28 lutego 2021

Nauka zmienia świat

W XXI wieku nastąpił bardzo szybki rozwój nowych technologii. Dynamiczne zmiany zachodzą jednak nie tylko w świecie cyfrowym, ale także w nauce. O najnowszych dokonaniach opowiada dr hab. inż. Marcin Kozanecki z Politechniki Łódzkiej.

Na czym skupia się realizowany projekt?

Obecnie jestem zaangażowany w realizację kilku projektów. Są one na różnych etapach. Można powiedzieć, że moja działalność skupia się na dwóch obszarach. Pierwszy dotyczy zaawansowanych materiałów polimerowych, a przede wszystkim badania zależności pomiędzy ich właściwościami użytkowymi, a szeroko rozumianą strukturą i oddziaływaniami pomiędzy cząsteczkami tworzącymi dany materiał. Drugi aspekt obejmuje zastosowanie zaawansowanych metod spektroskopowych (metody te wykorzystują oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z różnych zakresów energii) do analizy różnych materiałów funkcjonalnych. W ostatnim czasie staram się poszerzać swój warsztat z zakresu zastosowania metod obliczeniowych. Przy współpracy z naukowcami, moimi kolegami z Katedry Fizyki Molekularnej, mam możliwość zastosowania nowatorskich algorytmów obliczeniowych do badania złożonych układów polimerowych.

Najważniejszym obszarem moich zainteresowań naukowych są obecnie czułe na bodźce hydrożele polimerowe, głównie hydrożele termoczułe. Są to sieci „utkane” z długich łańcuchów polimerowych, wypełnione wodą lub wodnymi roztworami różnych substancji (mogą to być roztwory soli mineralnych, leków lub innych molekuł o znaczeniu biologicznym). Idea ich wykorzystania w medycynie jako tzw. „inteligentnych” nośników bazuje na fakcie, że stan zapalny tkanek zazwyczaj objawia się lokalnym podwyższeniem temperatury. Termoczuły żel w podwyższonej temperaturze powinien ulegać szybkiemu „zapadaniu się” (jest to tzw. objętościowe przejście fazowe) z jednoczesnym uwolnieniem do otoczenia zawartych substancji. Dynamika procesu uwalniania substancji aktywnych z żelu zależna jest od wielu czynników, m.in. od budowy chemicznej sieci polimerowej, rodzaju substancji aktywnej i jej stężenia oraz temperatury. Aby przewidzieć właściwości hydrożeli polimerowych trzeba dobrze poznać oddziaływania między poszczególnymi składnikami, a także dynamikę (ruchliwość) poszczególnych składników tych złożonych układów. Problem polega głównie na tym, że w przypadku hydrożelu mamy do czynienia z obiektami o zróżnicowanej wielkości – od małych cząsteczek rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonych, aż po makrokospową sieć polimerową. Ruchliwość elementów o tak różnych rozmiarach zawiera się w bardzo szerokim przedziale czasu i odległości. Trudno znaleźć metody eksperymentalne, które pozwoliłyby na jednoczesną obserwację dynamiki wszystkich elementów w układzie. Z drugiej strony, mimo ogromnego postępu informatyki, nadal nawet najszybsze superkomputery mają bardzo ograniczone możliwości symulowania rzeczywistych układów polimerowych, szczególnie usieciowanych. Im większy układ chcemy zbadać, tym większych mocy obliczeniowych i dłuższego czasu obliczeń potrzebujemy.

Jeszcze ciekawszym jest poznanie procesów towarzyszących powstawaniu sieci. Jedną z metod jest możliwość inicjowania syntezy za pomocą wysokoenergetycznego promieniowania (mówimy wówczas o metodach radiacyjnych). W obszarze syntezy radiacyjnej blisko współpracujemy z Międzyresortowym Instytutem Techniki Radiacyjnej Politechniki Łódzkiej. Zaletami tej metody są: brak konieczności stosowania dodatkowych (często toksycznych) dodatków do syntezy – możemy powiedzieć, że jest to czysty proces oraz możliwość jednoczesnej sterylizacji produktu – co jest kluczowe z punktu widzenia aplikacji biomedycznych. W czasie radiacyjnie indukowanej syntezy dochodzi do jednoczesnego wzrostu łańcuchów polimerowych z małych cząsteczek oraz ich wytwarzania między rosnącymi łańcuchami tzw. wiązań poprzecznych co prowadzi ostatecznie do powstania sieci. Badanie takich procesów jest niezwykle trudne ze względu na bardzo odmienną sytuację początkową (mamy tylko obiekty o małej masie cząsteczkowej – tzw. monomery) i na końcu procesu (gdzie oprócz nieprzereagowanego monomeru, mamy sieć polimerową oraz mniejsze obiekty o rozmiarach nano i mikrometrycznych). Dodatkowym utrudnieniem jest fakt, że proces nie podlega klasycznym równaniom kinetycznym.

Dlaczego można nazwać je innowacyjnymi?

Jeden z projektów, którym kieruję zakłada połączenie metod eksperymentalnych i obliczeniowych do badania procesów tworzenia sieci polimerowych indukowanych promieniowaniem elektromagnetycznym. Już same algorytmy użyte w metodach obliczeniowych są nowatorskie i przełomowe. Najszerzej wykorzystywany algorytm Dynamicznej Cieczy Sieciowej (z ang. Dynamic Lattice Liquid) opracowany został kilkanaście lat temu przez nieżyjącego już prof. Tadeusza Pakułę. Jego unikatowość polega na możliwości prowadzenia obliczeń w układach skondensowanych z wykorzystaniem tzw. kooperatywności ruchów cząsteczek (w czasie wykonywania ruchów małe cząsteczki, lub elementy większych struktur wymieniają się miejscami poruszając się po zamkniętych trajektoriach – tzw. pętlach ruchu kooperatywnego). Wspomniany algorytm można wykorzystać do badania ruchliwości cząstek nawet o znaczących rozmiarach. Nikt jednak nie prowadził jeszcze obliczeń kinetycznych z wykorzystaniem tego algorytmu (badania kinetyczne oznaczają określanie szybkości reakcji lub procesów). Nasze pierwsze wyniki pokazują, że jest to możliwe. Największym problemem do rozwiązania, jest odpowiednie dobranie warunków eksperymentów i symulacji komputerowych by móc bezpośrednio porównać wyniki obu podejść. Pozwoli to na pełną weryfikację używanych metod. Warto tu jeszcze zaznaczyć, że w Łodzi w BioNanoParku przy znaczącym udziale pracowników Politechniki Łódzkiej powstał komputer (ARUZ – analizator rzeczywistych układów złożonych) dedykowany specjalnie symulacjom dużych struktur polimerowych o złożonej architekturze z wykorzystaniem algorytmu Dynamicznej Cieczy Sieciowej. Wykorzystanie takiego narzędzia jest elementem innowacyjnym pozwalającym na skracanie czasu obliczeń nawet kilka tysięcy razy.

Jakie niesie korzyści?

Reasumując, celem projektu jest głębsze poznanie procesów tworzenia sieci polimerowych na drodze równocześnie zachodzących procesów polimeryzacji i sieciowania. Warto zauważyć, że takie materiały mogą być stosowane w wielu dziedzinach życia – jako nośniki leków, podłoża do hodowli komórkowych, sztuczne mięśnie oraz implanty tkanek miękkich, w agronomii jako podłoża do uprawy roślin, w technologiach ochrony środowiska jako „zmiatacze” szkodliwych substancji, w mikromechanice i mikrofluidyce i pewnie wielu innych obszarach. Dogłębne poznanie procesów tworzenia takich materiałów pozwoli na bardziej świadome ich projektowanie i wytwarzanie. To oczywiście prowadzi do bardziej racjonalnego wykorzystania surowców i energii oraz lepszej kontroli parametrów użytkowych uzyskanych produktów.

Ma Pan wiele nagród i wyróżnień na swoim koncie, między innymi Brązowy Krzyż Zasług oraz Medal KEN, a w tym roku nominacja do nagrody Ambasador Innowacyjności. Co dla Pana oznaczają tak wyjątkowe wyróżnienia?

Oczywiście wszystkie tego typu wyróżnienia są bardzo miłe i stanowią dowód tego, że ktoś docenia moją pracę. Właściwie powinienem powiedzieć naszą pracę, bo mimo że wyróżnienia są indywidualne to stoi za nimi zespół ludzi, doktorantów i dyplomantów, kolegów – tych młodszych, którzy pomagają w pracy laboratoryjnej, i tych starszych, którzy służą doświadczeniem i wspierają w rozwiązywaniu często trudnych kwestii i problemów – nie tylko tych naukowych.

Jakie są Pana hobby poza pracą?

To bardzo trudne pytanie, krótko mówiąc interesuje mnie Świat i jego funkcjonowanie. Gdy uda mi się wygospodarować trochę wolnego czasu, to sięgam po dobrą książkę. Cieszą mnie podróże z rodziną, gdy odkrywamy dzikie i mniej znane tereny Polski. Wracam po nich pełen nowej energii do pracy.

-Augustyna Szczepańczyk