Naukowiec z Wydziału Mechanicznego przez trzy miesiące będzie prowadzić badania w Massachusetts Institute of Technology. Dołączy do zespołu prof. Francess Ross – światowej sławy specjalistki w dziedzinie eksperymentów z roztworami ciekłymi. Dr inż. Andrzej Żak we współpracy z badaczką zrealizuje swój ambitny projekt naukowy.

Wyjazd naukowca jest możliwy dzięki stypendium Exchange Program to the United States Fundacji Kościuszkowskiej przyznawanemu każdego roku około 40 badaczom z Polski. Amerykańska organizacja wspiera w ten sposób wymianę naukową między Polską a USA. Stypendyści zyskują bowiem fundusze pozwalające im na rozpoczęcie badań na jednej z czołowych uczelni za oceanem. Obok MIT to m.in. Uniwersytet Stanforda, Harvard czy Yale.

Mikroskopy do zadań specjalnych

Dr inż. Andrzej Żak naukowo zajmuje się mikroskopią in situ i modyfikowaniem transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) do wykonywania konkretnych eksperymentów bezpośrednio podczas obserwacji elektronowych. Do Massachusetts Institute of Technology poleci, by dołączyć do zespołu prof. Francess Ross. To badaczka z wieloletnim doświadczeniem zdobytym w laboratoriach IBM, gdzie przeprowadzała eksperymenty metodami in situ na ogniwach litowo-jonowych, innych ciekłych próbkach i katalizie w fazie gazowej.

– Jest liderem grupy, która może latami budować aparaturę do jednego odważnego eksperymentu – opowiada dr Żak. – Wyniki swoich śmiałych projektów publikowała już w czołowych czasopismach, takich jak „Science” i „Nature”. Od niespełna dwóch lat kieruje zespołem na MIT, gdzie stale rozwija unikalne w skali światowej eksperymenty. Co ważne z mojego punktu widzenia, prof. Ross nigdy nie przeprowadzała eksperymentów wywołanych światłem, ale jest największym autorytetem na świecie w dziedzinie obrazowania ciekłych próbek w TEM.

Dr Żak w USA zamierza bowiem zrealizować projekt, w którym wpływ światła i faza ciekła odgrywają kluczową rolę. Jego badania noszą dość zawiły tytuł: „Ujawnienie mechanizmów odwracalnej samoorganizacji nanokompozytów tektonowych w warunkach oddziaływania temperaturą i światłem z wykorzystaniem transmisyjnej mikroskopii elektronowej in situ”.

Jak sam tłumaczy, transmisyjny mikroskop elektronowy jest skomplikowanym i złożonym urządzeniem wykorzystującym wiązkę elektronów – podczas gdy w konwencjonalnej mikroskopii stosuje się światło. Jako że długość fali elektronów jest krótsza o wiele rzędów wielkości od fali światła widzialnego, umożliwia to obserwację materiałów w nawet atomowej rozdzielczości. Wykorzystanie takiego urządzenia wiąże się jednak oczywiście z wieloma ograniczeniami. Próbka musi być bardzo cienka (nie grubsza niż sto nanometrów), a poruszanie się wiązki elektronów wymaga ultrawysokiej próżni.

- Mikroskopia elektronowa to jednak dopiero punkt wyjścia. Zajmuję się mikroskopią dynamiczną, a zatem wspólnie z naukowcami z USA będę chciał przebudować tamtejszy mikroskop i dostosować go do zaplanowanego przez nas eksperymentu – tłumaczy dr Żak. - To ryzykowne, ale ekscytujące podejście. Musimy być bardzo delikatni, bo każdy błąd może być niezwykle kosztowny.

Zazwyczaj w tego typu eksperymentach na próbkę oddziałuje się np. temperaturą czy polem magnetycznym. Konieczne jest więc zminimalizowanie układu cewek elektromagnetycznych lub pieca do obróbki cieplnej, tak by zmieściły się blisko próbki i nie uszkodziły delikatnych elementów mikroskopu. - Jeśli podgrzejemy naszą próbkę do, powiedzmy, 600 st. C, to zacznie świecić na czerwono i dzieje się to wewnątrz urządzenia wartego miliony złotych – wyjaśnia dr Żak.

Wyjątkowy iluminator

W ramach badań, jakie dr Żak prowadzi aktualnie na PWr, wspólnie z dyplomantką Olgą Kaczmarczyk tworzy zamknięte kieszenie grafenowe, w których nanometryczna objętość próbki jest oddzielana od wysokiej próżni (by pod wpływem niskiego ciśnienia próbka nie wyparowała). Zbudował też urządzenie do generowania kontrastu fazowego z masywnych próbek i musiał znaleźć sposób, żeby do wnętrza mikroskopu wprowadzić światło widzialne, które oświetli próbkę podczas obrazowania elektronowego. W związku z tym skonstruował iluminator, który jest na tyle wyjątkowy, że właśnie przechodzi przez procedury patentowe, a naukowiec z PWr liczy na to, że w przyszłości uda go skomercjalizować i upowszechnić jego konstrukcję.

Podobny iluminator skonstruuje dla mikroskopu wykorzystywanego w laboratorium prof. Ross – a wszystko to w celu zbadania mechanizmów odwracalnej samoorganizacji nanokompozytów tektonowych.

Duży potencjał tektonów

Jak tłumaczy dr Żak, „tekton” to pojęcie nieprzetłumaczalne na język polski. Określa się nim materiał, którego oddziaływania są zdominowane przez określone siły przyciągania, powodujące powstawanie makrostruktur o kontrolowanej geometrii. – Mamy więc materiał, którego makrocząsteczki mogą funkcjonować jako kryształ lub jako ciecz i dzięki temu mogą zmieniać swoje właściwości – wyjaśnia.

Naukowcy zamierzają zbadać kompozyt z nanocząsteczkami złota podzielonymi na dwie grupy. Każda będzie pokryta dodatkową substancją powierzchniową, która stworzy warstwę na powierzchni nanocząstek.

- Wybieramy takie związki chemiczne, które mają dużą tendencję do tworzenia wzajemnych wiązań, takich jak cząstki naładowane dodatnio i ujemnie – opowiada badacz z PWr. – Jednocześnie nanocząstki pokryte tą samą substancją odpychają się, co pozwala na tworzenie regularnej sieci nanocząstek podobnej do sieci krystalicznej. Co bardzo ważne dla nas, mechanizmem tej organizacji można sterować światłem lub temperaturą, a efektem jest zmiana m.in. właściwości optycznych roztworu. A to daje nam olbrzymie możliwości np. w produkcji sensorów..- To oczywiście tylko przykładowe zastosowanie, a my na razie zajmujemy się jeszcze podstawowymi badaniami charakteryzującymi materiał – zastrzega dr Żak. – Wykorzystanie mikroskopii elektronowej do obserwacji mechanizmów odwracalnej samoorganizacji tych nanokompozytów pozwoli mi opisać kinetykę reakcji i potwierdzić rozważania teoretyczne.

Ekspertem od materiałów tektonowych jest prof. Robert Macfarlane, także pracujący w MIT, gdzie prowadzi własną grupę badaczy. To ten zespół opublikował w ostatnich latach kluczowe dla tematyki publikacje. Dr Żak będzie realizował swoje badania właśnie na nanomateriałach stworzonych przez grupę z MIT.

Wyjazd we wrześniu

Jak podkreśla naukowiec z PWr, trzy miesiące to mało czasu na tak ambitne i zaawansowanie badania, ale uda się je przeprowadzić, bo część prac zacznie się jeszcze przed przyjazdem dr. Żaka do USA (planowanym na wrzesień tego roku).

- Chcę wyprodukować dedykowany oświetlacz do mikroskopu w MIT w oparciu o moje patentowane urządzenie – opowiada. – Zamierzamy również przeprowadzić syntezę materiałów na MIT jeszcze przed moim przybyciem. Następnie dostosujemy uchwyt próbek cieczy do pracy z określonymi rozpuszczalnikami i dokonamy podstawowych obserwacji wywołanych zmianą temperatury. Równolegle zainstalujemy wykonany przeze mnie prototypowy oświetlacz, który umożliwi nam docelowy eksperyment indukowany światłem. Oczywiście na koniec planujemy podsumować badania jedną lub kilkoma publikacjami.

Dr Żak liczy na to, że współpraca z tak doświadczonymi i renomowanymi zespołami badaczy będzie dla niego okazją do nauki m.in. przygotowywania publikacji do najbardziej prestiżowych czasopism naukowych na świecie, ale także budowania zespołu naukowego i odpowiedniego zarządzania nim, by jego członkowie byli zmotywowani do wspólnej pracy. Chciałby te doświadczenia przenieść na Politechnikę Wrocławska. Ma też nadzieję, że badania w USA będą też podstawą dalszych badań i wizyt w przyszłości.

Przeczytaj też:

• Wyniki badań polskiego zespołu w czasopiśmie „Applied Catalysis B: Environmental”
• Przedstawiamy 12 laureatów I edycji programu Secundus

Lucyna Róg