Zespół prof. Zakroczymskiego skonstruował membranę, która pozwala elektrochemicznie wprowadzać wodór do me-tali o dużej reaktywności i – również elektrochemicznie – go wykrywać. Membrana ma budowę wielowarstwową. Główną warstwę, będącą konstrukcyjną podstawą membrany, wyko-nano z żelaza. Metal ten wybrano, bo atomy wodoru poru-szają się wyjątkowo szybko w sieci krystalicznej żelaza: ich tempo dyfuzji w temperaturze pokojowej jest porównywalne do tempa dyfuzji jonów wodorowych w roztworach wod-nych. Dlatego warstwa żelazna w małym stopniu wpływa na szybkość przenikania wodoru przez całą membranę.

Na obie strony żelaznej membrany naniesiono następ-nie, elektrochemicznie, cienką warstwą palladu. Tak przy-gotowane membrany były kolejno pokrywane magnezem i (w celach ochronnych) ponownie palladem. Nanoszenie obu pierwiastków wykonano w ramach współpracy z labo-ratorium prof. Wen-Ta Tsai z National Cheng Kung University w Tainan na Tajwanie.

„Mierzona szybkość przenikania wodoru przez wielowar-stwową membranę zależy od dyfuzji wodoru w poszczegól-nych warstwach. Ponieważ dyfuzja wodoru w żelazie i palla-dzie jest dobrze zbadana, znając grubości poszczególnych warstw można wydedukować, jaki jest współczynnik dyfuzji wodoru w interesującej nas warstwie magnezu”, wyjaśnia prof. Zakroczymski. n

65

...WyKORZySTAć!Siła naprawdę dobrej nauki tkwi w jej

zastosowaniach. Nauka, która przekłada się na problemy życia codziennego, nie tylko

umożliwia dalszy postęp technologiczny i naukowy cywilizacji, ale również buduje korzystny klimat

społeczny dla dalszego własnego rozwoju.

66

instytut chemii fizycznej pan ...wykorzystać!

MIKROFLUIDyCZNy PRZEłOM W BIOTECHNOLOGIACHNie ma wielkiej przesady w stwierdzeniu, że bez kolby chemicznej chemia by nie istniała. Chemicy od lat marzyli, by operacje, które tak łatwo wykonuje się z dużymi ilościami substancji wewnątrz kolb – jak dolewanie, mieszanie, odle-wanie – można było realizować także w mikroskali. Pierwszy układ mikrofluidyczny zdolny do przeprowadzenia wszyst-kich typowych operacji z substancjami chemicznymi został jednak zaprezentowany dopiero teraz. Urządzenie, skonstru-owane przez grupę kierowaną przez dr. hab. Piotra Garstec-kiego, jest tak precyzyjne, że w pojedynczych mikrokroplach można nie tylko prowadzić ściśle kontrolowane reakcje che-miczne, ale nawet hodować kolonie bakterii.

Prace naukowe opisujące układ do hodowli bakterii zo-stały właśnie opublikowane w jednym z najbardziej prestiżo-wych czasopism chemicznych, „Angewandte Chemie Inter-national Edition”.

Układy mikroprzepływowe są budowane z płytek polime-rowych o rozmiarach porównywalnych do karty kredytowej lub mniejszych. Wewnątrz układów, przez kanaliki o średni-cach rzędu dziesiątych lub setnych części milimetra, płynie laminarnie ciecz nośna (najczęściej olej), w której unoszą się mikrokrople właściwych substancji. Za pomocą jednego układu mikroprzepływowego można przeprowadzić nawet kilkadziesiąt tysięcy różnych reakcji chemicznych dziennie.

Doktorantka Monika Pyzalska prezentuje jeden z układów mikroprzepływowych do badań reakcji w mikrokroplach. (Źródło: IChF PAN)


67

...wykorzystać!

Dotychczasowe układy mikroprzepływowe miały poważ-ną wadę: nie pozwalały prowadzić i kontrolować długich procesów, wymagających dokonywania tysięcy operacji na każdej z setek mikrokropel. Ograniczenie uniemożliwiało m.in. długotrwałą hodowlę mikroorganizmów. Aby zapewnić bakteriom normalne warunki rozwoju, trzeba przecież w ich otoczenie regularnie doprowadzać substancje odżywcze oraz usuwać z niego metabolity.

„Zbudowany przez nas układ mikroprzepływowy jako pierwsze tego typu urządzenie na świecie pozwala do każ-dej z setek krążących w nim mikrokropel dodawać i z każdej pobierać precyzyjnie odmierzoną ilość płynu”, stwierdza dr Garstecki.

Mikroukład z IChF PAN składa się z dwóch odnóg mi-krokanałów, uformowanych w gęste zygzaki. W mikrokana-łach może krążyć nawet kilkaset kropel, w odległości około centymetra jedna od drugiej. Mikrokrople przemieszczają się wahadłowo z jednej odnogi do drugiej.

„W drodze między odnogami kropelki przepływają przez układ kanałów, w którym możemy z każdej z nich po-brać odrobinę płynu – lub odrobinę dodać, zależnie od po-trzeb. Jako jedyni potrafimy to zrobić niezależnie od kierun-ku ruchu kropli, dzięki odpowiednim zmianom przepływów na skrzyżowaniach mikrokanałów”, wyjaśnia dr Sławomir Jakieła.

Co ważne, każda z kropel krążących w układzie mikroflu-idycznym ma własny, unikatowy identyfikator, przyporządko-wany przez układ optoelektroniczny. Dzięki temu naukowcy w każdej chwili mają kontrolę nad tym, jakie operacje prze-prowadzono na każdej z mikrokropel.

Możliwość hodowania bakterii w pojedynczych mikro-kroplach przez czas liczony w dziesiątkach i setkach godzin, wymagający wielokrotnej wymiany pożywki, ma ogromne

znaczenie praktyczne dla medycyny. Wiąże się ono z wy-stępowaniem coraz większej liczby lekoopornych szcze-pów bakteryjnych, które zaczynają pojawiać się nawet poza szpitalami. Tymczasem poszukiwania nowych, skutecznych leków przeciwbakteryjnych wymagają przeprowadzenia na-wet dziesiątków tysięcy eksperymentów z antybiotykami po-dawanymi w różnych stężeniach. Wykonywane tradycyjnymi metodami, doświadczenia te trwają bardzo długo i są nie-zwykle kosztowne.

„Typowe chemostaty do hodowania i badania bakte-rii mają wielkość kilkulitrowych bioreaktorów, są więc duże i nieporęczne. Wymagają przy tym sporej liczby połączeń, mieszadeł, zasilania. Kłopoty sprawia ich czyszczenie z bio-filmów tworzących się na ściankach. W przypadku hodowa-nia bakterii w naszych mikrokroplach wszystkie te problemy znikają”, mówi doktorant Tomasz Kamiński.

W pojedynczej mikrokropli może się znajdować nawet ponad sto tysięcy bakterii. Kluczowy jest przy tym fakt, że bakterie nie są w stanie przemieszczać się między kropel-kami. Na przeszkodzie stają prawa fizyki (konieczność po-konania błony powierzchniowej mikrokropli) oraz chemia (ciecz nośna, w której płyną mikrokrople, nie jest środowi-skiem sprzyjającym życiu bakterii).

„Każdą naszą mikrokroplę potrafimy przekształcić w prawdziwy bioreaktor. W praktyce na jednej małej płytce możemy więc mieć nawet kilkaset bioreaktorów, w każdym inne, kontrolowane stężenie antybiotyku, inny antybiotyk, a nawet inny gatunek bakterii”, podkreśla dr Garstecki.

Rozwiązania związane z dzieleniem mikrokropel, opra-cowane przez naszych naukowców przy budowie nowego mikroukładu, są objęte patentami międzynarodowymi. n

KONTAKT:

dr hab. Piotr Garstecki prof. IChF PAN


Û Pierwszy układ mikrofluidyczny zdolny do łączenia, mieszania i dzielenia mikrokropel, zbudowany w naszym instytucie. Układ umożliwia prowadzenie różnych hodowli bakterii w różnych mikrokroplach. Część układu, w której dochodzi do łączenia i dzielenia mikrokropel, znajduje się w prawym dolnym rogu płytki. (Źródło: IChF PAN / Grzegorz Krzyżewski)

68


KONTROLA NAD łąCZENIEM MIKROKROPEL

Drobne krople w emulsjach mogą łączyć się ze sobą znacznie szyb-ciej w obecności zmiennego pola elektrycznego. Zjawisko, nazywane elektrokoalescencją, ma istotne zna-czenie dla funkcjonowania nowocze-snych urządzeń mikroprzepływowych, pozwalających na prowadzenie reak-cji chemicznych w kroplach objęto-ści mikrolitrów i jeszcze mniejszych. Badania, przeprowadzone w naszym instytucie, pozwalają lepiej kontro-lować proces elektrokoalescencji i optymalizować jego przebieg.

Elektrokoalescencja jest znana od ponad 100 lat. Pierwotnie stoso-wano ją w przemyśle naftowym. Nie-oczyszczona ropa naftowa, wydoby-wana spod dna morskiego, zawiera istotne ilości wody w formie kropelek. Inżynierowie zauważyli, że krople te w obecności zmiennego pola elek-trycznego szybko łączą się ze sobą i opadają na dno zbiornika, skąd wodę łatwo usunąć.

„Kariera elektrokoalescencji za-częła się nietypowo, od zastosowań na dużą skalę w przemyśle nafto-wym. W układach mikroprzepływo-wych dopiero od kilku lat wykorzystu-je się to zjawisko”, mówi dr hab. Piotr Garstecki, prof. IChF PAN.

„Podstawowym problemem w tech -nikach mikroprzepływowych jest sta-bilność kropel. Aby były one trwałe,

ÛBadania zmian tempa łączenia mikrokropel w zależności od parametrów zewnętrznego pola elektrycznego. Na zdjęciu dr Tomasz Szymborski. (Źródło: IChF PAN/Grzegorz Krzyżewski)


69

...wykorzystać!

otacza się je surfaktantem, czyli substancją powierzchniowo czynną”, tłumaczy z kolei dr Tomasz Szymborski.

Cząsteczki surfaktantów składają się z części hydrofilo-wej (lubiącej wodę) i hydrofobowej (unikającej wody). Jeśli kropelka wody znajdzie się np. w oleju, surfaktant otacza ją w taki sposób, że części hydrofilowe są zanurzone w kropli, a hydrofobowe pozostają w oleju.

„Pokryte surfaktantem kropelki wyglądają z zewnątrz jak zwinięte jeże i nie mają jak się ze sobą zetknąć. Ich stabilność zwiększa fakt, że fragmenty cząsteczek surfak-tantu na zewnątrz kropel mają ładunek elektryczny tego samego znaku, a więc działają odpychająco”, wyjaśnia dr Szymborski.

Problemy pojawiają się, gdy w urządzeniu mikroprze-pływowym trzeba połączyć dokładnie wybrane kropelki róż-nych reagentów w celu przeprowadzenia reakcji chemicz-nej. Od niedawna stosuje się w tym celu pole elektryczne. Elektrokoalescencja jest jednak znana z zastosowań prze-mysłowych, zachodzących w skali makro. Z tego powodu nasi naukowcy postanowili sprawdzić, jak łączenie się kro-pel w układów mikroprzepływowych zależy od parametrów pola elektrycznego.

W badaniach przeprowadzonych w jednym z naszych laboratoriów obserwowano łączenie się mikrokropel wody w cieczy nośnej, którą był heksadekan. Kropelki łączyły się tym szybciej, im większe było przyłożone napięcie i im większa częstotliwość drgań pola elektrycznego. Jednak dla każdej wartości napięcia zawsze istniała graniczna częstotliwość, powyżej której mikrokrople znów stawały się stabilne.

„Pokazaliśmy, że proces łączenia przebiega najszybciej, gdy pole elektryczne oscyluje z częstotliwością zbliżoną do

progowej i znaleźliśmy prostą zależność pozwalającą szyb-ko oszacować jej wartość”, mówi dr Szymborski.

Gwałtowne łączenie się kropel jest związane m.in. z wy-muszanym przez zmienne pole elektryczne periodycznym ruchem zawartych w nich jonów. Jony separują się na gra-nicy kropli i oleju, ładując ją elektrycznie. Różnoimiennie na-ładowane krople silnie się przyciągają, co prowadzi do ich łączenia mimo obecności stabilizujących surfaktantów.

Dane zebrane w naszym instytucie pomogą w praktycz-nym optymalizowaniu procesów z udziałem elektrokoale-scencji, zarówno w urządzeniach mikroprzepływowych jak i w instalacjach przemysłowych. Wyniki ułatwią też sformu-łowanie uniwersalnych praw opisujących efektywność prze-biegu elektrokoalescencji w układach nierównowagowych, takich jak przepływające ciecze. n

KONTAKT:



ÝZmienne pole elektryczne przyspiesza łączenie mikrokropel. Zdjęcia przedstawiają fazy łączenia mikrokropel wody w heksadekanie przy napięciu 400 V i częstotliwości drgań pola 100 Hz. Pierwsza klatka t=0 s, druga klatka t=0,28 s, trzecia klatka t=2,6 s. Kolory sztuczne. (Źródło: IChF PAN)

70


PROSTy PRZEPIS NA USUWANIE NANOZANIECZySZCZEńŻyjemy w dobie dynamicznego rozwoju różnych nano-technologii. Ubocznym skutkiem ich upowszechniania jest przedostawanie się do środowiska coraz większych ilości struktur o rozmiarach nanometrowych. Wiele z tych struktur jest bardzo groźnych dla człowieka.

Nanorurki węglowe mogą mieć długość zbliżoną do roz-miarów komórki – kilkanaście mikrometrów – przy średnicy zaledwie kilku nanometrów; taki obiekt działa jak igła i trud-no usunąć go z organizmu. Równie groźne są nanostruktury o kształcie kulistym, wykonane z niebezpiecznych substan-cji, np. drobiny kadmowo-selenowe.

Tymczasem stosowane obecnie sposoby mechaniczne-go i chemicznego oczyszczania ścieków nie eliminują na-nozanieczyszczeń, a metody laboratoryjne sprawdzają się tylko przy niewielkich objętościach płynów. W naszym insty-tucie opracowano nowatorski proces oczyszczania ścieków z zanieczyszczeń o rozmiarach nanometrowych, przezna-czony do zastosowań w skali przemysłowej.

„Rozwiązanie okazało się tak proste, tanie i efektywne, że chroniomy je już czterema patentami”, podkreśla prof. dr hab. Robert Hołyst.

Opracowana w ostatnich pięciu latach metoda usuwania nanometrowych drobin polega na dodawaniu do zaniesz-czyszczonego roztworu dwóch substancji: surfaktantu (czyli substancji powierzchniowo czynnej, takiej jak mydło) i poli-meru (np. nieszkodliwego dla środowiska i taniego poligliko-lu etylenowego).

„Jeśli odpowiednio dobierzemy stężenia, wszystkie drobne zanieczyszczenia zbiorą się w wierzchniej, pływa-jącej warstwie o konsystencji rzadkiego mydła, pod którą znajduje się czysta woda z łatwym do odzyskania polime-rem”, mówi dr hab. Marcin Fiałkowski, prof. IChF PAN.

Wierzchnią warstwę surfaktantu można w prosty spo-sób zebrać metodami mechanicznymi, a następnie zutyli-zować lub przetworzyć w celu odzyskania zawartych w niej substancji.

Mechanizm fizyczny odpowiedzialny za separację sub-stancji w roztworze jest związany z różnicą rozmiarów geo-metrycznych drobin surfaktantu i polimeru. Surfaktanty – substancje będące dominującymi składnikami wszystkich środków czystości – tworzą w roztworach agregaty nazywa-ne micelami. Mogą one mieć różny kształt, ale często przy-pominają kulki. Z kolei polimer ma postać kłębka, w przybli-żeniu także podobnego do kuli. Jeśli dwie „kule” surfaktantu

znajdą się dostatecznie blisko siebie, mniejsza „kulka” poli-meru nie będzie mogła się między nie wepchnąć i pozosta-nie w pewnej odległości, nazywanej promieniem żyracji.

Gdy micele surfaktantu zbliżą się do siebie na odle-głość mniejszą od dwukrotnego promienia żyracji, powsta-nie między nimi pusta przestrzeń. Pojawia się wówczas różnica stężeń polimeru i związane z nią ciśnienie osmo-tyczne. Woda wypływa spomiędzy miceli, te zbliżają się do siebie i w roztworze w ciągu kilkudziesięciu minut zachodzi separacja faz. Proces odbywa się nawet wówczas, gdy do roztworu zawierającego jonowy surfaktant zostanie dodany polimer z ładunkiem elektrycznym (polielektrolit) o tym sa-mym znaku.

Badania wykazały, że jeśli w początkowym roztworze znajdowały się jakieś drobiny, gromadzą się one w warstwie bogatej w surfaktant.

„W jednym z eksperymentów badaliśmy roztwór na-nocząstek złota o rozmiarach 5 nanometrów. Po dodaniu kilku procent mydła i ok. 10% polimeru, na powierzchni utworzyła się lepka i elastyczna warstwa z surfaktantem. Znajdowały się w niej drobiny złota, które w innych warun-kach, jako cięższe od wody, powinny opaść na dno”, opi-suje dr Ewelina Kalwarczyk z Zakładu Fizyko chemii Mięk-kiej Materii.

Metoda działa także w przypadku detergentów, które za-gęszczają się i zostają wyniesione na powierzchnię.

Przy zastosowaniach na skalę przemysłową istotne zna-czenie ma fakt, że po zakończeniu procesu polimer pozo-staje w wodzie, skąd można go niemal w całości odzyskać. Jedyną zużywaną substancją jest surfaktant, czyli mydło, w którym zostają zamknięte nanozanieczyszczenia. 11-mie-sięczne testy nie wykazały zmian w stabilności fizycznej i chemicznej zebranego surfaktantu, co oznacza, że zawarte w nim drobiny są skutecznie odizolowane od środowiska.

Warstwa powierzchniowa powstająca w roztworach ma uporządkowaną strukturę heksagonalną. Ponieważ rodzaj uporządkowania zależy wyłącznie od stężenia, struktury tego typu są nazywane liotropowymi ciekłymi kryształami. W tworzące je matryce za pomocą opisywanej metody łatwo wprowadzić starannie dobrane nanocząstki. Matryce można następnie utrwalić i usunąć część organiczną.

Opracowana w naszym instytucie metoda nadaje się więc nie tylko do oczyszczania ścieków, ale także do pro-dukcji materiałów kompozytowych zawierających domieszki


71

...wykorzystać!

złota, platyny, srebra, półprzewodników, nanorurek węglo-wych itp. Materiały tego typu znajdują zastosowanie przy budowie ogniw słonecznych oraz w różnego rodzaju katali-zatorach, np. samochodowych. n

KONTAKT:

dr hab. Marcin Fiałkowski prof. IChF PAN


ÝDr Ewelina Kalwarczyk z próbką, w której odseparowano fluorescencyjne nanocząstki półprzewodnikowe. (Źródło: IChF PAN/Grzegorz Krzyżewski)

72


SEPARACJA TySIąC RAZy SZyBCIEJ


73

...wykorzystać!

Niejednorodne mieszaniny polimerów z innymi polimera-mi lub ciekłymi kryształami są często używane w przemyśle – w wyświetlaczach ciekłokrystalicznych, przepływowych czujnikach gazów, pamięciach optycznych i innych urządze-niach. Naukowcy z naszego instytutu przeanalizowali zacho-wanie mieszanin tego typu poddanych działaniu zewnętrz-nego, zmiennego pola elektrycznego.

„Udało się nam precyzyjnie określić warunki sprzyjają-ce nawet tysiąckrotnemu przyspieszeniu procesu separacji składników badanych mieszanin”, mówi prof. dr hab. Robert Hołyst.

Składniki wielu mieszanin z czasem samoistnie się roz-dzielają, przy czym tempo tego procesu jest zwykle bardzo wolne. Od dawna znany jest fakt, że separację można przy-spieszyć, gdy niejednorodną ciecz umieści się w zewnętrz-nym, zmiennym polu elektrycznym o odpowiednio dobranej częstotliwości. Uważa się, że za przyspieszenie separacji składników są wówczas odpowiedzialne jony, będące natu-ralnym składnikiem tego typu mieszanin.

W naszym instytucie badano mieszaniny polimeru z in-nym polimerem lub ciekłym kryształem. W obecności zmien-nego pola elektrycznego o natężeniu kilku milionów woltów na metr jony w składniku charakteryzującym się wyższym przewodnictwem zaczynały swobodnie przemieszczać się ku elektrodzie o przeciwnym ładunku. Dochodziły jednak do granicy fazy, gdzie po drugiej stronie znajdował się materiał nieprzewodzący, w którym raptownie zwalniały.

„W tych warunkach na granicy faz pojawia się dodat-kowa siła. Gdy pole elektryczne zmienia się z odpowiednią częstotliwością, jony zaczynają szarpać granicą. To szarpa-nie sprzyja znacznie wydajniejszemu niż normalnie łączeniu się poszczególnych kropel danego składnika, a więc prowa-dzi do szybszej separacji obu faz”, mówi dr Natalia Ziębacz.

Efektywność procesu separacji składników badanych mieszanin silnie zależała od częstotliwości przyłożonego pola elektrycznego. Przeprowadzone w naszym instytucie pomiary optyczne wykazały, że w optymalnych warunkach, przy częstotliwościach do kiloherców, separacja zachodziła nawet tysiąc razy szybciej. Zbyt niskie lub zbyt wysokie czę-stotliwości pola elektrycznego nie wywoływały znaczących ruchów jonów i separacja zachodziła w normalnym, wolnym tempie.

Mechanizm fizyczny zjawiska sugeruje, że występowa-nia podobnego efektu można się spodziewać we wszystkich mieszaninach zanieczyszczonych jonami i zawierających składniki różniące się przewodnictwem elektrycznym.

Kontrolowanie tempa procesu separacji w tak dużym przedziale czasowym, obejmującym aż trzy rzędy wielkości, otwiera drogę do interesujących zastosowań. Samą reakcję separacji można przeprowadzać bardzo szybko, po czym praktycznie zatrzymać w precyzyjnie wybranym stadium. Otrzymaną w ten sposób strukturę mieszaniny można na-stępnie utrwalić, na przykład za pomocą zmian temperatury. Zgłoszona do opatentowania metoda kontrolowania sepa-racji mieszanin polimerów i ciekłych kryształów za pomocą pola elektrycznego okazuje się więc świetną drogą do two-rzenia nowych materiałów. n

KONTAKT:



ÛSeparację składników w niejednorodnych mieszaninach można przyspieszyć nawet tysiąckrotnie za pomocą zmiennego pola elektrycznego o odpowiedniej częstotliwości. Efekt prezentuje dr Natalia Ziębacz. (Źródło: IChF PAN/Grzegorz Krzyżewski)

74


SłOńCE I FOTOKATALIZATORy OCZySZCZą BRUDNą WODęProblemem wielu rejonów świata jest rosnące zanieczysz-czenie wód odpadami przemysłu drzewnego i papiernicze-go, w tym pochodnymi celulozy i fenolu. W usuwaniu z wody tego typu substancji mogą w przyszłości pomóc tanie i ła-twe w produkcji fotokatalizatory opracowane przez grupę dr. inż. Juana Carlosa Colmenaresa.

Katalizatory to substancje, które uczestnicząc w reak-cjach przyspieszają ich przebieg i (niemal) całkowicie od-twarzają się po ich zakończeniu. Typowe reakcje z udziałem katalizatorów wymagają temperatur rzędu kilkuset stopni, a nierzadko także znacznie podwyższonego ciśnienia.

Fotokatalizatory zaprojektowane w IChF PAN i tu synte-zowane mają znacznie mniejsze wymagania. Do ich akty-wacji dochodzi pod wpływem promieniowania słonecznego lub ultrafioletowego, a właściwa reakcja chemiczna może przebiegać w temperaturze ok. 30 stopni i przy normalnym ciśnieniu. Są to warunki występujące naturalnie w wielu miej-scach naszej planety.

Podstawowym elementem nowych fotokatalizatorów jest dwutlenek tytanu z niewielkim dodatkiem atomów żelaza lub chromu. Wszystkie te materiały są powszechnie dostępne i tanie. Fotokatalizatory są osadzane na odpowiednim no-śniku – ziarnach krzemionki lub jednej z odmian zeolitów (glinokrzemianów). Proces osadzania odbywa się z użyciem popularnego sprzętu laboratoryjnego: wyparki i myjki ultra-dźwiękowej.

„Pod wpływem ultradźwięków w roztworze z prekursora-mi dwutlenku tytanu oraz chromu lub żelaza powstają mi-krobąble o wysokim ciśnieniu i temperaturze. W tych warun-kach dochodzi do trwałego osadzenia tych materiałów na drobinach nośnika”, wyjaśnia dr Colmenares.

Tak wytworzone materiały katalityczne z domieszkami chromu lub żelaza zostały przebadane i szczegółowo scha-rakteryzowane w naszym instytucie oraz przez grupę prof. Krzysztofa Kurzydłowskiego z Wydziału Inżynierii Materiało-wej Politechniki Warszawskiej.

Jak wygląda oczyszczanie wody za pomocą nowych fotokatalizatorów? W warunkach laboratoryjnych proces zaj-muje zaledwie 15-20 minut i polega na wsypaniu do wody proszku z fotokatalizatorem. Teraz wystarczy krótka ekspo-zycja na promieniowanie słoneczne, by zanieczyszczające wodę pochodne celulozy lub fenolu zniknęły.

Fotokatalizatory na nośniku z krzemionki okazały się szczególnie skuteczne w usuwaniu fenolu. Zostaje on

w wysokim stopniu utleniony, a produktami reakcji są woda i dwutlenek węgla. W przypadku nośnika zeolitowego do-chodziło z kolei do rozkładu glukozy (jest ona monomerem, a więc podstawową „cegiełką” tworzącą łańcuchy polimero-we celulozy). W wyniku rozkładu powstawały kwasy karbok-sylowe, glukonowy i glukarowy, czyli użyteczne substancje, znajdujące zastosowanie m.in. w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym i kosmetycznym.

Co szczególnie ważne, analizy wykonane przez grupę dr. Colmenaresa jednoznacznie dowodzą, że w trakcie całe-go procesu oczyszczania ani atomy chromu, ani żelaza nie uwalniają się do wody.

Po zakończonej reakcji fotokatalizator można łatwo od-zyskać. Ponieważ jest on trwale osadzony na drobinach krzemionki lub zeolitu, a te mają stosunkowo duże (mi-krometrowe) rozmiary, wystarczy w tym celu przefiltrować wodę. Odzyskany proszek można wykorzystać ponownie, przy czym kilkukrotne powtórzenie cyklu nie wpływa znaczą-co na wydajność pracy katalizatora.

Nowe fotokatalizatory mogą trafić także poza przemysł. Wykonane z nich pokrycia charakteryzują się wystarczającą odpornością mechaniczną, by stosować je np. do elemen-tów wyposażenia basenów. W warunkach dobrego nasło-necznienia woda w tak przygotowanym basenie podlegała-by ciągłemu samooczyszczaniu.

„Prostota wytwarzania naszych fotokatalizatorów, niskie koszty ich produkcji oraz łatwość przeprowadzenia reakcji w warunkach naturalnych to istotne zalety. Ale równie waż-ny jest fakt, że nasze materiały pozwalają zatrzymać reakcję utleniania zanieczyszczeń w wodzie na ustalonym przez nas etapie i otrzymywać substancje ważne dla przemysłu”, pod-kreśla dr Colmenares. n

KONTAKT:

dr inż. Juan Carlos Colmenares



75

...wykorzystać!

ÝFotokatalizatory z dwutlenku tytanu z dodatkami żelaza lub chromu, osadzone na drobinach krzemionki lub zeolitu, skutecznie oczyszczają wodę z zanieczyszczeń fenolem i celulozą. Na zdjęciu dr inż. Juan Carlos Colmenares. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

76


SZTUCZNA BIEL STAJE SIę PRZyJAZNA DLA WZROKUZmęczenie oczu i wrażenie sztuczności bieli są znane wszystkim osobom przebywającym w pomieszczeniach oświetlonych za pomocą popularnych źródeł nietermicz-nych, takich jak świetlówki czy diody elektroluminescen-cyjne. Od lat naukowcy w laboratoriach świata próbują wyeliminować te nieprzyjemne efekty uboczne i poszukują metod odtworzenia najbardziej dla nas naturalnego światła słonecznego. W naszym instytucie pokazano, że cel ten jest możliwy do zrealizowania.

„Odkryliśmy klasę cząsteczek organicznych emitujących białe światło o widmie ciągłym, pokrywającym niemal cały zakres widzialny”, mówi kierujący badaniami dr hab. inż. Je-rzy Karpiuk.

Istotny jest przy tym fakt, że emisję światła białego udało się otrzymać z jednego związku chemicznego, na dodatek o bardzo prostej budowie.

Biel jest kolorem specyficznym, powstającym wskutek mieszania fal świetlnych o wszystkich długościach z za-kresu widzialnego, tj. od ok. 420 do ok. 730 nanometrów. Tymczasem biel świetlówek i podobnych sztucznych źródeł to wynik złożenia zaledwie trzech kolorów: czerwonego, zielonego i niebieskiego, pochodzących w znacznej części z nieciągłych emisji różnych luminoforów nieorganicznych (halofosforanowych lub trójfosforowych). W tak otrzymanym świetle brakuje wielu barw składowych i właśnie ten efekt jest odpowiedzialny za nieprzyjemne doznania wzrokowe. Konieczność stosowania kilku substancji obniża sprawność energetyczną zbudowanych z nich źródeł światła i kompliku-je technologię produkcji.

Zespół naukowców w składzie Jerzy Karpiuk (IChF PAN), Ewelina Karolak (IChF PAN) i Jacek Nowacki (Wydział Chemii Uniwersytetu Warszawskiego) zaobserwował białą

ÛBiała fluorescencja, zaobserwowana w cząsteczkach laktonu fioletu krystalicznego, pokrywa w sposób ciągły praktycznie cały zakres światła widzialnego. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)


77

...wykorzystać!

emisję światła, pokrywającą w sposób ciągły praktycznie cały zakres widzialny. Jej źródłem jest lakton fioletu krysta-licznego (Crystal Violet Lactone, CVL), substancja produ-kowana w masowych ilościach i powszechnie stosowana w papierach samokopiujących jako tzw. prekursor barwnika.

Cząsteczka CVL ma wbudowane w strukturę dwa flu-orofory odpowiedzialne za emisję światła: jeden – niebie-skiego, drugi – pomarańczowego. Udział emisji każdego z nich w podwójnej fluorescencji CVL silnie zależy od oto-czenia cząsteczki, które modyfikuje energie ich stanów wzbu dzonych.

„Dobierając odpowiednio otoczenie można kontrolować parametry widma emisji, a co za tym idzie, sterować barwą lub odcieniem uzyskiwanej bieli”, mówi doktorantka Ewelina Karolak.

„Szersze znaczenie naszych prac polega na odkryciu, że biała fluorescencja jest ogólną właściwością cząsteczek o strukturze typu CVL. Zależność energetyki stanów wzbu-dzonych od struktury cząsteczek pozwala nam przewidy-wać szerokość, kształt i inne parametry widma podwójnej fluorescencji. Dzięki temu możemy projektować białe flu-orofory pod kątem konkretnych potrzeb”, dodaje dr hab. inż. Karpiuk.

Okazuje się, że nawet bardzo małe cząsteczki organicz-ne mogą emitować ciągłe światło białe. Fakt ten otwiera drogę do budowy nowatorskich, przyjaznych dla oczu źró-deł światła.

Emisja światła białego przez tak proste układy moleku-larne jak lakton fioletu krystalicznego jest pożądanym i po-szukiwanym zjawiskiem, głównie ze względu na ewentualne wykorzystanie go w organicznych diodach luminescencyj-nych OLED. Droga do zastosowań jest jednak daleka, po-nieważ sam lakton fioletu krystalicznego emituje światło o niewielkim natężeniu i źródła światła zbudowane z jego użyciem miałyby za małą sprawność, by trafić do masowej produkcji.

„Najważniejszy jest jednak fakt, że udało się nam w prak-tyce pokazać słuszność pewnej koncepcji. Teraz mamy pewność, że zbudowanie źródeł światła odtwarzających na-turalną biel jest tylko kwestią czasu”, podsumowuje odkrycie dr hab. inż. Karpiuk. n

KONTAKT:

dr hab. inż. Jerzy Karpiuk


ÝWpływając na otoczenie cząsteczek CVL można kontrolować parametry widma emisji, na przykład sterować barwą lub odcieniem otrzymanej bieli. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

78


Przez wielu uznawany za najbardziej obiecujący materiał przyszłości, grafen wciąż pozostaje substancją drogą i trud-ną do wyprodukowania. Naukowcy z naszego instytutu oraz Institut de Recherche Interdisciplinaire w Lille opracowali tanią metodę wytwarzania wielowarstwowych pokryć grafe-nowych. Nowy sposób nie wymaga użycia specjalistycznej aparatury i może zostać zrealizowany w praktycznie każdym laboratorium.

Grafen odkryto w 2004 roku, zdzierając warstwy węgla z grafitu za pomocą zwykłej taśmy klejącej.

„W tym, co zostało zdarte, można było znaleźć powłoki grubości jednego atomu, czyli właśnie grafen. Jeśli jednak chcemy myśleć o przemysłowych zastosowaniach grafenu, musimy znaleźć lepiej kontrolowane sposoby wytwarzania go w dużych ilościach – i to bez konieczności używania dro-giej, specjalistycznej aparatury”, mówi doktorantka Izabela Kamińska, stypendystka Fundacji na rzecz Nauki Polskiej

w ramach programu Międzynarodowe Projekty Doktoranc-kie. Kamińska przeprowadzała swoje doświadczenia w Insti-tut de Recherche Interdisciplinaire (IRI) w Lille.

Pod względem struktury, grafen jest dwuwymiarową po-wierzchnią zbudowaną z sześciowęglowych pierścieni. Bu-dową przypomina więc plaster miodu, z tą różnicą, że po-wierzchnia grafenowa ma najmniejszą grubość z możliwych: zaledwie jednego atomu.

Z unikatową strukturą grafenu wiążą się jego niezwykłe właściwości. Grafen jest niemal całkowicie przezroczysty, ponadstukrotnie wytrzymalszy od stali i bardzo elastycz-ny. Jednocześnie wykazuje świetne przewodnictwo cieplne i elektryczne, jest więc dobrym materiałem do zastosowań w elektronice, np. do wytwarzania cienkich, elastycznych i wytrzymałych wyświetlaczy lub szybkich układów przetwa-rzających. Nadaje się też jako materiał do różnego typu bio-sensorów.

GRAFEN? Z KAżDEGO LABORATORIUM!

ÝDoktorantka Izabela Kamińska prezentuje model struktury grafenu. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)


79

...wykorzystać!

Dotychczasowe metody wytwarzania grafenu – takie jak osadzanie warstwy epitaksjalnej na podłożu metalicznym lub węgliku krzemu, bądź chemiczne lub fizyczne osadza-nie z fazy gazowej – wymagają drogiego, specjalistycznego sprzętu i złożonych procedur produkcji. Tymczasem jedyną nieco bardziej złożoną aparaturą, używaną w metodzie wytwa-rzania pokryć grafenowych z naszego instytutu i IRI, jest płucz-ka ultradźwiękowa, sprzęt dość powszechny w laboratoriach.

Nowy proces wytwarzania warstw grafenowych zaczyna się od grafitu, alotropowej odmiany węgla, która na poziomie molekularnym przypomina kanapkę z wielu płaszczyzn grafe-nowych. Płachty te są trudne do rozseparowania. Aby osłabić oddziaływania między nimi, grafit należy utlenić, co przepro-wadza się z wykorzystaniem metody Hummersa. Otrzymany w ten sposób proszek – tlenek grafitu – jest następnie wsy-pywany do wody i umieszczany w płuczce ultradźwiękowej. Dzięki ultradźwiękom poszczególne utlenione płaszczyzny grafenowe się rozdzielają. Efektem jest koloid zawierający po-jedyncze płatki tlenku grafenu średnicy ok. 300 nanometrów.

W badaniach nasi naukowcy wykorzystywali tlenek gra-fenu wyprodukowany w Materials Science Division w North East Institute of Science and Technology (NEIST) w indyj-skim mieście Dispur.

„Jednoatomowej grubości płatki tlenku grafenu to dobry punkt startowy, ale problemem są liczne grupy funkcyjne za-wierające tlen. Rzecz w tym, że dramatycznie zmieniają one własności fizyko-chemiczne materiału. Zamiast doskonałego przewodnika mamy... izolator”, wyjaśnia Kamińska.

Aby usunąć tlen z płatków tlenku grafenu, badacze z IChF PAN i IRI postanowili wykorzystać niekowalencyjne oddziaływania p-p pojawiające się między pierścieniami węglowymi w tlenku grafenu, a aromatycznymi pierścienia-mi związku nazywanego tetrafulwalenem (TTF). Cząsteczka TTF składa się z dwóch pierścieni zawierających po trzy ato-my węgla i dwa atomy siarki.

„W praktyce wystarczyło wymieszać tlenek grafenu i te-trafulwalen, a następnie włożyć całość do płuczki ultradź-więkowej. Dzięki oddziaływaniom między pierścieniami TTF i pierścieniami tlenku grafenu następuje redukcja tlenku gra-fenu do grafenu przy jednoczesnym utlenieniu cząsteczek TTF”, opisuje Kamińska.

W wyniku procesu, w koloidzie wyjmowanym z płuczki znajdowały się płatki grafenu ze związanymi cząsteczkami TTF. Krople koloidu były następnie nanoszone na elektro-dę i osuszane. Płatki grafenowe osadzały się na elektrodzie i formowały na niej gładką powłokę o kontrolowanej grubości, od 100 do 500 nm, złożoną z od kilkudziesięciu do kilkuset naprzemiennych warstw grafenu i cząsteczek TTF. Ostatnim etapem wytwarzania powłoki grafenowej było usunięcie z niej

cząsteczek tetrafulwalenu, co osiągnięto na drodze prostej reakcji chemicznej z odpowiednio dobranym związkiem.

„Jedną z motywacji do badań było poszukiwanie no-wych metod detekcji substancji biologicznych. Dlatego po wyeliminowaniu TTF z powłoki grafenowej natychmiast sprawdziliśmy, czy możemy ten związek wprowadzić do niej z powrotem. Okazało się, że tak. Zatem jest możliwe opra-cowanie procesu, który pozwoli związać wybrany związek chemiczny z cząsteczką TTF, następnie wprowadzić cały kompleks do warstwy grafenowej na elektrodzie i zaobser-wować zmiany w przepływie prądu”, podsumowuje prof. dr hab. Marcin Opałło.

Publikacja opisująca nową metodę ukazała się w presti-żowym czasopiśmie „Chemical Communications”, na które-go okładce umieszczono komputerową wizualizację pokryć grafenowych z TTF.

Obecnie naukowcy z naszego instytutu i IRI pracują nad dalszym zredukowaniem grubości powłok grafenowych. Do-biegają też końca eksperymenty wykazujące, że możliwe jest wprowadzenie do powłoki grafenowej cząsteczek TTF z dowiązaną mannozą (jednym z cukrów prostych). n

KONTAKT:



ÝWizualizacja płachty utlenionego grafenu (w lewym górnym rogu) oraz (w prawym dolnym rogu) powierzchni grafenowej z dołączonymi cząsteczkami utlenionego tetrafulwalenu (TTF). Pierścienie grafenowe składają się z sześciu atomów węgla, pierścienie TTF z czterech atomów węgla i dwóch siarki. (Źródło: IChF PAN, Piotr Gędziorowski)

80


CZERWONE śWIATłO Z WęGLOWyCH NANORUREKNaukowcy działający w ramach międzynarodowego pro-jektu FINELUMEN, koordynowanego przez dr Nicolę Arma-rolego z Istituto per la Sintesi Organica e la Fotoreattivita, Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-ISOF) w Bolonii, opracowali efektywną metodę wytwarzania nowego materia-łu fotonicznego: nanorurek węglowych pokrytych komplek-sami związków zdolnych do świecenia w czerwieni.

„Uczestniczymy w projekcie jako grupa specjalizująca się w badaniach związków lantanowców. Postanowiliśmy połączyć ich znakomite własności emisyjne z doskonałymi

cechami mechanicznymi i elektrycznymi nanorurek”, mówi prof. dr hab. Marek Pietraszkiewicz.

Nanorurki węglowe można sobie wyobrażać jako zwinię-te w rulon płachty grafitu. Powierzchnia boczna każdej nano-rurki jest stosunkowo duża i pozwala na doczepienie wielu innych cząsteczek, w tym takich, które mogą świecić.

„Przyłączanie świecących kompleksów bezpośrednio do nanorurki nie jest jednak korzystne, bo ta, jako czarny ab-sorber, w wysokim stopniu tłumiłaby luminescencję”, tłuma-czy doktorantka Valentina Utochnikova.

ÝDoktorantka Valentina Utochnikova prezentuje próbkę nanorurek węglowych z kompleksami europu. Pod wpływem ultrafioletu proszek emituje światło czerwone. (Źródło: IChF PAN/Grzegorz Krzyżewski)


81

...wykorzystać!

Aby zredukować niepożądany efekt absorpcji światła, nanorurki najpierw poddaje się reakcji termicznej zachodzą-cej w temperaturze 140-160 stopni Celsjusza w roztworze cieczy jonowej modyfikowanej grupą azydkową. W wyniku reakcji nanorurki pokrywają się cząsteczkami pełniącymi rolę kotwic-łączników. Kotwice z jednej strony przyczepia-ją się do powierzchni nanorurki, z drugiej mogą przyłączać cząsteczki potrafiące emitować światło widzialne. Swobod-ny koniec każdego łącznika ma ładunek dodatni.

Tak przygotowane nanorurki zostają przeniesione do innego roztworu, zawierającego ujemnie naładowany kom-pleks lantanowcowy – tetrakis-(4,4,4-trifluoro-1-(2-naftylo-1,3-butanodionian) europu.

„Związki lantanowcowe, czyli zawierające pierwiastki z VI grupy układu okresowego, są bardzo atrakcyjne dla fotoni-ki, ponieważ charakteryzują się wysoką kwantową efektyw-nością świecenia oraz dużą czystością koloru emitowanego światła”, podkreśla Utochnikova.

Po rozpuszczeniu w roztworze, ujemnie naładowane kompleksy europu dzięki oddziaływaniu elektrostatyczne-mu są samoistnie wyłapywane przez dodatnio naładowane swobodne końcówki kotwic na nanorurkach. W wyniku pro-cesu każda nanorurka zostaje trwale otoczona cząsteczka-mi zdolnymi emitować światło widzialne. Gdy reakcja dobie-gnie końca, zmodyfikowane nanorurki poddaje się płukaniu

i suszeniu. Ostatecznym produktem jest czarny jak sadza proszek. Wystarczy go jednak wystawić na promieniowanie ultrafioletowe, aby zakotwiczone na nanorurkach kompleksy lantanowcowe zaczęły świecić na czerwono.

Koncepcję modyfikacji nanorurek i substraty – ciecz jo-nową oraz kompleks lantanowcowy do pokrywania nanoru-rek węglowych – opracował zespół prof. Pietraszkiewicza, natomiast modyfikacje nanorurek i badania spektralne wy-konały zespoły badawcze z Uniwersytetu Namur w Belgii i Instytutu CNR-ISOF z Bolonii. Co istotne, reakcje chemicz-ne prowadzące do powstania nowych świecących nanoru-rek okazały się znacznie prostsze w realizacji od stosowa-nych dotychczas.

Otrzymany materiał fotoniczny może być używany m.in. do detekcji cząsteczek, w tym o charakterze biologicznym. Identyfikacja następowałaby poprzez analizowanie zmian świecenia nanorurek po osadzeniu się na nich cząsteczek badanych substancji. Dobre przewodnictwo elektryczne w połączeniu z możliwością wydajnego świecenia czynią nowe nanorurki atrakcyjnym materiałem także dla technolo-gii bazujących na organicznych diodach elektroluminescen-cyjnych OLED. n

KONTAKT:

prof. dr hab. Marek Pietraszkiewicz


ÝW świetle widzialnym nanorurki węglowe wyglądają zazwyczaj jak czarny proszek (zdjęcie górne). Po pokryciu kompleksami lantanowców zawierającymi europ, proszek oświetlony lampą ultrafioletową świeci w kolorze czerwonym (zdjęcie dolne). (Źródło: IChF PAN/Grzegorz Krzyżewski)

82


NIEZWyKłE STRUKTURy CIEKłO-KRySTALICZNE NA POWIERZCHNI WODyCiekłe kryształy po wylaniu na powierzchnię wody mogą tworzyć uporządkowane warstwy grubości pojedynczej czą-steczki. Przy ściskaniu takich monowarstw w ich płaszczyź-nie, w odpowiednich warunkach powstanie powłoka z trzech monowarstw – trójwarstwa. Jednak świat nauki przypuszczał od dawna, że niekiedy powinny się formować nawet pięcio-warstwy.

„Istnienie pięciowarstw nie było dotychczas dobrze udokumentowane. Nam udało się z dużą precyzją potwier-dzić ich obecność. Co więcej, zaobserwowaliśmy dziewię-ciowarstwy, które jak do tej pory funkcjonowały wyłącznie w charakterze naukowych sugestii”, mówi dr inż. Andrzej żywociński.

W doświadczeniach przeprowadzanych w naszym insty-tucie na powierzchnię wody wylewa się mikrolitry ciekłych kryształów. Związki i ich ilość są tak dobrane, aby formowały uporządkowaną warstwę monomolekularną (grubości jednej cząsteczki). Monowarstwy można ściskać za pomocą przy-rządu zwanego wagą Langmuira. Jest to wanienka z dwie-ma hydrofilowymi barierkami, między którymi unosi się na wodzie monowarstwa badanego związku. Zmniejszając odległość między barierkami można znacząco zwiększyć ci-śnienie działające w płaszczyźnie monowarstwy.

Prace dr. żywocińskiego oraz doktorantów prof. Ro-berta Hołysta koncentrowały się na kilkunastu związkach należących do grupy bolaamfifili, wytworzonych w zespole prof. Carstena Tschierske na Uniwersytecie Martina Lutra w Halle. Cząsteczki tych związków mają złożone kształty, lecz zawsze składają się ze sztywnego rdzenia z dołączo-nymi na obu końcach grupami hydrofilowymi (lubiącymi wodę). Grupy te kotwiczą cząsteczkę do powierzchni wody. Dodatkowo, w centralnej cześci rdzenia znajdują się łańcu-chy hydrofobowe. Część badanych cząsteczek miała dwie grupy hydrofobowe rozmieszczone na kształt litery X, część – jedną w konfiguracji przypominającej literę T, jeszcze inne miały rdzeń nie prosty, lecz wygięty (kształtem przypomina-ły kotwicę).

W badanych cząsteczkach pewne atomy wodoru w łań-cuchach hydrofobowych zastąpiono fluorem, usztywniając je i czyniąc bardziej hydrofobowymi. Zabieg ten spowodo-wał, że związki, zwłaszcza kształtu X, tworzyły na wodzie bardzo stabilne, dobrze uporządkowane monowarstwy.

Pomiary wykazały, że cząsteczki obserwowanych związków zachowują się nieco podobnie jak tkanina na

stole (z istotną różnicą: tkanina to ciało stałe, a opisywa-ne procesy zachodzą tylko wtedy, gdy związek jest w fa-zie ciekłej). Podczas ściskania monowarstwy z boków, w pewnym momencie działające siły zaczynają wypychać cząsteczki w górę. Na monowarstwie pojawiają się fałdy, które następnie kładą się na niej. Jeśli ściskanie jest konty-nuowane, na wodzie utworzy się uporządkowana struktura z trzech monowarstw. Proces ten był już opisany w literatu-rze naukowej.

„Nam udało się zaobserwować i udokumentować me-chanizm znacznie ciekawszy”, mówi dr Jan Paczesny. „Okazało się, że dalsze ściskanie trójwarstwy jednego ze związków prowadzi do fałdowania, w którym uczestniczy nie jedna, zewnętrzna monowarstwa, a cała trójwarstwa. Wypy-chana fałda ma wtedy grubość sześciu warstw i gdy kładzie się na trójwarstwie, nasza cząsteczkowa ‘tkanina’ staje się świetnie uporządkowaną dziewięciowarstwą”.

Zwiększanie grubości wielowarstwy w sekwencji: mono-, trój- i dziewięciowarstwa było sugerowane w literaturze na-ukowej, ale po raz pierwszy mechanizm ten potwierdzono eksperymentalnie.

Grupa z naszego instytutu zajmowała się też substan-cjami, w których oddziaływania między cząsteczkami nie były dostatecznie elastyczne. Podczas ściskania takich związków, nad monowarstwę są wypychane nie jej fałdy, a pojedyncze cząsteczki, które po oderwaniu od powierzch-ni wody łączą się w pary. Jako nielotne, pozostają przy mo-nowarstwie i ze wzrostem ciśnienia się porządkują, formując od razu dwie warstwy na monowarstwie. Ten nowo poznany mechanizm tłumaczy, dlaczego wielowarstwy zwiększają grubość w sekwencji 1-3-5-7 monowarstw.

Nasi naukowcy sądzą, że procesy podobne do obu za-obserwowanych występują też w przypadku innych związ-ków chemicznych o zbliżonej budowie cząsteczkowej.

Praktyczne wykorzystanie uporządkowanych wielo-warstw jest możliwe po przeniesieniu ich z powierzchni wody na podłoże stałe, np. z krzemu. W tym celu płytkę krzemową wielokrotnie zanurza się w wodzie z wielowarstwą i wynu-rza. Niestety, monowarstwy niektórych substancji podczas ponownego zanurzania są zmywane. Nasi badacze spotkali się z taką sytuacją dla jednego ze związków. Pomiary wy-kazały jednak, że ten sam związek przenosi się trwale, jeśli wcześniej uformuje dziewięciowarstwę. Oznacza to nie tylko możliwość produkowania podłoży nowego typu, ale również


83

...wykorzystać!

dziewięciokrotne skrócenie czasu formowania wielowarstw o dużej grubości, wcześniej wytwarzanych przez mozolne nakładanie nawet kilkudziesięciu monowarstw.

Rdzenie cząsteczek badanych w naszym instytucie mają trzy skondensowane pierścienie aromatyczne. Analogiczne struktury pojawiają się w polimerach przewodzących.

„Mamy nadzieję, że w przyszłości pochodne obserwo-wanych przez nas związków znajdą zastosowanie w elektro-nice organicznej. Planujemy również wykorzystać tendencję do samoorganizacji tych cząsteczek w celu organizowania innych cząsteczek”, komentuje dr inż. żywociński. n

KONTAKT:

dr inż. Andrzej Żywociński


ÝDr Jan Paczesny prezentuje mechanizm fałdowania warstw ciekłokrystalicznych na powierzchni wody odpowiedzialny za powstanie dziewięciowarstwy. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

84


SAMOORGANIZACJA I ZASOLENIE WyTWARZAJą CIENKIE WARSTWy NANOCZąSTEK


85

...wykorzystać!

Szkło i półprzewodniki pokryte jednorodną, cienką war-stwą nanocząstek znajdują coraz więcej zastosowań. W na-szym instytucie opracowano dwie metody wytwarzania mo-nowarstw złota – pokryć grubości pojedynczej nanocząstki. W jednej wykorzystano zaskakujące własności roztworów z dużymi stężeniami soli, w drugiej podstawową rolę odgry-wa samoorganizacja. Obie metody po raz pierwszy pozwa-lają wytwarzać jednorodne monowarstwy z dodatnim ładun-kiem elektrycznym.

Powierzchnie szklane i krzemowe w kontakcie z wodą mogą spontanicznie generować ujemny ładunek elektrycz-ny. Osadzenie na nich z roztworu bardzo cienkich, a przy tym jednorodnych warstw z dodatnio naładowanych nano-cząstek złota wydawało się dotychczas niemożliwe. Nano-cząstki grupowały się i zamiast tworzyć jednorodną warstwę, formowały na podłożu liczne skupiska. Aby zmniejszyć za-sięg oddziaływań elektrostatycznych między nanocząstka-mi, chemicy zwykle dodawali do roztworu roboczego soli. Jej ujemne jony częściowo ekranowały nanocząstki i te mo-gły osadzać się gęściej.

„Rozwiązanie było dalekie od idealnego, bo im wię-cej dodajemy soli, tym bardziej destabilizujemy cały układ. W rezultacie od pewnego jej stężenia nanocząstki zaczyna-ją wytrącać się z roztworu w postaci agregatów”, zauważa doktorantka Katarzyna Winkler. Powszechnie sądzono, że zjawisko to jest przeszkodą nie do pokonania. „My posta-nowiliśmy sprawdzić, jak zareagują nanocząstki, gdy mimo wszystko będziemy zwiększali zasolenie. I tu spotkała nas niespodzianka”, mówi Winkler.

Nasi naukowcy zauważyli, że w pewnym przedziale dużych stężeń soli roztwór roboczy odzyskuje stabilność i znajdujące się w nim nanocząstki przestają agregować, a jednocześnie wciąż zachowują zdolność oddziaływania z podłożem.

„Najprawdopodobniej mamy do czynienia z jakimś efek-tem elektrostatycznym. Odkrycie jest jednak tak świeże, że dokładna natura zjawiska jeszcze nie została przez nas po-znana”, komentuje dr hab. Marcin Fiałkowski, prof. IChF PAN.

W drugiej metodzie jednorodnego pokrywania podło-ży nanocząstkami podstawową rolę odgrywa samoorgani-zacja. Nanocząstki złota były najpierw pokrywane tiolami, czyli cząsteczkami typu RSH – zawierającymi podstawnik R oraz grupę zbudowaną z atomu siarki S i wodoru H. W do-świadczeniach stosowano tiole hydrofilowe z ładunkiem

elektrycznym oraz hydrofobowe bez ładunku. Otoczone tio-lami nanocząstki trafiały następnie na powierzchnię wody.

„Jeśli odpowiednio dobierzemy proporcje między tiola-mi z ładunkiem i bez, to nanocząstki znajdujące się na po-wierzchni wody zaczną zachowywać się jak spławiki. Nie utoną, ale samoczynnie uformują monowarstwę”, opisuje dr Volodymyr Sashuk.

Otrzymaną dzięki samoorganizacji warstwę nanocząstek na powierzchni wody można ścisnąć mechanicznie za po-mocą wagi Langmuira. ściskanie powoduje, że nanocząstki, nawet gdy są pokryte tiolami o tym samym ładunku, znacz-nie się do siebie zbliżają.

„Teraz aby przenieść tak otrzymaną monowarstwę na podłoże szklane wystarczy skorzystać z metody Lang-muira–Blodgett. W tym celu na sterowanym komputerowo wysięgniku umieszczamy płytkę szklaną i powoli zanurza-my ją w wodzie lub wynurzamy z niej. Nanocząstki z war-stwy powierzchniowej przyłączają się wtedy do płytki”, mówi dr Sashuk.

Ponieważ kierunek przesuwania płytki przez monowar-stwę decyduje, którą stroną nanocząstki przyłączą się do szkła, metoda pozwala na wytwarzanie powierzchni hydrofo-bowych lub hydrofilowych. Co więcej, możliwe jest pokrycie powierzchni szklanych monowarstwami nanocząstek albo o ładunku ujemnym, albo dodatnim – zależnie od potrzeb.

Pierwsza z opisanych metod charakteryzuje się dużą prostotą, jest również bardzo tania. Można ją stosować wte-dy, gdy ładunek i uporządkowanie nanocząstek w warstwie nie są istotne. Przepis pozwala na formowanie warstw nie tylko na szkle, ale również na podłożach półprzewodniko-wych. W ten sposób można otrzymać np. powierzchnie krze-mowe pokryte nanocząstkami złota, które w dalszej obróbce inicjowałyby wzrost nanodrutów. Produkcja warstw nanoczą-stek poprzez samoorganizację jest bardziej skomplikowana. Otrzymane warstwy charakteryzują się jednak wysokim upo-rządkowaniem, a ich ładunek elektryczny można precyzyjnie kontrolować. n

KONTAKT:

dr hab. Marcin Fiałkowski, prof. IChF PAN


dr Volodymyr Sashuk


ÛDr Volodymyr Sashuk osadza uporządkowaną warstwę nanocząstek złota na płytce szklanej. (Źródło: IChF PAN/Grzegorz Krzyżewski)

86


NANOOBIEKTy WęGLOWE UłATWIą BUDOWę NOWyCH źRóDEł PRąDUJednym z najpopularniejszych sposobów nanoszenia na-nocząstek na powierzchnie jest znana od 1997 roku metoda „warstwa po warstwie” (Layer-by-Layer, LbL). Polega ona na nakładaniu na podłoże kolejnych warstw naładowanych elek-

trycznie cząsteczek lub drobin o przeciwnym znaku. Metodę tę stosuje się m.in. do wytwarzania na powierzchni elektrod trójwymiarowych struktur zbudowanych z samych polimerów lub z naprzemiennych warstw polimerów i nanocząstek.

ÝDr Katarzyna Szot prezentuje nowoczesne elektrody pokrywane warstwami nanocząstek węgla, opracowane w naszym instytucie. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)


87

...wykorzystać!

„Od dawna wiadomo, że wiele reakcji elektrodowych przebiega szybciej, wydajniej i selektywniej na powierzch-niach pokrytych nanocząstkami, na przykład złota lub węgla. Postanowiliśmy więc skonstruować struktury składające się z samych warstw nanocząstek i zbadać, jak wpływają one na własności elektrod po ich dalszej modyfikacji enzymami”, mówi prof. dr hab. Marcin Opałło.

Elektrody pokryte cienkimi warstwami nanocząstek wę-gla mogłyby znaleźć zastosowanie m.in. w bioogniwach paliwowych, służących jako źródła zasilania dla przyrządów medycznych umieszczanych w ludzkim ciele. Obecnie wy-miana zasilania w takich urządzeniach jak rozruszniki serca wymaga metod inwazyjnych. Na świecie od kilku lat trwają prace nad zbudowaniem ogniwa, dla którego paliwem była-by substancja rozpuszczona we krwi, na przykład glukoza, zaś utleniaczem – także znajdujący się we krwi tlen. Zada-nie jest trudne, ponieważ wymaga znalezienia podłoża po-zwalającego na trwałe osadzenie enzymu i to w taki sposób, aby wymieniał elektron bezpośrednio z elektrodą. Efekt ten udało się uzyskać w naszym instytucie dzięki naniesieniu na elektrodę nanocząstek węgla.

„Wynik jest zaskakujący, bo zazwyczaj enzym do prze-noszenia elektronu potrzebuje dodatkowych rozpuszczo-nych w roztworze cząsteczek – przenośników elektronu. Tych cząsteczek w naszych eksperymentach po prostu nie ma”, mówi dr Katarzyna Szot. Co szczególnie istotne, bada-ne elektrody pracują w roztworach o składzie zbliżonym do osocza krwi.

Nanocząstki węgla używane w eksperymentach prowa-dzonych w naszym instytucie mają rozmiary poniżej 10 na-nometrów. W kontekście przyszłych zastosowań ważny jest fakt, że są one tanie i łatwo dostępne.

„Początkowo nanocząstki chcieliśmy po prostu kupić, ale okazało się, że tak małymi ilościami jak nam potrzebne po prostu się nie handluje. Mercedes na przykład stosuje te nanocząstki na masową skalę do malowania karoserii. Osta-tecznie otrzymaliśmy bezpłatnie kilogram materiału od firmy Cabot Corporation” – śmieje się prof. Opałło.

Sam proces pokrywania podłoża – w doświadczeniach są nim szklane płytki powleczone warstwą przewodzą-cą prąd – jest prosty i szybki. Płytkę zanurza się na minutę w zawiesinie nanocząstek węgla, następnie wyjmuje, opłu-kuje, przenosi do drugiej zawiesiny w celu osadzenia kolej-nej warstwy, po czym wszystkie czynności powtarza się kilka razy. Grubość gotowych warstw węglowych sięga nieco po-nad 100 nanometrów.

Niewielkie rozmiary samych nanocząstek węglowych powodują, że przestrzenie między nimi są małe, co utrud-nia dostęp do aktywnych powierzchni położonych głębiej

w warstwie. W efekcie elektrody nie są jeszcze tak wydaj-ne jak mogłyby być. W przyszłości prawdopodobnie uda się poprawić ich właściwości dzięki zmodyfikowaniu procesu nanoszenia warstw.

W instytucie rozpoczęły się doświadczenia nad nakłada-niem warstw nanocząstek węglowych w obecności kuleczek polistyrenowych o średnicach kilkuset nanometrów. Po wy-tworzeniu każdej warstwy naukowcy zamierzają powlekać ją polimerem w celu mechanicznego wzmocnienia konstruk-cji, a następnie wypłukiwać kuleczki. Otrzymana tą metodą wielowarstwowa struktura miałaby znacznie większe pory, ułatwiające dostęp tlenu, co skutkowałoby wzrostem wydaj-ności reakcji.

Innym obszarem zastosowań elektrod z warstwami na-nocząstek węgla prawdopodobnie staną się czujniki elektro-chemiczne, np. do oznaczania poziomu dopaminy wobec kwasu askorbinowego i kwasu moczowego. W chemii ana-litycznej problem ten uchodzi za poważny, ponieważ dwie ostatnie substancje utrudniają analizę próbek ze względu na nakładanie się ich sygnałów elektrochemicznych. Pokrycie elektrod nanocząstkami pozwala na rozdzielenie sygnałów i zwiększenie czułości.

Oprócz warstw nanocząstek węglowych, naukowcy z ze-społu prof. Opałło w podobny sposób tworzą na powierzch-niach elektrod trójwymiarowe struktury z nanocząstek metali i tlenków metali, nanorurek węglowych i nanocząstek z mo-dyfikowanego szkła. n

KONTAKT:



88


TRóJWyMIAROWA CHEMIA PRZEZ UCIERANIE CIAł STAłyCH

W laboratoriach naukowych i zakładach prze-mysłowych praktycznie wszystkie reakcje che-miczne zachodzą w cieczach lub gazach. Tym-czasem grupa naukowców z naszego instytutu i Wydziału Chemicznego Politechniki Warszaw-skiej (WCh PW) wytworzyła nowe, interesujące związki chemiczne za pomocą reakcji prowa-dzonych wyłącznie w ciele stałym.

„Rezultaty są naprawdę zdumiewające”, komentuje prof. dr hab. Janusz Lewiński (IChF PAN, WCh PW). „Za pomocą transformacji w ciele stałym udało się nam przejść od jednej skomplikowanej struktury cząsteczkowej do innej, dotychczas nierozważanej dla badanej grupy związków, a co najciekawsze, niemożli-wej do otrzymania metodami klasycznymi, czyli za pomocą rozpuszczalników”.

Odkrycie opisano w artykule opublikowa-nym w czasopiśmie „Angewandte Chemie”.

Mechanochemia polega na przeprowa-dzaniu reakcji chemicznych z udziałem re-agentów w formie ciał stałych, bez stosowania rozpuszczalnika, przy użyciu mechanicznej siły, co w praktyce sprowadza się do ucierania proszków. Dziedzina ma długą historię – po raz pierwszy termin mechanochemia został użyty już w 1919 roku przez wybitnego niemieckiego uczonego Wilhelma Ostwalda. W końcu ubie-głego wieku zauważono, że ucieranie prowadzi do zmian w strukturze krystalicznej związków organicznych. Jest to możliwe, ponieważ związ-ki te tworzą struktury krystaliczne za pomocą słabych wiązań niekowalencyjnych. Podczas ucierania wiązania te łatwo ulegają transforma-cjom i powstają nowe formy krystaliczne.

„Reakcje mechanochemiczne zachodzą w krótkim czasie i w całej objętości proszków.

ÛDyplomant Michał Dutkiewicz z Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej przeprowadza unikatową reakcję mechanochemiczną w tradycyjnym kuchennym moździerzu. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)


89

...wykorzystać!

Jeśli w moździerzu lub wytrząsarce umieścimy na przykład dwa białe proszki w odpowiednich proporcjach, już po kil-kudziesięciu minutach będziemy mogli wysypać proszek o innej barwie, na przykład żółtej, który będzie nowym, czy-stym związkiem chemicznym”, tłumaczy doktorant Daniel Prochowicz.

Mechanochemia wzbudza ogromne zainteresowanie przemysłu farmaceutycznego, ponieważ podczas uciera-nia biologicznie aktywnych związków otrzymuje się nowe struktury krystaliczne – odmiany polimorficzne, które można patentować jako nowe formy leków. Najnowsze prace po-kazują, że mechanochemia z powodzeniem może też być wykorzystana do otrzymywania z prostych jednostek bu-dulcowych, w łagodnych warunkach, złożonych trójwymia-rowych nieorganiczno-organicznych materiałów mikroporo-watych.

Punktem wyjścia dla reakcji odkrytych przez naszych naukowców był związek alkoksylowy cynku, w którym przy atomach cynku znajdują się słabo związane cząsteczki roz-puszczalnika. Substrat w postaci sproszkowanej umieszcza-no w reaktorze, gdzie pod obniżonym ciśnieniem w tempe-raturze 35 stopni Celsjusza następowała desolwatacja, czyli odrywanie się cząsteczek rozpuszczalnika od centrum me-talicznego.

Badania rentgenostrukturalne potwierdziły, że w efekcie powstawał alkoksylowy związek cynku o unikatowej, zło-żonej strukturze przestrzennej, której nie można otrzymać żadną inną metodą. Ponieważ substancja wytworzona przez naszych naukowców jest prekursorem tlenku cynku, można ją wykorzystać do produkcji tego powszechnie używanego w elektronice półprzewodnika. Co więcej, unikatowa struk-tura przestrzenna związku powoduje, że otrzymane z niego nanocząstki tlenku cynku mają nieco inne właściwości od nanocząstek ZnO produkowanych innymi metodami, mogą więc znaleźć nowe zastosowania w różnego typu nanotech-nologiach.

Otrzymany podczas desolwatacji związek okazał się tri-merem, co oznacza, że każda jego cząsteczka składa się

z trzech jednostek podstawowych – merów. Mery te tworzą zaskakująco złożoną, pozbawioną symetrii strukturę prze-strzenną.

Nowy związek cynku, w postaci sproszkowanej, podda-no ręcznemu ucieraniu w moździerzu. Pomiary rentgeno-graficzne otrzymanej w wyniku ucierania substancji pozwo-liły stwierdzić, że nie jest już ona trimerem, lecz tetramerem o bardzo regularnej, kubicznej strukturze krystalicznej. Dla badaczy wynik był sporym zaskoczeniem. Wcześniejsze przekształcenia mechanochemiczne z udziałem związków kompleksowych zwykle prowadziły do powstania polimeru koordynacyjnego, czyli jednowymiarowego łańcucha metal- metal połączonego łącznikami organicznymi. Naszym na-ukowcom po raz pierwszy udało się dokonać transformacji mechanochemicznej klastra w klaster, a więc przejść od jed-nej zagregowanej struktury molekularnej do drugiej. Mecha-nizm fizyczno-chemiczny odpowiedzialny za tak zaskakują-ce przekształcenie pozostaje nieznany.

Opisane odkrycia otwierają drogę do syntezy nowych grup związków alkoksylowych, będących prekursorami związków tlenkowych metali. Związki tego typu są szeroko wykorzystywane m.in. w elektronice i chemii materiałowej, w tym w wielu nanotechnologiach. n

KONTAKT:

prof. dr hab. inż. Janusz Lewiński

Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk,

Wydział Chemiczny Politechniki Warszawskiej


ÝW wyniku procesu desolwatacji od alkoksylowego związku cynku oddzieliły się cząsteczki rozpuszczalnika (THF). Nowy związek jest trimerem o złożonej strukturze przestrzennej. Jego ucieranie prowadzi do powstania regularnego tetrameru o budowie sześciennej. (Źródło: WCh PW)

90


FEROMONy POMOGą CHRONIć LASy BUKOWEEuropejski chrząszcz drwalnik bukowiec stanowi zagro-żenie zarówno dla żywych drzewostanów bukowych, jak i drewna wyrobionego. Do walki z tym szkodnikiem w Zakła-dzie Doświadczalnym CHEMIPAN naszego instytutu przy-gotowano nową substancję feromonową. Na zlecenie au-striackiej firmy Witasek Pflanzenschutz GmBH została ona przetestowana w lasach na terenie Niemiec.

„Wyniki badań przeprowadzonych przez naszych nie-mieckich kolegów okazały się wyjątkowo miłą niespodzian-ką”, mówi dr hab. inż. Jerzy Raczko, dyrektor CHEMIPAN-u. Nowy preparat okazał się skuteczny w przywabianiu nie tyl-ko drwalnika bukowca, ale również pozostałych gatunków chrząszczy z rodzaju Trypodendron.

Feromony to substancje lotne wydzielane do otocze-nia przez organizmy żywe w celach komunikacyjnych. Peł-nią różne zadania: zazwyczaj sygnalizują pobyt samicy lub obfitość pożywienia, ale są także stosowane w charakterze ostrzeżeń. Wabiące cechy feromonów były od dawna wyko-rzystywane przez leśników do walki z owadami. Dzięki pu-łapkom feromonowym mogą oni monitorować, ograniczać lub zwalczać określoną populację szkodników.

„Substancje feromonowe występują w środowisku w ekstremalnie małych stężeniach, dlatego ich stosowanie jest wyjątkowo ekologiczne i ekonomiczne. Na przykład co roku dostarczamy leśnikom w całej Polsce kilkadziesiąt ty-sięcy pułapek feromonowych do monitorowania populacji brudnicy mniszki. We wszystkich łącznie znajduje się zaled-wie 12 gramów feromonu”, wyjaśnia dyr. Raczko.

Drwalnik bukowiec (Trypodendron domesticum, Xyloterus domesticus) to niewielki, ciemny chrząszcz o walcowatym kształcie i długości nieprzekraczającej czterech milimetrów. Występuje głównie w drzewostanach bukowych, zwłaszcza uszkodzonych, gdzie oprócz buków niszczy brzozy, dęby, klony, lipy i inne drzewa liściaste. Jednak w Polsce więk-szość lasów to monokultury sosnowe, dla których głównym zagrożeniem jest żerujący na drzewach iglastych drwalnik paskowany (Trypodendron lineatum, Xyloterus lineatus).

„Od lat dysponujemy związkami, które z powodzeniem stosowaliśmy do wabienia drwalnika paskowanego. Użyli-śmy ich jako podstawy do zbudowania nowego feromonu, skonstruowanego z myślą o przywabianiu drwalnika bukow-ca”, opisuje dyr. Raczko.

Badania polowe przeprowadziła Politechnika Drezdeńska na drzewostanach w pobliżu Lipska, Drezna i Wermsdorfu.

Lasy składały się z buków zwyczajnych, dębów i jesionów. Ku zaskoczeniu naukowców, w pułapkach feromonowych zaobserwowane duże, wzajemnie porównywalne liczby nie tylko drwalników bukowca i paskowanego, ale także zna-czonego (Trypodendron signatum, Xyloterus signatus). Wy-niki testów wskazują, że nowy preparat jest skuteczny na wszystkie gatunki chrząszczy z rodzaju Trypodendron.

Dzięki preparatowi feromonowemu wabiącemu drwal-niki będzie można lepiej wyznaczać terminy rozpoczęcia

ÝDrwalnik bukowiec atakuje drzewa liściaste, głównie buki, dęby i jesiony. (Źródło: Robert Dzwonkowski)


91

...wykorzystać!

i kulminacji rójek tych szkodników. Pomiary za pomocą puła-pek pozwolą skuteczniej monitorować drzewostany i umożli-wią leśnikom odpowiednio wczesne podejmowanie działań zapobiegawczych, co pozwoli ograniczyć szkody spowodo-wane żerowaniem owadów. n

ÝPreparat feromonowy opracowany w Zakładzie Doświadczalnym CHEMIPAN pozwoli skuteczniej chronić lasy bukowe. (Źródło: IChF PAN/Grzegorz Krzyżewski)

KONTAKT:

dr hab. inż. Jerzy Raczko

Zakład Doświadczalny CHEMIPANInstytutu Chemii Fizycznej

Polskiej Akademii Nauktel. +48 22 3433385, +48 22 6324513

email: [email protected]

92


SZTUKA WZMACNIANIA, CZyLI 10 TERAWATóW NA BIURKU

Nowy wzmacniacz parametryczny, opracowany w Centrum Laserowym Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk i Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, pozwala na konstruowanie aparatury laserowej rozmiaru biurka zdolnej do generowania femtosekundowych impulsów laserowych o mocy dziesiątków terawatów. Na zdjęciu dr Paweł Wnuk z Centrum Laserowego przy wzmacniaczu parametrycznym. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)


93

...wykorzystać!

Czy urządzenie zajmujące ledwie pół biurka może wytworzyć moc kilkadziesiąt razy więk-szą od generowanej przez wszystkie elek-trownie jądrowe świata? Odpowiedź brzmi: „w impulsie – tak”! Dzięki nowemu wzmac-niaczowi parametrycznemu, skonstruowane-mu w Centrum Laserowym naszego instytutu i Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskie-go (FUW), na zwykłym stole optycznym uda-ło się wyprodukować bardzo krótkie (femto-sekundowe) impulsy laserowe o gigantycznej mocy 10 terawatów. Nowy wzmacniacz jest ważnym krokiem ku budowie kompaktowych, przenośnych i relatywnie tanich urządzeń la-serowych wielkiej mocy, które mogą zrewolu-cjonizować m.in. terapie antynowotworowe.

„Teoretycznie sprawność wzmacniaczy parametrycznych może sięgać ponad 50%. W praktyce najlepsze wzmacniacze tego typu pracują ze sprawnością około 30%. Nam już teraz udało się osiągnąć tę ostatnią war-tość, na dodatek w urządzeniu o naprawdę niewielkich rozmiarach”, mówi dr hab. yuriy Stepanenko (IChF PAN), główny konstruktor wzmacniacza, po czym dodaje: „Wciąż udo-skonalamy naszą aparaturę. W najbliższych miesiącach zamierzamy z jednej strony zwiększyć sprawność wzmacniacza o kolej-nych kilka procent, z drugiej podnieść moc impulsów laserowych nawet do kilkudziesię-ciu terawatów”.

Wzmocnienie światła w większości lase-rów generujących ultrakrótkie impulsy odby-wa się dzięki kryształom szafiru domieszko-wanym jonami tytanu. Kryształ w laserze jest pompowany energią z zewnętrznego lasera, a jej część jest odbierana przez właściwą, wzmacnianą wiązkę laserową. Metoda ma wiele wad. Do najpoważniejszych należy sil-ne nagrzewanie się kryształów, co prowadzi m.in. do niekorzystnych zniekształceń prze-kroju wiązki światła. W efekcie po niemal każdym laserowym „strzale” kryształy muszą długo stygnąć.

Na szczęście dzięki efektom optyki nie-liniowej można budować wzmacniacze in-nego typu, parametryczne, efektywnie prze-kazujące energię bezpośrednio z wiązki lasera pompującego do wiązki wzmacnianej.

Ponieważ wprowadzana energia nie jest nigdzie gromadzona, nie ma szkodliwych efektów termicznych, a wzmocnione impulsy mają doskonałe parametry.

Wzmacniacze parametryczne potrafią wzmocnić światło setki milionów razy już na drodze długości kilku centymetrów. Dzięki takim właściwościom ich rozmiary są (jak na standardy optyki wielkich mocy) naprawdę niewielkie. Przyrząd z Centrum Laserowego IChF PAN i FUW bez problemów mieści się na połowie typowego biurka.

Nowy wzmacniacz zostanie wykorzystany m.in. do zbudowania źródła promieni rentge-nowskich oraz eksperymentalnego genero-wania protonów i wtórnych neutronów.

Jednym z długofalowych celów badań nad wzmacniaczami parametrycznymi jest generowanie impulsów laserowych o mocy 200 TW i większej. Za pomocą tak potężnych impulsów światła można byłoby nadawać protonom energie użyteczne w terapiach me-dycznych, na przykład pozwalające selektyw-nie niszczyć komórki nowotworowe. Dotych-czasowe techniki przyspieszania protonów wymagają budowania dużych i kosztownych akceleratorów. Lasery wielkich mocy pozwo-liłyby znacznie zwiększyć dostępność nowo-czesnych terapii protonowych przy jednocze-snym radykalnym obniżeniu kosztów leczenia chorych z nowotworami.

Technologia wieloprzejściowego optycz-nego wzmacniacza parametrycznego NOPC-PA (Noncollinear Optical Parametric Chirped Pulse Amplifier) jest rozwijana w Centrum Laserowym IChF PAN i FUW od 2005 roku w zespole prowadzonym przez prof. dr. hab. Czesława Radzewicza. n

KONTAKT:

dr hab. Yuriy Stepanenko

tel. +48 22 3433446 +48 22 3433412


94


Ý Opracowana przez naszych naukowców katoda, przeznaczona do miniaturowych bioogniw paliwowych, naprawdę oddycha: by działać, zużywa tlen z powietrza. Na zdjęciu doktorantka Adrianna Złoczewska. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

BIOBATERIE łAPIą ODDECH


95

...wykorzystać!

KONTAKT:



Człowiek coraz częściej korzysta z urządzeń wspomaga-jących funkcjonowanie ciała. Dziś są to rozruszniki serca czy aparaty słuchowe, jutro będą to soczewki kontaktowe o automatycznie zmieniającej się ogniskowej lub wyświetla-cze komputerowe generujące obraz bezpośrednio w oku. żadne z tych urządzeń nie będzie działało, jeśli nie zostanie wyposażone w wydajne i trwałe źródło zasilania. Najlepszym rozwiązaniem wydają się miniaturowe bioogniwa paliwowe zużywające substancje naturalnie występujące w ludzkim organizmie lub w jego bezpośrednim otoczeniu.

Zespół naukowców z naszego instytutu opracował wy-dajną elektrodę do budowy bioogniw lub biobaterii tlenowo-cynkowych. Po umieszczeniu w ogniwie, nowa biokatoda przez wiele godzin wytwarza napięcie wyższe od otrzymy-wanego w dotychczasowych źródłach zasilania podobnej konstrukcji. Najciekawszy jest fakt, że urządzenie oddycha: działa z pełną wydajnością wtedy, gdy może pobierać tlen bezpośrednio z powietrza.

Zwykłe baterie i akumulatory nie nadają się do zasilania implantów w ludzkim ciele. Do ich budowy są bowiem uży-wane silne zasady lub kwasy. Substancje te pod żadnym pozorem nie mogą dostać się do organizmu. Obudowa ba-terii musi więc gwarantować całkowitą szczelność. Ale im bardziej zmniejszamy baterię, tym lepiej musimy ją izolować. W skrajnych przypadkach obudowa zwykłej, tyle że zminia-turyzowanej baterii musiałaby mieć masę nawet kilkadziesiąt razy większą od masy części aktywnej, wytwarzającej prąd. Bioogniwa paliwowe mają tu istotną przewagę: nie wymaga-ją obudowy. Aby otrzymać prąd, wystarczy wprowadzić do organizmu same elektrody.

„Jednym z najpopularniejszych doświadczeń z elek-trochemii jest zrobienie bateryjki z ziemniaka poprzez we-tknięcie w niego odpowiednio dobranych elektrod. My robimy coś trochę podobnego, tyle że koncentrujemy się na bioogniwach i ulepszaniu katody. No i żeby całe przed-sięwzięcie miało ręce i nogi, docelowo wolelibyśmy ziem-niaka zastąpić... człowiekiem”, mówi dr Martin Jönsson- -Niedziółka.

W doświadczeniach grupa dr. Jönssona-Niedziółki wy-korzystuje ogniwa tlenowo-cynkowe. Zasada ich działania nie jest nowa. Baterie zbudowane z ogniw tego typu były popularne zanim nastała era źródeł alkalicznych.

„Obecnie w wielu laboratoriach prowadzi się badania nad bioogniwami glukozowo-tlenowymi. W najlepszym przy-padku wytwarzają one prąd o napięciu 0,6-0,7 V. Bioogniwo cynkowo-tlenowe z naszą katodą może przez wiele godzin generować 1,75 V”, mówi doktorantka Adrianna Złoczewska (IChF PAN), której badania były finansowane w ramach pro-gramu MPD Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

Głównym elementem biokatody opracowanej w naszym instytucie jest enzym otoczony nanorurkami węglowymi i za-mknięty w porowatej strukturze – matrycy polikrzemianowej osadzonej na membranie przepuszczającej tlen.

„Nad technikami niezbędnymi do wykonania katody z użyciem enzymów, nanorurek węglowych i matryc poli-krzemianowych nasza grupa pracuje od wielu lat”, podkre-śla prof. dr hab. Marcin Opałło.

Tak wykonana elektroda jest montowana we fragmencie ścianki małego pojemnika. Aby bioogniwo zadziałało, do wnętrza pojemnika wystarczy wlać elektrolit (tu: roztwór za-wierający jony wodoru) i wsunąć w niego cynkową anodę. Pory w matrycy polikrzemianowej zapewniają dopływ tlenu z powietrza i jonów H+ z roztworu do centrów aktywnych enzymu, gdzie zachodzi redukcja tlenu. Nanorurki węglowe ułatwiają transport elektronów z powierzchni półprzepusz-czalnej membrany.

Ogniwo z nową biokatodą może wytwarzać prąd o na-pięciu 1,6 V przez co najmniej półtora tygodnia. Z czasem wydajność ogniwa spada, prawdopodobnie wskutek stop-niowej dezaktywacji enzymu na biokatodzie.

„Tu wszystko zależy już nie od nas, a od postępu w bio-technologii. Gdyby udało się opracować procesy regene-rowania enzymu, czas działania ogniw z naszą biokatodą mógłby się znacznie wydłużyć”, mówi dr Jönsson-Niedziółka.

W dotychczasowych eksperymentach cztery połączone szeregowo biobaterie, wyposażone w nową katodę, zasi-lały z powodzeniem dwudiodową lampkę. Jednak zanim bioogniwa bazujące na konstrukcji opracowanej w naszym instytucie zostaną upowszechnione, naukowcy muszą roz-wiązać problem stosunkowo małej mocy prądu, charaktery-styczny dla wszystkich typów bioogniw.

Opisane badania mają znaczenie nie tylko z uwagi na miniaturyzację źródeł zasilania dla implantów medycznych, biosensorów czy świecących tatuaży. Procesy odpowie-dzialne za generowanie prądu w bioogniwach potencjalnie nadają się do wykorzystania w produkcji energii elektrycz-nej w większej skali. Czynnikiem limitującym są tu jednak własności samych enzymów, dlatego dalszy postęp w tym zakresie w istotnej części zależy od rozwoju samej biotech-nologii. n

96


NOWy KATALIZATOR UMOżLIWI KOMERCJALIZACJę REWOLUCyJNyCH OGNIW PALIWOWyCHNie ma użytkownika sprzętu elektronicznego, którego nie irytowałyby problemy z zasilaniem. Baterie wiecznie się wyczerpują, wymagają ciągłych wymian lub długotrwałego ładowania. Ogniwa paliwowe mogłyby znacząco poprawić wygodę korzystania z urządzeń elektronicznych. Na prze-szkodzie do ich komercjalizacji stoi jednak wiele problemów technicznych. Nowy katalizator, opracowany w naszym insty-tucie, jest istotnym etapem na drodze do upowszechnienia tanich, trwałych, lekkich i ekologicznych ogniw paliwowych zużywających kwas mrówkowy.

Ogniwo paliwowe to urządzenie przetwarzające ener-gię chemiczną w elektryczną. Prąd powstaje bezpośrednio wskutek spalania paliwa w obecności katalizatorów, stoso-wanych na anodzie i katodzie ogniwa.

„Teoretyczna sprawność zamiany energii chemicznej na elektryczną w ogniwach może sięgać nawet stu procent. Najlepsze istniejące obecnie ogniwa, wodorowe, w praktyce dochodzą do 60%. Dla porównania, sprawność niskopręż-nych silników spalinowych to zaledwie około 20%”, mówi dr hab. inż. Andrzej Borodziński.

Najpoważniejszą przeszkodą w upowszechnieniu ogniw wodorowych jest magazynowanie wodoru. Zagadnienie to okazało się niezwykle wymagające technicznie i wciąż nie doczekało się zadowalających rozwiązań. Konkurencyjne wobec wodorowych są ogniwa na metanolu. Sam metanol jest jednak substancją trującą, a zużywające go ogniwa trze-ba budować z użyciem drogich katalizatorów platynowych. Co więcej, ogniwa metanolowe mają niewielką moc i pracu-ją w stosunkowo wysokiej, a więc potencjalnie niebezpiecz-nej temperaturze (ok. 90 stopni Celsjusza).

Alternatywnym rozwiązaniem okazują się ogniwa pa-liwowe działające na kwasie mrówkowym. Reakcje za-chodzą tu w temperaturze pokojowej, a sprawność i moc ogniwa są wyraźnie wyższe niż w ogniwach metanolowych. Dodatkowo kwas mrówkowy jest substancją stosunkowo łatwą do przechowywania i transportu. Jednak aby ogniwo na kwasie mrówkowym działało stabilnie, potrzebny jest wydajny i trwały katalizator.

„Opracowany przez nas katalizator początkowo ma niższą aktywność od dotychczas stosowanych kataliza-torów z czystego palladu. Różnica znika jednak już po dwóch godzinach pracy. Dalej jest tylko lepiej. Podczas gdy

aktywność katalizatora na czystym palladzie nadal spada, nasz pracuje stabilnie”, mówi dr hab. inż. Borodziński.

Zaletą opracowanego w naszym instytucie katalizatora, szczególnie istotną z ekonomicznego punktu widzenia, jest fakt, że zachowuje swe właściwości podczas pracy w kwa-sie mrówkowym niskiej czystości. Kwas mrówkowy tego typu można łatwo produkować w dużych ilościach, w tym także z biomasy, zatem paliwo do nowych ogniw mogłoby być bardzo tanie.

Kwas mrówkowy otrzymywany z biomasy byłby paliwem w pełni ekologicznym. Produktami reakcji zachodzących z jego udziałem w ogniwach paliwowych są woda i dwutle-nek węgla. Ten drugi jest co prawda gazem cieplarnianym, ale biomasa jest pozyskiwana z roślin, które pochłaniają go podczas wzrostu. W rezultacie produkcja kwasu mrówkowe-go z biomasy i zużywanie go w ogniwach nie zmieniałyby ilości dwutlenku węgla w atmosferze. Ryzyko skażenia śro-dowiska kwasem mrówkowym także jest niewielkie.

Ogniwa paliwowe na kwasie mrówkowym znalazłyby liczne zastosowania. Ich przydatność byłaby szczególnie wysoka w przenośnych urządzeniach elektronicznych – te-lefonach komórkowych, laptopach, GPS-ach. Ogniwa te mogłyby być instalowane także jako źródła zasilania pojaz-dów, od wózków inwalidzkich przez elektryczne rowery po jachty.

W naszym instytucie rozpoczęły się badania nad pierw-szymi bateriami zbudowanymi z ogniw paliwowych na kwa-sie mrówkowym. Naukowcy spodziewają się, że prototyp komercyjnego urządzenia powinien być gotowy w ciągu kilku lat. n

KONTAKT:

dr hab. inż. Andrzej Borodziński



97

...wykorzystać!

99

...ZORGANIZOWAć!Nie wystarczy zrozumieć, zobaczyć, wykorzystać.

Nowoczesna nauka musi żyć – musi mieć zapewnione warunki, które pozwolą jej stabilnie funkcjonować w sposób przynoszący społeczeństwu wymierne

korzyści i jednocześnie zachęcający młodych ludzi do podejmowania ambitnych wyzwań intelektualnych.

100

instytut chemii fizycznej pan ...zorganizować!

NOWOCZESNE TECHNIKI ANALIZy POWIERZCHNI NA MAZOWSZU

Własności kilku najbardziej zewnętrznych warstw atomo-wych materiałów można już badać w Mazowieckim Centrum Analizy Powierzchni, otwartym niedawno w naszym instytu-cie. Laboratoria Centrum dysponują najnowszą aparaturę, zakupioną m.in. w ramach europejskiego projektu NOBLES-SE. Do dyspozycji naukowców oddano m.in. skaningowy mikroskop elektronowy najnowszej generacji oraz specjali-styczną aparaturą spektroskopową do badania powierzchni w warunkach wysokiej i ultra wysokiej próżni.

„Laboratoria zajmujące się technikami skaningowymi działały u nas od dawna. Obecnie unowocześniliśmy ich

wyposażenie, a fundusze europejskie umożliwiły nam zakup ostatniego brakującego elementu, czyli mikroskopu elektro-nowego. Pozostało nam postawić przysłowiową kropkę nad i – i scalić laboratoria w jeden podmiot wyspecjalizowany w technikach analizy powierzchni”, wyjaśnia prof. dr hab. Robert Hołyst, dyrektor IChF PAN.

ÝMazowieckie Centrum Analizy Powierzchni, uruchomione w naszym instytucie, umożliwia badanie własności najbardziej zewnętrznych warstw materiałów za pomocą kilkunastu technik powierzchniowych. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)


101

...zorganizować!

Wraz z Centrum do użytku oddano nową, trzykondygna-cyjną halę, w której oprócz Mazowieckiego Centrum Analizy Powierzchni umieszczono laboratoria zajmujące się bada-niami nanostruktur i mikroprzepływów, a także część CHEMI-PAN-u, zakładu doświadczalnego naszego instytutu, zajmu-jącego się m.in. syntezą związków chemicznych służących ochronie środowiska.

Analiza własności powierzchni materiałów gra w nauce i przemyśle niebagatelną rolę. Nawet niewielkie ilości za-nieczyszczeń w ciele stałym, rzędu paru cząsteczek na mi-lion, mogą „wypłynąć” na zewnątrz materiału i pokryć jego całą powierzchnię. Utworzona w wyniku tej tzw. segregacji warstwa w znacznym stopniu zmienia właściwości prób-ki. W Mazowieckim Centrum Analizy Powierzchni można obecnie analizować własności fizyko-chemiczne nawet tylko dwóch najbardziej zewnętrznych warstw atomowych próbki. Wyniki analiz są wykorzystywane m.in. w inżynierii materiało-wej i elektronice.

Do najważniejszego wyposażenia Centrum należą: spek-trometr wielokomorowy PHI 5000 VersaProbe, spektrometr ESCALAB-210, skaningowy mikroskop elektronowy Nano-SEM 450, skaningowy mikroanalizator elektronów Augera MICROLAB 350 i zestaw do elektrochemicznych badań ko-rozji i impedancji Autolab PGSTAT302N.

„W Centrum mamy teraz do dyspozycji kilkanaście tech-nik powierzchniowych do badania powierzchni ciał stałych, w tym spektroskopię fotoelektronów, spektroskopię Augera oraz mikroskopie: tunelową, sił atomowych i inne. To dość unikalny kompleks metod, działających w jednej, ultrawy-sokiej próżni”, mówi prof. dr hab. Aleksander Jabłoński, kierownik MCAP. „Warto też podkreślić, że nasz sprzęt trafi do elektronicznej bazy aparatury naukowej ELAD, która ma

służyć małym i średnim przedsiębiorstwom oraz instytucjom naukowym współpracującym w ramach projektu Mazowiec-ka Dolina Zielonej Chemii”, dodaje.

Część pomiarów w MCAP jest wykonywana na zlecenie in-stytucji naukowych i badawczych należących do konsorcjum NANOBIOM, zajmującego się wykorzystaniem kwantowych nanostruktur półprzewodnikowych w biologii i medycynie.

„Obecnie 40% czasu badań jest związana z pracami wykonywanymi na zewnątrz, coraz częściej dla przemysłu. łącznie współpracowaliśmy już z blisko setką podmiotów zewnętrznych. A trzeba pamiętać, że na naszej aparaturze realizujemy jeszcze własne badania i granty”, podkreśla prof. Jabłoński.

W uroczystości otwarcia Mazowieckiego Centrum Analizy Powierzchni uczestniczyli przedstawiciele Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, władz samorządowych, Mazowiec-kiej Doliny Zielonej Chemii oraz kilkunastu uczelni i instytucji naukowo-badawczych – m.in. Instytutu Chemii Organicznej PAN, Instytutu Fizyki PAN, Instytutu Wysokich Ciśnień PAN, Instytutu Chemii i Techniki Jądrowej, Instytutu Chemii Prze-mysłowej, Instytutu Farmaceutycznego, Instytutu Przemysłu Organicznego, Politechniki Warszawskiej, Uniwersytetu War-szawskiego i Wojskowej Akademii Technicznej. n

ICHF PAN LIDEREM JAKOśCI POLSKIEJ NAUKI Międzynarodowa grupa badawcza SCImago Research Group co roku przygotowuje raport SCImago Institutions Rankings (SIR) dotyczący liczby i jakości publikacji poszcze-gólnych instytucji naukowych świata. W najnowszym rankin-gu SIR, obejmującym lata 2007-2011, w prestiżowej części Q1 odnoszącej się do jakości publikacji, nasz instytut zajął pierwsze miejsce w Polsce.

Zwyciężyliśmy w klasyfikacji Q1, uwzględniającej liczbę publikacji w 25% najwyżej notowanych czasopism nauko-

wych świata. Ranking Q1 pośrednio wskazuje, naukowcy której instytucji mają największą szansę zdobycia Nagrody Nobla. „Taki też jest nasz cel: chcemy stworzyć warunki, w których mógłby się zrealizować talent na miarę tej nagro-dy”, mówi prof. dr hab. Robert Hołyst, dyrektor IChF PAN.

Najwyższa pozycja w rankingu to nie przypadek, lecz efekt prowadzonej od wielu lat konsekwentnej polityki Insty-tutu. „Działamy w duchu Fundacji na rzecz Nauki Polskiej: staramy się publikować mniej, ale w najlepszych czaso-

KONTAKT:



102


pismach”, komentuje prof. Hołyst. Podkreśla przy tym, że w ostatnich sześciu latach chemicy z Polski tylko czterokrot-nie publikowali w najwyżej notowanym czasopiśmie nauko-wym „Science” – w tym dwukrotnie byli to naukowcy Instytu-tu Chemii Fizycznej PAN.

W okresie objętym raportem SIR (lata 2007-2011) nasz instytut opublikował 1001 prac naukowych, co klasyfikuje go na 42. miejscu w Polsce. Warto tu dodać, że zatrudniamy ponad 170 pracowników naukowych, w tym ponad 40 pro-fesorów i doktorów habilitowanych.

ZIELONA CHEMIA ROZGOśCI SIę NA MAZOWSZUPowstaje Mazowiecka Dolina Zielonej Chemii – silna in-frastruktura badawcza grupująca najlepsze instytucje che-miczne z Warszawy i okolic. Głównym zadaniem Doliny jest wypracowanie warunków sprzyjających dynamicznemu rozwojowi różnych dziedzin chemii i szybkiemu transferowi osiągnięć naukowych do przemysłu.

Kilkanaście naukowych instytucji chemicznych z Warsza-wy i Mazowsza, w tym instytuty badawcze, instytuty Polskiej Akademii Nauk oraz wyższe uczelnie, łączy siły w ramach rozproszonego inkubatora wdrożeń pod nazwą Mazowiecka Dolina Zielonej Chemii. Przedsięwzięcie, unikatowe w skali

kraju, zgłoszono już do wpisania na Polską Mapę Drogową Infrastruktury Badawczej, obejmującą najważniejsze dla roz-woju państwa inicjatywy naukowe. Przedsięwzięcie zostało zaprezentowane Adamowi Struzikowi, marszałkowi woje-wództwa mazowieckiego, i zyskało jego poparcie.

„Mazowiecka Dolina Zielonej Chemii jest odpowiedzią na inicjatywy Ministerstwa Nauki dotyczące utworzenia Polskiej Mapy Drogowej, na której brakuje projektów z dziedziny che-mii, inżynierii chemicznej oraz materiałowej. To także reakcja na prośbę marszałka Struzika w sprawie zgłaszania przed-sięwzięć wzbogacających Program Strategiczny Rozwoju

Klasyfikacja SCImago Institutions Rankings obej-muje wszystkie jednost-ki naukowe świata, które w ostatnim roku analizowa-nej pięciolatki opublikowały co najmniej 100 prac na-ukowych zarejestrowanych przez bazę danych Scopus. Baza Scopus jest prowa-dzona przez Elsevier, jedno z największych wydawnictw naukowych świata.

Na drugiej pozycji w polskim rankingu Q1 SIR znajduje się Instytut Chemii Organicznej PAN, partner i sąsiad IChF PAN, z którym współdzielimy teren. Dwie jakościowo najlepsze insty-

tucje naukowe w Polsce można więc znaleźć pod wspólnym warszawskim adresem. n

KONTAKT:




103

...zorganizować!

Województwa Mazowieckiego. Dolina będzie sprzyjać zwiększeniu współpracy w procesach rozwoju innowacji i innowacyjności oraz wzrostowi internacjonalizacji przedsię-biorstw województwa, przyczyni się też do stymulacji rozwo-ju metropolitarnego Warszawy. Jest to jeden z nielicznych projektów jednoczących we współdziałaniu uczelnie oraz instytuty PAN-owskie i badawcze”, mówi prof. dr hab. inż. Andrzej Chmielewski, dyrektor Instytutu Chemii i Techniki Jądrowej, który na spotkaniu z marszałkiem Struzikiem wy-stępował w imieniu instytutów badawczych. Przedstawicie-lem instytutów PAN był prof. dr hab. Robert Hołyst, dyrektor Instytutu Chemii Fizycznej PAN, a środowisko mazowieckich uczelni reprezentowali profesorowie Eugeniusz Molga i Je-rzy Szawłowski z Politechniki Warszawskiej.

Mazowiecka Dolina Zielonej Chemii została zainicjo-wana w Warszawie przez środowisko chemików podczas czerwcowych obchodów Międzynarodowego Roku Chemii 2011. W projekt są obecnie zaangażowane: Politechnika Warszawska – Szkoła Zaawansowanych Technologii Che-micznych i Materiałowych, Wydział Chemii Uniwersytetu Warszawskiego, Wydział Nowych Technologii i Chemii Woj-skowej Akademii Technicznej, Instytut Chemii Fizycznej PAN, Instytut Chemii Organicznej PAN, Instytut Chemii i Techniki Jądrowej, Instytut Chemii Przemysłowej, Instytut Farmaceu-tyczny i Instytut Przemysłu Organicznego.

Wszystkie jednostki założycielskie Mazowieckiej Doliny Zielonej Chemii prezentują wysoki poziom naukowy. Re-alizują one wiele zaawansowanych projektów, mają dobrą współpracę z przemysłem, dysponują dużą liczbą laborato-riów oraz wysokiej klasy aparaturą, mogą się też pochwalić licznymi wdrożeniami w kraju i zagranicą. Współpraca w ra-mach Doliny pozwoli zwiększyć efektywność wykorzystania tej bazy i zapewni krytyczną masę nauki niezbędną dla roz-woju na terenie Mazowsza firm z branży chemicznej.

W zamierzeniu inicjatorów, Mazowiecka Dolina Zielonej Chemii będzie silną strukturą badawczą, wykorzystującą potencjał instytutów badawczych, instytutów PAN i wydzia-łów chemicznych wyższych uczelni oraz współpracującą z biurami projektowymi i przemysłem. Dostęp do dobrze wyposażonych laboratoriów oraz pilotażowych instalacji pół-technicznych działających w ramach Doliny będzie sprzy-jał rozwojowi różnych dziedzin chemii. Dolina ma również wspierać programy edukacyjne i informacyjne z zakresu chemii i nauk pokrewnych, w tym konferencje naukowe, stu-dia doktoranckie, studia podyplomowe i staże naukowe dla studentów zagranicznych oraz publiczne prezentacje osią-gnięć naukowych.

Od połowy 2011 roku województwo mazowieckie jest członkiem Stowarzyszenia Europejska Sieć Regionów

Chemicznych ECRN. Obecnie zrzesza ono 21 europejskich regionów, w których przemysł chemiczny odgrywa istotną rolę. Powstająca Dolina w naturalny sposób będzie sprzy-jała wzrostowi znaczenia Mazowsza na chemicznej arenie Europy.

Do najważniejszych zadań Mazowieckiej Doliny Zielonej Chemii należy zachęcanie młodych naukowców do zakłada-nia firm w celu transferu nowych technologii chemicznych do przemysłu i na rynek.

„Wszyscy jesteśmy żywotnie zainteresowani tym, żeby absolwenci, a nawet studenci, mogli bez problemów za-kładać firmy typu spin-off”, mówi prof. Hołyst. „Takie firmy gwarantują transfer wiedzy do przemysłu i dają zatrudnie-nie kreatywnym ludziom. Z czasem, po osiągnięciu masy krytycznej, jeden z nich wyrośnie na globalny koncern, który wesprze polską naukę, wciąż niedofinansowaną w porównaniu z europejskimi konkurentami. Tak się stało w Finlandii i to samo chcemy osiągnąć na Mazowszu”.

W ramach Doliny młode firmy spin-off będą mogły liczyć na pomoc prawną w zdobywaniu funduszy inwestycyjnych, a przedstawiciele tychże będą wiedzieć, gdzie szukać inno-wacyjnych pomysłów.

Jednym z pierwszych działań ku utworzeniu Mazowiec-kiej Doliny Zielonej Chemii jest wspólna dla zainteresowa-nych jednostek baza danych E-Lab z dostępnym sprzętem laboratoryjnym, powstająca w ramach grantu NOBLESSE realizowanego przez Instytut Chemii Fizycznej PAN. W na-stępnym kroku planowane jest opracowanie bazy danych ze specjalnościami naukowymi. Dostęp do obu baz będzie dużym ułatwieniem dla młodych firm spin-off, które w po-czątkowej fazie działalności muszą często korzystać z wy-rafinowanej aparatury badawczej i konsultacji z najwyższej klasy specjalistami.

Inicjatorzy przedsięwzięcia podkreślają, że na obecnym etapie rozwoju Mazowieckiej Doliny Zielonej Chemii nie są wymagane dodatkowe źródła jej finansowania. W później-szych fazach wysoki poziom naukowy jednostek składo-wych oraz współpraca z przemysłem powinny zagwaran-tować dochody zapewniające sprawne funkcjonowanie przedsięwzięcia. n

KONTAKT:



104


NOWOCZESNE LABORATORIUM DO BADAń NAD MIKROPRZEPłyWAMIMikro- i nanokrople płynące wewnątrz ledwie widocznych kanalików mogą być miniaturowymi reaktorami chemicz-nymi. Badania nad tą nowoczesną dziedziną współczesnej chemii będzie można prowadzić efektywniej dzięki nowe-mu laboratorium, które 6 marca 2012 roku zostało uroczy-ście otwarte w naszym instytucie. W ceremonii wzięli udział przedstawiciele kilkunastu największych polskich instytucji naukowych tworzących konsorcjum NanoBioGeo.

Mikroprzepływy polegają na przepuszczaniu płynu no-śnego z mikrokroplami zawierającymi odczynniki chemicz-ne przez odpowiednio zaprojektowane, proste w budowie i tanie w wykonaniu układy kanalików. Zrozumienie zjawisk zachodzących w warunkach mikroprzepływów oraz opraco-wanie technik wytwarzania, transportowania, łączenia i dzie-lenia mikrokropel różnych substancji chemicznych ma klu-czowe znaczenie dla rozwoju dziedziny.

„Nasze laboratorium służy badaniom zjawisk w układach mikroprzepływowych. Chodzi przede wszystkim o rejestrację optyczną ultraszybkich procesów transportowych w mikro- i nanoskali, takich jak przepływy czy dyfuzja”, mówi dr hab. Piotr Garstecki, prof. IChF PAN.

Nowoczesna aparatura laboratorium pozwala stosować wiele technik mikroskopowych, w tym mikroskopię fluore-

scencyjną oraz jasnego pola. Sprzęt umożliwia także prowa-dzenie badań z zakresu spektroskopii korelacji fluorescencji.

Badania nad mikroprzepływami są uznawane za przy-szłościowe. W zgodnej opinii wielu naukowców, układy mikroprzepływowe zmienią oblicze współczesnej chemii w porównywalnym stopniu, jak układy scalone przekształciły elektronikę w latach 70. ubiegłego wieku.

Nowo otwarte laboratorium działa w Zakładzie Fizyko-chemii Płynów i Miękkiej Materii naszego instytutu. Jest kolej-nym uruchomionym z czternastu laboratoriów powstających w ramach projektu Krajowe Laboratorium Multidyscyplinarne Nanomateriałów Funkcjonalnych – NanoFun. Projekt ten jest realizowany przez konsorcjum naukowo-przemysłowe Na-noBioGeo w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka 2007-2013.

Dostęp do aparatury środowiskowego Laboratorium Ul-traszybkich Urządzeń Mikroprzepływowych mają instytucje wchodzące w skład konsorcjum NanoFun oraz użytkownicy zewnętrzni, zarówno z kraju, jak i z zagranicy. Więcej infor-macji o Laboratorium można znaleźć na stronie:

http://pepe.ichf.edu.pl/nanofun/

Celem projektu NanoFun jest utworzenie w Polsce sieci kilkunastu środowiskowych laboratoriów zajmujących się no-watorskimi badaniami naukowymi o charakterze inter- i multi-dyscyplinarnym, o potencjalnych zastosowaniach w zakresie nanomateriałów, biochemii, biofizyki i inżynierii chemicznej.

Z infrastruktury badawczej powstającej w kraju w ramach NanoFun skorzysta ponad 100 jednostek naukowych i firm oraz ok. tysiąca studentów. Przewiduje się, że infrastruktura umożliwi zrealizowanie ok. 150 projektów badawczych i roz-wojowych o międzynarodowym charakterze, z udziałem kilku-set naukowców, m.in. z Harvard University, University of Cali-fornia, Johns Hopkins University, University of Toronto, McGill University, London University, Centro Nacional de Biotecno-logia, Max Planck Institute, Ecole Politechnique i Queensland University of Technology. n

KONTAKT:



ÞUroczystość otwarcia nowoczesnego laboratorium do badania zjawisk zachodzących w układach mikroprzepływowych. (Źródło: IChF PAN/Grzegorz Krzyżewski)


105

...zorganizować!

TERMODyNAMIKA NAPRAWDę od PodstAWWykłady z termodynamiki to kanon zajęć dydaktycznych na uniwersyteckich wydziałach fizyki, chemii i biologii oraz na studiach inżynierskich. Większość podręczników tego przed-miotu nie dba jednak o matematyczną ścisłość. W efekcie studentom termodynamika zwykle kojarzy się ze zbiorem niepowiązanych ze sobą obserwacji i pojęć. Nowy podręcz-nik, napisany przez profesorów Roberta Hołysta i Andrzeja Poniewierskiego z naszego instytutu, łączy ścisłość matema-tyczną, poszukiwaną przez fizyków i inżynierów, z morzem przykładów, lubianych przez chemików i biologów.

„W zaproponowanym przez nas kursie termodynamiki sta-ramy się przede wszystkim odwoływać do intuicji czytelników, opartej na obserwacjach zjawisk z życia codziennego. Pró-bujemy w możliwie prosty sposób przekazać najważniejsze idee, które później dużo łatwiej jest powiązać ze ścisłymi, lecz nieco abstrakcyjnymi formułami matematycznymi. Taki spo-sób przedstawiania zagadnień z termodynamiki, uzupełniony o liczne przykłady i zadania, to efekt wielu lat doświadczeń związanych z prowadzeniem wykładów z tego przedmiotu”, mówi prof. Poniewierski.

Termodynamika jest tak powszechnie wykorzystywana w wielu dziedzinach życia, ponieważ jest niezwykle praktycz-na. W czasach alchemii znano tylko jeden sposób przyspie-szenia przebiegu reakcji: podgrzewanie. Bez termodynamiki alchemicy nie wiedzieli, że do wielu reakcji dojdzie znacznie szybciej, gdy zwiększy się na przykład samo ciśnienie.

Dziś termodynamika mówi chemikom dokładnie, które reak-cje chemiczne i w jakich warunkach zajdą samorzutnie, a kiedy warto dodać katalizatora, by obniżyć bariery kinetyczne bloku-jące ich przebieg. Termodynamika pozwala otrzymywać nowe substancje chemiczne i wyszukiwać oszczędne energetycznie procesy technologiczne. Jest niezbędna fizykom w zrozumie-niu własności badanych przez nich układów, biologom poma-ga opisywać procesy zachodzące w komórkach, a inżynierom ułatwia projektowanie wydajniejszych silników.

Równocześnie termodynamika jest ścisłą, doskonale sformalizowaną i zamkniętą dziedziną matematyki. David Hilbert, słynny niemiecki matematyk, stwierdził kiedyś, że ze wszystkich dziedzin fizyki właśnie termodynamika była najła-twiejsza do zaksjomatyzowania.

„Na wydziałach fizyki termodynamikę często wykłada się w połączeniu z fizyką statystyczną”, zauważa prof. Hołyst. „Rzecz w tym, że termodynamika wcale nie potrzebuje fizy-ki statystycznej. Dlatego tej w naszym podręczniku nie ma.

Prezentujemy termodynamikę jako spójną konstrukcję wy-wodzącą się z teorii form różniczkowych”.

Założenia współczesnej termodynamiki dotyczą układów w stanie równowagi. Nie opisują układów otwartych, które takiego stanu nie posiadają, takich jak człowiek czy, praw-dopodobnie, Wszechświat.

„Pisząc nasz podręcznik staraliśmy się myśleć perspek-tywicznie, nie tylko o samych studentach, ale i o rozwoju dziedziny. Uważamy, że tylko naprawdę głębokie zrozumie-nie termodynamiki układów zamkniętych, na podstawowym, matematycznym poziomie, umożliwi studentom wykroczenie poza jej aksjomaty i ułatwi sformułowanie założeń – dziś jesz-cze nieistniejącej – termodynamiki układów otwartych niepo-siadających stanu równowagi”, podsumowuje prof. Hołyst.

Podręcznik „Thermodynamics for Chemists, Physicists and Engineers” ukazał się niedawno w języku angielskim na-kładem wydawnictwa Springer Verlag. n

ÝPodręcznik z termodynamiki „Thermodynamics for Chemists, Physicists and Engineers”, napisany przez prof. Roberta Hołysta i prof. Andrzeja Poniewierskiego, łączy ścisłość matematyczną z dużą liczbą przykładów i zadań. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

KONTAKT:

prof. dr hab. Andrzej Poniewierski


106


DREAM CHEMISTRy AWARDWszyscy naukowcy marzą, by swymi odkryciami zmieniać świat. Lecz wielu naukowych marzeń nie można zrealizować – związane z nimi projekty badawcze są zbyt wizjonerskie, zbyt trudne, a nierzadko także po prostu za drogie, by mo-gły wkrótce stać się rzeczywistością. Z myślą o naukowych marzycielach nasz instytut organizuje konkurs Dream Che-mistry Award (DCA) – na najciekawszy naukowy projekt-ma-rzenie z zakresu chemii i jej pogranicza z fizyką, biologią, medycyną lub inżynierią materiałową. Na zwycięzcę czeka statuetka, 15 tys. euro oraz możliwość upowszechnienia te-matu projektu (w zakresie uzgodnionym z laureatem) w in-formacji prasowej o rozstrzygnięciu Konkursu.

„Chcemy uhonorować naprawdę kreatywnych naukow-ców, z ciekawymi pomysłami badawczymi, którzy jednak z różnych powodów – technologicznych, finansowych czy środowiskowych – nie mają warunków, by swe projekty re-alizować już teraz”, mówi prof. Robert Hołyst, dyrektor IChF PAN, i zaznacza, że dla Instytutu najważniejszym zyskiem z Konkursu jest możliwość nawiązania kontaktów z naukow-cami otwartymi na nowe idee.

W skład Komitetu Honorowego konkursu Dream Chemi-stry Award wchodzą wybitni chemicy: laureat Nagrody Nobla prof. Richard Schrock (MIT), prof. Krzysztof Matyjaszewski (Carnegie Mellon University) oraz prof. Bartosz Grzybowski (Northwestern University).

Projekty nadsyłane na Konkurs są oceniane przez Komi-tet Naukowy składający się ze znanych polskich naukowców zajmujących się chemią, fizyką, biologią, medycyną i inży-nierią materiałową. Lista członków Komitetu Naukowego jest jawna i dostępna na stronie internetowej Konkursu.

Członkowie obu Komitetów są pisemnie zobowiązani do zachowania dyskrecji w zakresie tematyki projektów zgłasza-nych do konkursu i niewykorzystywania zawartych w nich idei.

Dream Chemistry Award to konkurs adresowany do na-ukowców z całego świata, w wieku przed ukończeniem 36 lat, którzy obronili doktorat w 2006 roku lub później. Nagro-da jest przyznawana wyłącznie za projekt badawczy dopiero czekający na realizację. Jury zastrzega jednak, że przy wy-borze laureata zwraca uwagę także na wcześniejsze doko-nania naukowe kandydatów.

Warunkiem przyjęcia zgłoszenia jest nominowanie kandy-data przez naukowca z tytułem doktora lub wyższym i przy-najmniej 20-letnim stażem w naukach ścisłych/przyrodni-czych, liczonym od daty publikacji pierwszej pracy naukowej. Spośród zgłoszonych osób Komitet Naukowy wyłania pięcio-ro finalistów, którzy zostają zaproszeni na koszt organizatora do Warszawy w celu przedstawienia swoich projektów na za-mkniętych prezentacjach. Po wysłuchaniu wszystkich prezen-tacji Komitet Naukowy ogłasza zwycięzcę Konkursu.

Nazwisko laureata oraz tytuł zwycięskiego projektu są upublicznione w informacji prasowej przekazanej do me-diów w związku z rozstrzygnięciem Konkursu. Zdobywca Nagrody ma prawo współdecydowania o formie i objętości opisu swego projektu w informacji prasowej, a także prawo do ostatecznej akceptacji tego opisu.

Szczegółowe informacje o konkursie Dream Chemistry Award można znaleźć pod adresem:

http://www.ichf.edu.pl/dreamchemistryaward/

ÝStatuetka Dream Chemistry Award i 15 000 euro czekają na chemika-wizjonera z najciekawszym przyszłościowym projektem badawczym. Konkurs Dream Chemistry Award jest organizowany z myślą o młodych naukowcach. (Źródło: IChF PAN / Grzegorz Krzyżewski)

KONTAKT:




107

...zorganizować!

ZłOTy MEDAL CHEMII 2012W grudniu 2012 roku w naszym instytucie miał miejsce uro-czysty finał drugiej edycji „Złotego Medalu Chemii”, konkur-su na najlepszą pracę licencjacką lub inżynierską z chemii i jej pogranicza. Zwycięzcą został Tomasz Trzeciak z Wydzia-łu Chemicznego Politechniki Warszawskiej, który odebrał nagrodę główną: Złoty Medal Chemii i 10 000 zł. Srebrny Medal Chemii i 5000 zł przyznano Krzysztofowi Borysowi, również z Wydziału Chemicznego Politechniki Warszaw-skiej. Medal brązowy i 2500 zł trafiły do rąk Pawła Kulboki z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Równorzęd-ne wyróżnienia i nagrody pieniężne po 1000 zł otrzymali: Marta Fiedot z Politechniki Wrocławskiej, Maciej Korzyński z Politechniki Warszawskiej, Zofia Tomasiewicz z Uniwersy-tetu Warszawskiego oraz Przemysław Wanat z Uniwersytetu Warszawskiego.

Konkurs „Złoty Medal Chemii” , organizowany przez nasz instytut, odbywa się pod patronatem prezesa Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, prof. dr. hab. Macieja żylicza.

„Chemia, jako dziedzina z wielkimi tradycjami, której dokonania mają realny wpływ na otaczającą nas rzeczywi-stość, w szczególny sposób może przyczyniać się do roz-woju naukowych pasji młodych ludzi. Wierzę, że laureaci konkursu Złoty Medal Chemii będą te pasje w sobie pielę-gnować, by za kilka lat wygrywać konkursy w programach Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, która wspiera najlepszych, aby mogli się stać jeszcze lepsi”, stwierdził prof. żylicz.

Wyłącznym sponsorem drugiej edycji konkursu była fir-ma DuPont Poland.

„Jako firma naukowa rozumiemy potrzebę doceniania młodych, zdolnych ludzi, którzy już na starcie swojej kariery naukowej prowadzą badania mające wpływ na otaczającą nas rzeczywistość. Cieszymy się, że możemy wspierać ich rozwój, a tym samym wspomagać rozwój chemii jako dzie-dziny naukowej w Polsce”, podkreślił Piotr Gill, dyrektor ge-neralny DuPont Poland.

Do drugiej edycji konkursu stanęło kilkudziesięciu au-torów prac licencjackich i inżynierskich z chemii i nauk po-krewnych. „Z całego kraju napłynęły 42 prace, w znacznej części dotyczące badań podstawowych, jednak wyraźnie inspirowanych potencjalnymi zastosowaniami”, powiedział prof. dr hab. Andrzej Kapturkiewicz, koordynator konkursu.

Tomasz Trzeciak, zdobywca Złotego Medalu, stwier-dził, że w przyszłości baterie stanieją i najprawdopodoniej będą nam służyć dłużej niż dzisiejsze. Dlaczego tak się sta-nie? „Obecnie najczęściej korzystamy z baterii litowo-jono-wych. Lecz światowe zasoby litu się wyczerpują, lit drożeje.

Alternatywą dla niego może być tani i łatwo dostępny sód. W swojej pracy zająłem się opracowaniem elektrolitu do ba-terii przyszłości: sodowo-jonowych”, wyjaśnił Trzeciak.

Krzysztof Borys z Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej otrzymał Srebrny Medal Chemii za pracę nad związkami chemicznymi, które pozwolą budować czujniki wykrywające cukry, na przykład glukozę we krwi diabety-ków. „Opisałem metody wytwarzania pewnych związków chemicznych charakteryzujących się dwiema grupami funk-cyjnymi. Grupa fenyloboronowa w tych związkach potrafi świetnie przyłączać cukry, natomiast grupa tiolowa pozwala zakotwiczyć cząsteczki związku na powierzchni złotej elek-trody. Wykrycie cukrów jest możliwe na podstawie analizy przepływającego prądu”, opisywał Borys.

Paweł Kulboka, student inżynierii nanostruktur Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, otrzymał Brązowy Me-dal Chemii za badania, jak zmieniają się własności palladu, gdy przechodzimy od rozmiarów makroskopowych do na-noskali. „Ten sam materiał w rozmiarach rzędu centymetrów może w skali nanometrowej wykazywać trudne do prze-widzenia i zdecydowanie inne właściwości. Skupiając się

ÝLaureaci konkursu Złoty Medal Chemii 2012. Pośrodku zdobywca nagrody głównej, Tomasz Trzeciak z Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej, po lewej laureat drugiej nagrody, Krzysztof Borys, również z Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej, po prawej laureat trzeciej nagrody, Paweł Kulboka z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Z lewej strony zdjęcia stoi Piotr Gill, dyrektor generalny DuPont Poland, z prawej prof. dr hab. Maciej Żylicz, prezes Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

108


na elektrosorpcji wodoru badałem, jak zmienia się sposób wchłaniania wodoru przez pallad w nanoskali”, mówił Kulbo-ka. Praca Kulboki była związana z materiałami do efektyw-nego magazynowania wodoru.

Wszyscy finaliści konkursu zyskali możliwość odbycia stażu naukowego w naszym instytucie i bezpłatnego realizo-wania badań w naszych laboratoriach. Badania te będą mo-gły stać się podstawą pracy magisterskiej lub doktorskiej.

„Nagrodzone prace w większości dotyczą zagadnień o znaczeniu praktycznym. Pokazuje to, że młodzi ludzie mają ogromny potencjał, który w przyszłości powinien sprzyjać powstawaniu w kraju spółek zaawansowanych

technologii. Powinniśmy zrobić wszystko, aby pomóc tak wybitnym studentom i zachęcić ich do działań sprzyjających transferowi osiągnięć polskiej nauki do przemysłu”, zauwa-żył prof. dr hab. Robert Hołyst, dyrektor IChF PAN. n

GOśCILIśMy NAUKOWCóW-CHEMIKóW Z UNIWERSyTETU W CAMBRIDGEJuż od kilku lat grupa naukowa prof. Janusza Lewińskiego prowadzi wspólne badania z Wydziałem Chemii Uniwersy-tetu w Cambrigde. Efektem współpracy była wizyta w War-szawie niemal 30 młodych brytyjskich naukowców z grup

profesorów Orena Schermana, Dominica Wrighta i Andrew Wheatleya. Dwudniowa sesja naukowa, zrealizowana w na-szym instytucie, okazała się tylko wstępem do integracji śro-dowisk akademickich Warszawy i Cambridge. Po jej zakoń-czeniu 60-osobowa grupa polskich i brytyjskich naukowców wybrała się razem na tydzień na narty.

„Spotkanie było świetną platformą do przedyskutowa-nia zagadnień z zakresu nowatorskiej nauki i potwierdziło, jak ważne jest integrowanie nowej generacji europejskich naukowców. W zajęciach uczestniczyli przedstawiciele 14 narodowości, a wszystkie prezentacje były znakomite. Jeste-śmy bardzo podekscytowani perspektywą goszczenia dru-giej konferencji tego typu u nas w Cambridge”, mówił prof. Oren Scherman, który przyjechał do Warszawy z niemal całą swoją grupą.

„Wizyta w Warszawie tak licznej grupy młodych naukow-ców z jednego z najbardziej prestiżowych uniwersytetów świa-ta oraz wspólny wyjazd narciarski, połączony z aktywnością naukową, pozwalają na integrację środowisk akademickich Warszawy i Cambridge nie tylko na poziomie naukowym, ale również czysto ludzkim. Takie spotkania prędzej czy później przynoszą korzyści obu stronom”, podkreśla prof. Lewiński.

Podczas wspólnej sesji naukowej w Warszawie, dok-toranci, doktorzy i postdocy z Uniwersytetu w Cambridge

KONTAKT:

prof. dr hab. Andrzej Kapturkiewicz


[email protected]

ÛW Warszawie spotkali się młodzi doktoranci, doktorzy i postdocy z Uniwersytetu w Cambridge i naszego instytutu. Zagadnienia poruszone podczas dwudniowej sesji naukowej w IChF PAN były omawiane także w trakcie integracyjnego wyjazdu narciarskiego do słowackiej miejscowości Zuberzec. (Źródło: IChF PAN)


109

...zorganizować!

i naszego instytutu omawiali zagadnienia z zakresu chemii materiałów i nanotechnologii, takie jak synteza nanocząstek półprzewodników i ich funkcjonalizacja w kierunku zastosowań biomedycznych, samoorgani-zacja polimerów, aktywacja małych cząsteczek i chemia związków makrocyklicznych.

„Obok czterdziestu prezentacji ustnych wygospodaro-waliśmy też czas na sesję posterową oraz na pokazanie gościom nowoczesnych laboratoriów i aparatury pomia-rowej naszego instytutu”, powiedziała dr inż. Katarzyna Wójcik (IChF PAN) i zaznaczyła, że spotkanie było otwarte dla całego warszawskiego środowiska akademickiego.

Grupy z Cambridge i Warszawy przebywały następ-nie na tygodniowym wyjeździe narciarskim w znanej słowackiej miejscowości turystycznej Zuberzec. Chemia była tu nadal obecna: oprócz wspólnej rekreacji inte-gralną częścią wyjazdu były sesje naukowe.

„Do tej pory spotykaliśmy się wyłącznie na płaszczyź-nie zawodowej. Teraz mamy okazję nie tylko dzielić się doświadczeniem naukowym, ale i zawiązać trwałe przy-jaźnie”, mówi doktorant Kamil Sokołowski (IChF PAN).

Wydarzenie zorganizowano w ramach grantu NO-BLESSE jako 1st Warsaw-Cambridge young Scientists Meeting „Breaking Boundaries in Chemistry” (Pierwsze Spotkanie Młodych Naukowców Warszawy i Cambridge „Przełamywanie Granic w Chemii”). Za rok młodzi na-ukowcy z obu ośrodków spotkają się najpierw w Cam-bridge, a następnie ponownie na wspólnym obozie nar-ciarskim.

Uniwersytet w Cambridge to jeden z najstarszych i najbardziej renomowanych uniwersytetów na świecie. Może się pochwalić największą liczbą noblistów: tę pre-stiżową nagrodę otrzymało aż 65 jego absolwentów. Wśród uczonych, którzy pracują lub pracowali w Cam-bridge, znajdują się tak znane nazwiska jak: fizyk i ko-smolog Stephen Hawking, odkrywcy struktury DNA Francis Crick i James Watson, współtwórca informatyki Alan Turing, odkrywca struktury jądra atomowego Ernest Rutherford, autor pierwszej unifikacji współczesnej fizyki James Clerk Maxwell, twórca teorii ewolucji Charles Dar-win i twórca mechaniki klasycznej Isaac Newton. n

PIERWSZy INSTyTUT PAN W SPółCE sPIN-oFF

KONTAKT:

prof. dr hab. inż. Janusz Lewiński


ÝMarcin Izydorzak, dyrektor zarządzający Scope Fluidics, prezentuje jeden z układów mikroprzepływowych. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

Instytuty PAN aż do końca 2010 roku nie mogły, z powodu barier prawnych, tworzyć spółek w celu komercjalizacji wła-snych wynalazków. Ograniczenia te w istotny sposób utrud-niały transfer osiągnięć naukowych do przemysłu i pozyskiwa-nie dodatkowych środków finansowych dla samych instytucji badawczych.

Obecne rozwiązania prawne pozwoliły naszemu instytu-towi objąć udziały w firmie Scope Fluidics, młodym spin-offie zajmującym się badaniami naukowymi oraz projektowaniem urządzeń mikroprzepływowych do celów medycznych i bio-technologicznych. Wykupienie udziałów w spółce było moż-liwe dzięki nowelizacji ustawy o instytutach Polskiej Akademii Nauk w październiku 2011 roku. Kilka tygodni później nasz instytut otrzymał zgodę Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyż-szego i mógł oficjalnie objąć 10% udziałów w Scope Fluidics.

„W ramach prac naukowych można dokonać odkrycia, ale nie można prowadzić wdrożeń. Wdrożenia wymagają po pro-stu ogromu pracy, która nie da się już uzasadnić naukowo”, mówi dr hab. Piotr Garstecki, prof. IChF PAN, dyrektor nauko-wy i prezes Scope Fluidics.

Prof. Hołyst, dyrektor IChF PAN, podkreśla, że rolą insty-tutu naukowego jest wspieranie małych spółek próbujących przenieść do przemysłu osiągnięcia naukowe.

„W tych działaniach musimy trzymać się granic rozsąd-ku. Zależy nam, aby w przyszłości mieć zapewnione pewne wpływy z wdrożeń naszych wynalazków, jednak nie chcemy zarządzać spółką. Zajmujemy się nauką, nie biznesem. Dlate-go dziesięć procent jest dla nas godnym udziałem”, wyjaśnia prof. Hołyst.

110


Spółka Scope Fluidics to młody, dynamiczny spin-off działający na terenie kampusu IChF PAN. W ciągu roku licz-ba pracowników firmy zwiększyła się od jednego do dzie-więciu. Firma właśnie zakończyła kilkumiesięczny wstępny program badań dla europejskiego partnera przemysłowego. Udało się pomyślnie zademonstrować, że pewne odkrycia akademickie w przyszłości będą mogły zostać wdrożone na skalę przemysłową.

„Obecnie spółka już rozpoczyna realizację dużego kon-traktu na budowę prototypowych układów mikroprzepływo-wych”, zaznacza Marcin Izydorzak, dyrektor zarządzający Scope Fluidics.

Prof. Hołyst podsumowuje objęcie przez Instytut Chemii Fizycznej PAN udziałów w pierwszym spin-offie: „Udało się nam doprowadzić do stanu, w którym zdrowe zasady współ-

pracy umożliwiają efektywne przełożenie odkryć naukowych na przemysłowe innowacje. Szybki rozwój Scope Fluidics udowadnia, że jest to droga obiecująca. Najważniejszy jest jednak fakt, że otworzyła się przed nami droga prawna do efektywnej współpracy z przemysłem”. n

CHEMICZNE OBCHODy DLA WSZySTKICHW czerwcu 2011 roku na terenie naszego instytutu i In-stytutu Chemii Organicznej PAN odbyły się obchody Mię-dzynarodowego Roku Chemii 2011, objęte honorowym pa-tronatem Prezydenta Rzeczypospolitej Polskiej Bronisława Komorowskiego.

Ustanowiony przez Organizację Narodów Zjednoczo-nych, Międzynarodowy Rok Chemii 2011 miał zwrócić uwagę opinii publicznej na wkład chemii w rozwój ludzko-ści i kluczową rolę tej dziedziny wiedzy dla funkcjonowania współczesnych społeczeństw. Celem obchodów było pod-kreślenie znaczenia chemii w rozwiązywaniu globalnych wyzwań cywilizacyjnych, zwiększenie zainteresowania mło-dzieży tematyką chemiczną oraz stymulowanie współpracy

między instytucjami naukowymi i badawczymi. W Polsce Międzynarodowy Rok Chemii 2011 zbiegł się z uchwalonym przez sejm Rokiem Marii Skłodowskiej-Curie.

W pierwszym, zamkniętym dla publiczności dniu ob-chodów miały miejsce spotkania przedstawicieli świata na-uki i przemysłu. „Zaprezentowaliśmy naszym gościom, jak wielki potencjał tkwi w polskiej chemii”, mówi prof. dr hab. Robert Hołyst, dyrektor IChF PAN. Drugi dzień obchodów był otwarty dla wszystkich zainteresowanych. Organizato-rzy udostępnili publiczności swoje namioty wystawowe. Dla uczniów szkół podstawowych przewidziano Magiczny Turniej „Chemiczny Harry Potter”, przygotowany wspólnymi siłami organizatorów. Był to rodzaj gry miejskiej, w której trzyoso-bowe drużyny rywalizowały o puchar. Aby go zdobyć, trzeba było poznać niuanse sporządzania rozmaitych eliksirów, wy-tropić wskazówki rozmieszczone na terenie pokazów i roz-wiązać chemiczne zagadki. Gimnazjaliści i licealiści mogli się wykazać w konkursach indywidualnych, a po nich wziąć udział w ciekawych wykładach o chemii.

W czasie obchodów odbyły się pokazy szczególnie efektownych doświadczeń, które z uwagi na odczynniki lub charakter reakcji mogły być bezpiecznie przeprowadzone tylko przez profesjonalnych chemików. Nasz instytut zapre-zentował m.in. wybuchające wulkany, płyny „magicznie” zmieniające kolory, wijące się węże faraona i chemiczne ogrody z rosnącymi w oczach, różnokolorowymi „roślinami”. Odważni mogli napić się w ciemni świecącego napoju. „To tylko niektóre z atrakcji przygotowanych przez nasz instytut. Oprócz nas organizatorami imprezy było kilkanaście innych

KONTAKT:

mgr Marcin Izydorzak

Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk,

Scope Fluidicstel. +48 22 3432062



111

...zorganizować!

instytucji chemicznych, każda z własnym programem poka-zów”, podkreśla dr Roman Luboradzki.

Wśród organizatorów obchodów Międzynarodowego Roku Chemii znajdowali się: Instytut Chemii Organicznej PAN, Komitet Chemii PAN, Wydział Chemii Uniwersytetu Warszaw-skiego, Instytut Chemii i Techniki Jądrowej, Wydział Chemicz-ny Politechniki Warszawskiej, Instytut Chemii Fizycznej PAN, Wydział Nowych Technologii i Chemii Wojskowej Akademii Technicznej, Wydział Matematyczno-Przyrodniczy – Szkoła Nauk ścisłych Uniwersytetu Kardynała Stefana Wyszyńskiego,

Instytut Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN, Instytut Che-mii Przemysłowej, Wydział Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej, Instytut Farmaceutyczny oraz Wydział Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej.

Patronat medialny nad uroczystościami objęły TV Biznes, Program Pierwszy Polskiego Radia, portal Onet.pl oraz re-dakcje „Wiedzy i życia” i „świata Nauki”. Wśród sponsorów były m.in. firmy LOTOS S.A., PRECOPTIC sp. z o.o./NICON, PREVAC sp. z o.o., CORMAy S.A., ALAB sp. z o.o. oraz Tramwaje Warszawskie. n

NASI POPULARyZATORZy W GRUZJINowatorskie formy popularyzacji nauki w społeczeństwie cieszą się rosnącym zainteresowaniem w państwach azja-tyckich. 5 października 2013 roku w Tbilisi odbyła się dru-ga edycja gruzińskiego Pikniku Naukowego. Wzięła w niej udział grupa naukowców i popularyzatorów z naszego in-stytutu. Zespół z IChF PAN przebywał w Tbilisi na osobiste zaproszenie Nino Dvalidze, dyrektor Pikniku.

Pierwszy Piknik Naukowy w Tbilisi został zorganizowany pod koniec września zeszłego roku przez Państwowy Uni-wersytet im. Ilii Czawczawadze (Ilauni). Wzięły w nim udział 43 grupy badawcze i popularyzatorskie. Podczas tegorocz-nej, drugiej edycji IChF PAN był jedyną instytucją naukową z Polski prezentującą swoje doświadczenia. Znad Wisły na gruziński Piknik przylecieli także popularyzatorzy z Centrum Nauki Kopernik.

Piknik w Tbilisi jest wzorowany na corocznym Pikniku Naukowym Polskiego Radia i Centrum Nauki Kopernik, który odbywa się w Warszawie już od 17 lat. Ostatnia edycja war-szawskiego Pikniku, w połowie czerwca, miała miejsce na Stadionie Narodowym i w ciągu jednego dnia przyciągnęła niemal 143 tys. ciekawych świata osób. Warszawski Piknik Naukowy jest największą plenerową imprezą popularyzującą naukę w Europie.

„W Gruzji pikniki naukowe dopiero zdobywają popular-ność. Mimo to przed naszym namiotem cały czas był tłum chętnych do obejrzenia doświadczeń i samodzielnego prze-testowania swoich zdolności eksperymentatorskich”, stwier-dził dr Roman Luboradzki i jednocześnie podkreślił, że ba-riera językowa nie była problemem: „Sami posługiwaliśmy się językami angielskim i rosyjskim, ale dzięki doskonałej or-ganizacji pikniku w każdej chwili mogliśmy skorzystać z po-mocy wolontariuszek – studentek polonistyki”.

Naukowcy i popularyzatorzy z naszego instytutu m.in. prezentowali – z użyciem fotografii otworkowej – działanie

ciemni optycznej, przeprowadzali i pomagali przeprowadzać doświadczenia obrazujące zmiany napięcia powierzchnio-wego cieczy, w efektowny sposób wizualizowali zmiany kwa-sowości/zasadowości roztworów. Nie zapomniano o małych dzieciach, które mogły się wykazać w lepieniu różnych kon-strukcji z... makaronu.

Podczas gruzińskiego Pikniku Naukowego stanowisko naszego instytutu odwiedzili przedstawiciele polskiej amba-sady w Tbilisi. n

KONTAKT:

dr Roman Luboradzki


ÝPodczas Pikniku Naukowego w Tbilisi naukowcy-popularyzatorzy z naszego instytutu zachęcali odwiedzających do wspólnego przeprowadzania ciekawych doświadczeń z fizyki i chemii. (Źródło: IChF PAN)


Realizacja projektu: Aleksandra Kapuścińska-BernatekRedaktor odpowiedzialny: Roman LuboradzkiRedaktor techniczny: Jarosław Chrostowski

Tekst: Jarosław ChrostowskiFotografie: Grzegorz Krzyżewski

Projekt okładki: Jarosław ChrostowskiInstytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk

www.ichf.edu.plWarszawa, 2013

EUROPEJSKA NOC BADACZyWieczorem w piątek 27 września 2013 roku w naszym instytucie oprowadzaliśmy wycieczki po nowoczesnych la-boratoriach oraz prezentowaliśmy efektowne pokazy che-miczne i inspirujące wykłady, idealne dla otwartych głów. Po-dobnie jak w poprzednich latach, naukowe atrakcje zostały przygotowane przez naszych pracowników w ramach euro-pejskiej Nocy Badaczy i warszawskiego Festiwalu Nauki.

„Późna pora to świetna okazja do rozmów na luzie, mniej formalnego pokazania, jak naprawdę wygląda praca w laboratoriach. Nasi goście mieli rzadką okazję zobaczenia unikalnej aparatury badawczej, której nie można przetrans-portować w plener, na prezentacje festiwalowe. Pokazaliśmy m.in. sprzęt pozwalający mierzyć położenie atomów w czą-steczkach, no i nas, naukowców, w naszym ‘środowisku na-turalnym’”, stwierdził dr Roman Luboradzki.

Program wycieczek obejmował zwiedzanie laboratoriów zajmujących się różną tematyką. Nasi naukowcy zademon-strowali na przykład, w jaki sposób można wykrywać po-jedyncze cząsteczki chemiczne. „Reakcje chemiczne za-chodzą w bardzo krótkim czasie, rzędu femtosekund, czyli biliardowych części sekundy. Mamy aparaturę laserową, która takie ultraszybkie procesy pozwala obserwować”, mó-wił z kolei dr yuriy Stepanenko. Dr Adam Samborski przypo-minał, że stoimy u progu chemicznej rewolucji: „Każdy mógł wziąć do ręki układy mikroprzepływowe robiące wewnątrz maleńkich kropel wszystko to, co dotychczas chemicy po-trafili wykonywać tylko w kolbach chemicznych lub kadziach przemysłowych”.

To nie wszystkie atrakcje. Na zakończenie każdej wy-cieczki nasi naukowcy pokazywali chemię w akcji. „Dobrze się przygotowaliśmy, dlatego mogliśmy doprowadzić do spektakularnego wybuchu wulkanu chemicznego. To się po-doba zawsze i wszystkim!”, mówił mgr inż. Tomasz Jaroch.

Oprócz wycieczek i pokazów podczas wizyty w naszym Instytucie można było wysłuchać dwóch ciekawych wy-kładów. Czym są katalizatory? Jak działają, w jaki sposób można je wykorzystywać? Opowiedział o tym prof. Zbigniew Karpiński, a prof. Robert Kołos zabrał słuchaczy w daleką podróż: w pozorną pustkę przestrzeni międzygwiazdowej, w której, jak się okazuje, kryją się zaskakująco złożone czą-steczki chemiczne. n

KONTAKT:

dr Roman Luboradzki


ÝW ramach europejskiej Nocy Badaczy i warszawskiego Festiwalu Nauki nasz instytut zorganizował wycieczki po laboratoriach, pokazy chemiczne i inspirujące wykłady. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)


Documents

Horyzonty nauki