28 lutego 2021

Ta rewolucja nabiera rozpędu

Fizyka to nauka przyrodnicza, zajmująca się badaniem najbardziej fundamentalnych i uniwersalnych właściwości oraz przemian materii i energii, a także oddziaływań między nimi. Czy badanie układów molekularnych może się do czegoś przydać? Oczywiście, np. w celu pozyskania nowych materiałów, innowacyjnych rozwiązań technologicznych sięgających różnorodnych dziedzin, od elektroniki, poprzez odnawialne źródła energii, do biologii i medycyny włącznie. Rozmowa z Panią dr inż. Małgorzatą Jasiurkowską – Delaporte z Instytutu Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego PAN.

Nad czym obecnie Pani pracuje?

Obecnie pracuję nad projektem Sonata 11 finansowanym ze środków NCN, dotyczącym wpływu ograniczenia przestrzennego na zachowanie układów molekularnych. W tym celu molekuły różnych związków tj. cieczy, ciekłych kryształów oraz polimerów wprowadzane są do porów o rozmiarach rzędu od kilku do kilkudziesięciu namometrów, w nieorganicznych membranach. Obserwowany jest wówczas efekt typu „gość” (molekuła) – „gospodarz” (matryca), który znacząco modyfikuje własności dynamiczne oraz termodynamiczne materiałów. Badamy, jak uwięzienie molekuł w nanometrycznych kanalikach wpływa na zjawiska zeszklenia oraz krystalizacji. Oba zjawiska odrywają istotną rolę w inżynierii materiałowej, przemyśle farmaceutycznym i spożywczym. W trakcie ochładzania jedne substancje formułują uporządkowane sieci krystaliczne, podczas gdy w przypadku innych z łatwością można zamrozić nieporządek panujący w fazach wysokotemperaturowych i w ten sposób uzyskać stan szklisty. Niektóre substancje szkłotwórcze mają tendencje do tzw. zimnej krystalizacji, która następuje podczas ogrzewania. Praktyczne wykorzystanie wielu materiałów wymaga uniknięcia procesu krystalizacji. Można to osiągnąć między innymi poprzez umieszczenie substancji w nanoporach.

Szczególnie ciekawe zjawiska obserwowane są dla ciekłych kryształów w porach. W jednej z ostatnich prac dla związku ciekłokrystalicznego BBOA pokazaliśmy, że w wyniku oddziaływań molekuł ze ściankami, w wysokich temperaturach indukuje się dodatkowa faza ciekłokrystaliczna, nieobserwowana dla próbki objętościowej. W badaniach wykorzystaliśmy trzy metody eksperymentalne, a mianowicie spektroskopię dielektryczną (to metoda spektroskopowa pozwalająca badać właściwości dielektryczne materiału w funkcji częstotliwości oraz amplitudy przyłożonego pola elektrycznego), spektroskopię w podczerwieni (pozwala na analizę zarówno struktury cząsteczek, jak i ich oddziaływania z otoczeniem) oraz różnicową kalorymetrię skaningową (technika służąca do pomiaru mocy cieplnej, a dokładniej zmiany różnicy strumienia cieplnego powstającego między próbką badaną i referencyjną w trakcie przemiany termicznej). Dzięki zastosowaniu takiej kombinacji metod otrzymaliśmy szczegółowe informacje o wpływie ograniczenia przestrzennego na odziaływania międzycząsteczkowe, dynamikę wewnątrz molekularną oraz przejścia fazowe. Zaobserwowaliśmy liniową redukcję temperatur przejść fazowy wraz z zmniejszaniem się średnicy porów. Zamknięcie molekuł w porach w istotny sposób wpłynęło również na proces krystalizacji. Inna faza krystaliczna tworzy się w porach o średnicy 150 nm niż w porach o średnicach 100 nm i 80 nm. Natomiast w mniejszych porach proces krystalizacji został całkowicie zahamowany.

Dlaczego ten projekt jest innowacyjny?

Nowatorskim elementem projektu jest bezpośrednie porównanie wpływu różnych form ograniczenia przestrzennego na zachowanie ciekłych kryształów. Oprócz wspomnianych badań przy użyciu nieorganicznych matryc porowatych, w projekcie wytwarzamy elektroprzędzone włókna kompozytowe polimer-ciekły kryształ. W takich układach obserwujemy efekt tzw. „miękkiego” ograniczenia przestrzennego wynikającego ze wzajemnego odziaływania pomiędzy cząsteczkami polimeru i ciekłego kryształu. Zauważyliśmy, że otoczka polimerowa podobnie jak nieorganiczna matryca powoduje przyspieszenie ruchów molekuł wokół ich osi krótkich. Natomiast umieszczenie ciekłego kryształu we włóknach polimerowych przyspiesza proces krystalizacji.

Jakie przyniesie korzyści?

Poznanie własności materii miękkiej w skali nanometrycznej jest istotne w kontekście rozwoju nanotechnologii oraz istniejącej aktualnie w technologii tendencji do miniaturyzacji urządzeń. Zrozumienie jak różne formy ograniczenia przestrzennego wpływają na zachowanie substancji pozwoli na kontrolowanie jej własności oraz wytworzenie unikatowych nanostruktur np. poprzez dobór porów o odpowiedniej wielkości oraz geometrii. Z kolei zrozumienie własności elektroprzędzonych włókien kompozytowych pozwoli w przyszłości na ich wykorzystanie jako „inteligentne” tkaniny oraz sensory.

Pani dorobek naukowy jest imponujący, proszę powiedzieć co miało wpływ na obranie takiej ścieżki zawodowej?

Na obranie takiej ścieżki zawodowej miało wpływ wiele czynników, ale na pierwsze miejsce wysuwa się ciekawość oraz potrzeba zrozumienia reguł rządzących światem. Badania pozwalają lepiej zrozumieć otaczającą nas rzeczywistość, przewidzieć zmiany, a przede wszystkim znaleźć odpowiedzi.

Naukowcem jest się cały czas, jak udaje się Pani łączyć życie zawodowe z prywatnym?

Jest to swego rodzaju wyzwanie, ponieważ praca naukowca wymaga sporego zaangażowania. Staram się zachować równowagę między życiem zawodowym a osobistym. Czasem bywa to trudne, ponieważ nie jest to tylko praca, ale także pasja. Realizując się jako naukowiec spełniam potrzebę samorozwoju, a dążenie do celu przynosi mi wiele satysfakcji. Dzięki wsparciu bliskich wszystko jest możliwe.

Projekt pt. „Badanie wpływu ograniczenia przestrzennego na dynamikę i samoorganizację układów molekularnych.” Sonata 11, NCN.

-Augustyna Szczepańczyk