Ponad 12 mln zł na swoje projekty otrzymało pięcioro naukowców z Politechniki Wrocławskiej w konkursach Maestro i Sonata Bis organizowanych przez Narodowe Centrum Nauki. Badania dotyczą m.in. perowskitów, aktywnych enzymów i sztucznej inteligencji.

Maestro to konkurs na projekty badawcze dla doświadczonych naukowców mające na celu realizację pionierskich badań naukowych, w tym interdyscyplinarnych, ważnych dla rozwoju nauki, wykraczających poza dotychczasowy stan wiedzy, których efektem mogą być odkrycia naukowe.

Unikatowe właściwości perowskitów

W tym programie grant na blisko 4 mln zł otrzymała dr Paulina Płochocka-Maude, prof. uczelni z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki. Zrealizuje ona projekt pt. „SERENADE – Miękkie perowskity – nowy paradygmat inżynierii półprzewodników”.

Półprzewodniki perowskitowe to w ostatnich latach jedne z najbardziej intensywnie badanych materiałów. Wynika to z ich unikalnych własności sprawiających, że są one niezwykle obiecujące w zastosowaniach fotowoltaicznych i emiterach światła. W ciągu dziesięciu lat ogniwa fotowoltaiczne wykorzystujące perowskity, jako obszar czynny, osiągnęły wydajność porównywalna z ogniwami opartymi o technologię krzemową, która rozwija się od ponad 50 lat. Dodatkowo perowskity mogą byś syntetyzowany przy wykorzystaniu metod mokrej chemii, co znacząco obniża koszty ich produkcji. Technologia ta może być dużo tańsza niż obecna technologia produkcji ogniw fotowoltaicznych.

Kolejną unikalną cechą półprzewodników perowskitowych jest to, że są kilkanaście razy bardziej miękkie niż krzem czy arsenek galu, czyli powszechnie wykorzystywane obecnie półprzewodniki. „Miękkość” materiałów rzadko koreluje z ich dobrymi własnościami elektrooptycznymi, co stanowi o unikalności perowskitów.

– W projekcie chcemy się skupić na tej podatności perowskitów na odkształcenie i tym, jak ją wykorzystać do modyfikowania ich własności. Odkształcanie peorwskitów wpływa na rozmieszczenie atomów wewnątrz ich sieci i w ten sposób zmienia ich własności. Pod wpływem naprężeń czy ściskania można kontrolować ich własności absorpcyjne i emisyjne, czyli jaki mają kolor lub jakiego koloru światło emitują – wyjaśnia prof. Paulina Płochocka-Maude. – Miękkość perowskitów sprawia że stopień modyfikacji ich własności poprzez czynniki zewnętrzne jest dużo większy niż w przypadku dotychczas znanych półprzewodników – dodaje.

Projekt będzie realizowany w konsorcjum z Instytutem Niskich Temperatur i Badan Strukturalnych im. Włodzimierza Trzebiatowskiego PAN.

Prof. Paulina Płochocka-Maude na co dzień pracuje we francuskim Centre National de la Recherche Scientifique w Tuluzie. Z Politechniką Wrocławską współpracuje od kilku lat, a od maja 2019 r. jest pracownikiem PWr, gdzie realizuje swoje projekty.

Cztery granty w programie Sonata

Konkurs Sonata Bis przeznaczony jest na projekty badawcze mające na celu powołanie nowego zespołu naukowego. Mogą być one realizowane przez osoby, które uzyskały stopień naukowy doktora w okresie od 5 do 12 lat przed rokiem wystąpienia z wnioskiem o dofinansowanie. W tym programie granty na badania otrzymało czworo naszych naukowców.

Badanie aktywnych enzymów

Dr inż. Paulina Kasperkiewicz-Wasilewska z Wydziału Chemicznego będzie realizować projekt „Heterogeniczność neutrofili zależna od proteaz serynowych”, którego finansowanie wynosi blisko 3 mln zł.  Są to badania prowadzone wspólnie z naukowcami z Uniwersytetu Jagiellońskiego.

– Heterogeniczność populacji komórek krwi jest zjawiskiem tak naturalnym, jak różnorodność populacji ludzkiej. Komórki pełnią te same funkcje, ale jedne zawierają więcej pewnych czynników od innych, co czyni je lepszymi w czasie obrony organizmu przeciwko patogenom, podczas gdy inne komórki zawierające więcej innego czynnika i są zaangażowane w choroby nowotworowe. Taką heterogeniczność można porównać do populacji ludzkiej, wśród której bardzo wysokie osoby mają naturalne predyspozycje do gry w kosza, a osoby obdarzone długimi palcami u rąk, mają lepsze predyspozycje do gry na pianinie – tłumaczy dr Paulina Kasperkiewicz-Wasilewska, która pracuje w Katedrze Chemii Biologicznej i Bioobrazowania PWr.

Wyjaśnia, że białe komórki krwi, aby pełnić te zróżnicowane funkcje są zaopatrzone w wiele czynników. W swojej pracy chemiczka skupi się na badaniu jednych z nich, a dokładniej na aktywnych enzymach. – Dlaczego enzymy? To właśnie one są kluczowymi czynnikami efektorowymi w komórkach – dodaje.

Głównym zadaniem projektu jest badanie zależności heterogeniczności komórek krwi od aktywnych enzymów, a także wskazanie różnicy profilu zdrowego pacjenta w porównaniu z chorym. – Będziemy badać neutrofile infiltrowane do guzów nowotworowych tzw. TAN’s (ang. Tumor-associated neutrophils), wykorzystując kilka modeli nowotworów hematologicznych oraz guzów litych, czyli nowotwór piersi, płuc – tłumaczy kierowniczka projektu.

Badania mają charakter interdyscyplinarny, wymagającej wiedzy z różnych dziedzin. Dlatego będą one prowadzone we współpracy ze specjalistami z dziedziny immunologii i onkologii z Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie.

Jak skutecznie ułożyć szkolny plan lekcji?

Finansowanie grantu w wysokości 1 426 800 zł dostał dr inż. Michał Przewoźniczek z Wydziału Informatyki i Zarządzania. Jego badania związane są z opracowaniem nowych narzędzi sztucznej inteligencji.

– Chcemy opracować nowe, skuteczniejsze mechanizmy oparte na wyszukiwaniu powiązań między genami w algorytmach ewolucyjnych przeznaczonych do rozwiązywania problemów wielokryterialnych (ang. multi-objective, MO) i wielokryterialnych z dużą liczbą kryteriów (ang. many-objective, MOO) – wyjaśnia dr Michał Przewoźniczek z Katedry Inteligencji Obliczeniowej PWr.

Dodaje, że takie problemy często występują w praktyce, a dostarczanie dobrych jakościowo rozwiązań dla nich może znacząco wpłynąć na codzienne życie każdego z nas. – Chodzi o takie zadania jak np. ułożenie planu lekcji w szkole, planu produkcji w fabryce, zestawu tras, których ma używać transport publiczny w nowoczesnym mieście, a nawet... wyznaczenie odpowiednich miejsc przy stołach dla gości weselnych – tłumaczy naukowiec.

Szczególna trudność polega na tym, że mając wiele kryteriów oceny rozwiązania, zazwyczaj poprawiając wartość jednego kryterium, pogarszamy jakość pozostałych.

– W metodach ewolucyjnych, rozwiązujących problemy MO/MOO, rzadko stosuje się dekompozycję struktury problemu, która jest kluczowym elementem wiodących metod przeznaczonej do optymalizacji jednokryterialnej. Dlatego chcemy zaproponować nowe metody, które dzięki wykorzystaniu dekompozycji osiągną znacznie wyższą skuteczność niż obecne optymalizatory – mówi kierownik grantu.

Badania będzie prowadził wspólnie z doktorantem Marcinem Komarnickim z Wydziału Informatyki i Zarządzania, który jest współautorem projektu „Opracowanie metod ewolucyjnych dedykowanych do optymalizacji wielokryterialnej i wielokryterialnej z dużą liczbą kryteriów z wykorzystaniem technik wyszukiwania powiązań między genami”.

Nowe metody numeryczne

Dr hab. inż. Łukasz Płociniczak, prof. uczelni z Wydziału Matematyki otrzymał grant w wysokości ponad 1 mln zł na realizację projektu „Metody numeryczne dla nielokalnych i nieliniowych równań parabolicznych". Jego celem jest stworzenie nowych metod numerycznych służących do rozwiązywania zagadnień nielokalnych i ścisła analiza ich zbieżności oraz stabilności.

– W ostatnich latach uczeni z całego świata odkrywają, że wiele zjawisk w fizyce, medycynie czy ekonomii odbywa się w sposób nielokalny. To znaczy, że ich stan w danej chwili oraz w danym punkcie przestrzeni może zależeć od całej ich historii oraz od tego co dzieje się w odległych obszarach przestrzeni. Dodatkowo ewolucja badanego procesu może być silnie zależna od jego stanu. Prowadzi to do tak zwanych nieliniowości – tłumaczy naukowiec. – Przykładowo w niektórych nowoczesnych materiałach porowatych wilgotność ośrodka w istotny sposób zależy zarówno od tego, jak w przeszłości wyglądała ewolucja frontu wody oraz stopnia niejednorodności materiału – dodaje.

Ważnymi modelami matematycznymi powyższych zjawisk są nielokalne równania różniczkowe. Ich rozwiązania numeryczne są dużo bardziej czasochłonne i skomplikowane niż ich lokalnych (klasycznych) kuzynów.

Lepsza jakość w wytwarzaniu źródeł pojedynczych fotonów

Dr inż. Michał Baranowski z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki w projekcie „Hybrydowe struktury półprzewodników III-V i dichalkogenków metali przejściowych dla emiterów pojedynczych fotonów” chce rozwiązać dwa problemy za pomocą monowarstw dichalkogenów metali przejściowych osadzanych na nanostrukturach z półprzewodników III-V. Projekt uzyskał finansowanie w wysokości 2,6 mln zł.

– W ciągu pięciu lat trwania projektu mamy nadzieję połączyć dojrzałą technologie wytwarzania nanostrutur półprzewodnikowych z fascynującymi własnościami monowarstw dichalkogenków metali przejściowych i w ten sposób zapewnić nową jakość w wytwarzaniu źródeł pojedynczych fotonów – opowiada dr inż. Michał Baranowski.

W ostatnim czasie możemy stale obserwować rosnące zainteresowanie nieklasycznymi kwantowymi źródłami światła, tj. takimi emiterami, które mogą emitować tylko jeden foton na cykl wzbudzenia. Większość emiterów pojedynczych fotonów bazuje na punktowych defektach lub kropkach kwantowych, które są zagrzebane w matrycy półprzewodnika/izolatora, która  utrudnia wydajną ekstrakcję fotonów ze względu na zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. Dodatkowo takie emitery są losowo rozmieszczone w  matrycy, co utrudnia skalowalność produkcji końcowego urządzenia.

Defekty w dichalkogenkach metali przejściowych zachowują się jak emitery pojedynczych fotonów, a ponieważ są one dwuwymiarowe, problem ekstrakcji fotonów jest nieobecny. Dodatkowo defekty można tworzyć w sposób deterministyczny poprzez lokalną kontrolę naprężenia płatka przez strukturę podłoża.

W sumie w rozstrzygniętych właśnie konkursach złożonych zostało 495, z czego do finansowania eksperci zakwalifikowali 86 projektów o łącznej wartości ponad 215 mln zł.