Dr inż. Szymon Zelewski (Wydział Podstawowych Problemów Techniki) oraz doktoranci Natalia Pudełko-Malik i Daniel Szopa wyjadą na kilkumiesięczne stypendia do USA. Na renomowanych amerykańskich uczelniach będą prowadzić badania dzięki prestiżowemu Exchange Program to the United States Fundacji Kościuszkowskiej.

Wyjazdy badaczy z PWr są możliwe dzięki stypendium Exchange Program to the United States Fundacji Kościuszkowskiej. Każdego roku trafiają one do ok. 40 polskich badaczy. Amerykańska organizacja wspiera w ten sposób wymianę naukową między Polską a USA. Stypendystom przyznawane są fundusze pozwalające na rozpoczęcie badań na jednej z czołowych uczelni za oceanem. Obok MIT to m.in. Uniwersytet Stanforda, Harvard czy Yale.

W gronie tegorocznych laureatów znalazło się troje badaczy z naszej uczelni. W kategorii doświadczonych naukowców (Kosciuszko Foundation Fellowship) stypendium otrzymał dr inż. Szymon Zelewski (Wydział Podstawowych Problemów Techniki), który swój projekt będzie prowadził na University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC).

Z kolei laureatami w kategorii osób na doktoracie (Kosciuszko Foundation Grants) są Natalia Pudełko-Malik (Szkoła Doktorska), która swoje stypendium zrealizuje na University of Texas Southwestern Medical Center UTSW)  w Dallas oraz Daniel Szopa (Szkoła Doktorska) – wyjazd na Texas A&M University.

W poszukiwaniu nowych materiałów półprzewodnikowych

Dr Szymon Zelewski wyjedzie na cztery miesiące na University of Illinois Urbana-Champaign. Tam, pod okiem prof. Davida Cahilla, pioniera w dziedzinie badań transportu ciepła w nanoskali będzie badał przepływ ciepła w cienkowarstwowych strukturach półprzewodnikowych różnymi metodami, w zależności od spodziewanych parametrów warstw aktywnych.

Grant od Fundacji Kościuszkowskiej otrzymał na projekt „Thermal transport in emerging optoelectronic materials and structures (Transport ciepła w nowych materiałach i strukturach optoelektronicznych)”. Jak wyjaśnia naukowiec z W11 badania nowych materiałów półprzewodnikowych do zastosowań w optoelektronice są w dużej mierze poświęcone poznaniu ich właściwości optycznych. – Wynika to z możliwości przewidzenia na tej podstawie ich użyteczności jako absorbery w panelach fotowoltaicznych czy warstwy emitujące fotony w diodach świecących (LED) – mówi dr Szymon Zelewski. 

Przyrządy optoelektroniczne nowej generacji często wykorzystują bardzo cienkie (rzędu dziesiątek nanometrów - 100 razy cieńsze od włosa) warstwy materiału aktywnego. Dla struktur emitujących światło pod wpływem przepływu prądu elektrycznego (szczególnie diod laserowych) oznacza to skupienie wszelkich strat energetycznych w bardzo małej objętości, co wymaga skutecznego odprowadzania ciepła z obszaru złącza.

– Mój projekt ma pomóc poznać podstawowe parametry związane z transportem ciepła w materiałach uznawanych za półprzewodniki nowej generacji, między innymi perowskitach hybrydowych, Pozwoli to na wskazanie czynników umożliwiających dalszą optymalizację bazujących na nich urządzeń optoelektronicznych – wyjaśnia dr Zelewski.

Tematyką transportu ciepła w materiałach półprzewodnikowych nasz badacz zainteresował się pośrednio prowadząc badania z zakresu konwersji fotoakustycznej i fototermicznej, bowiem cała natura tych zjawisk wynika z właściwości cieplnych badanych materiałów.

– Przeglądając najważniejsze publikacje w tej dziedzinie zauważyłem, że wśród ich autorów powtarza się ta sama osoba: prof. David Cahill z UIUC – wyjaśnia dr Szymon Zelewski.

Amerykański naukowiec jest pionierem w dziedzinie badań transportu ciepła w nanoskali. Opracował również nowe metody eksperymentalne, umożliwiające pomiary przewodności cieplnej i pokrewnych właściwości materiałów – zarówno popularne, rozpowszechnione komercyjnie, jak i całkowicie unikatowe, dostępne w zaledwie kilku laboratoriach na świecie.

Dr Szymon Zelewski: – Ponad rok temu, kiedy pracowałem jeszcze w Cambridge, nawiązałem regularny kontakt z prof. Cahillem w celu konsultacji pewnych problemów natury naukowej i technicznej. Wtedy poczułem, że zacieśnienie współpracy z naukowcem tej klasy ułatwi realizację bardzo ambitnych projektów, a zdecydowanie najskuteczniejszą metodą aby tego dokonać jest wyjazd na staż naukowy. Podjęcie tematyki częściowo związanej ze strukturami emitującymi światło w UIUC jest o tyle znamienne, że przez większość swojej kariery pracował tam prof. Nick Holonyak, któremu przypisuje się wynalezienie pierwszej w historii półprzewodnikowej diody laserowej pracującej w zakresie widzialnym.

W trakcie swojego stażu naukowiec z W11 będzie badał przepływ ciepła w cienkowarstwowych strukturach półprzewodnikowych różnymi metodami, w zależności od spodziewanych parametrów warstw aktywnych. Badania tego typu wymagają kontrolowania strumieni ciepła w bardzo precyzyjny sposób, o wiele dokładniejszy niż nawet przy użyciu profesjonalnych czujników temperatury (milionowe części stopnia Celsjusza). Impulsy ciepła można wzbudzać przepływem prądu elektrycznego lub wiązkami laserowymi. Te drugie, ze względu na możliwość generacji ultrakrótkich impulsów, są wyjątkowo użyteczne w badaniu interfejsów między różnymi materiałami, szczególnie podatnych na degradację i ograniczenie żywotności gotowego urządzenia.

– Mam nadzieję, że wyniki badań przyczynią się do lepszego zrozumienia tych zjawisk i dostarczą parametrów umożliwiających zwiększenie wydajności emiterów światła – zapowiada dr Szymon Zelewski. – Poznanie właściwości cieplnych jest również istotne w kontekście poszukiwań nowych materiałów łączących właściwości półprzewodnikowe ze skuteczną konwersją termoelektryczną, co stało się w ostatnich latach perspektywicznym tematem w dziedzinie odnawialnych źródeł energii.

Zdobyte na amerykańskiej uczelni doświadczenie zamierza wykorzystać w rozwoju nowego laboratorium i własnej grupy. Zajmuje się ona szeroką gamą zjawisk fototermicznych w badaniu podstawowych właściwości materii opartych o metody eksperymentalne mające zastosowanie w wielu dziedzinach, od inżynierii materiałowej po obrazowanie medyczne.

Dr inż. Szymon Zelewski pracuje w Katedrze Fizyki Doświadczalnej na Wydziale Podstawowych Problemów Techniki. Zajmuje się tam badaniem właściwości optycznych materiałów, z naciskiem na półprzewodniki nowej generacji: kryształy dwuwymiarowe, perowskity hybrydowe, czy przewodzące polimery. – Obok standardowych metod spektroskopii optycznej, wykorzystuję nowe techniki eksperymentalne wiążące wzbudzenia optyczne z detekcją cieplną, nazywane metodami fototermicznymi – wyjaśnia dr Zelewski. – Dają one unikalne możliwości pomiaru właściwości absorpcyjnych (tłumienia światła) materiałów z o wiele większą precyzją niż komercyjnie dostępne spektrometry.

Naukowiec z W11 prowadzi również badania właściwości struktur fotowoltaicznych i fotodetektorów.

Badania procesów starzenia

Natalia Pudełko-Malik jest obecnie w Szkole Doktorskiej PWr. Badania w ramach pracy doktorskiej prowadzi w Katedrze Biochemii, Biologii Molekularnej i Biotechnologii na Wydziale Chemicznym PWr (promotor prof. Piotr Młynarz) oraz w Zakładzie Fizjologii i Neurobiologii Molekularnej na Wydziale Nauk Biologicznych Uniwersytetu Wrocławskiego (promotorka dr Dominika Drulis-Fajdasz).

Dzięki otrzymanemu stypendium wyjedzie na pięciomiesięczny staż na University of Texas Southwestern Medical Center (UTSW) w Dallas. Swój projekt „The metabolic flux analysis of neuronal-astrocyte interaction in the context of memory formation (Wpływ współzależności metabolicznej pomiędzy komórkami nerwowymi oraz astrocytami podczas procesu tworzenia śladów pamięciowych w zależności od wieku)” zrealizuje w zespole prof. Shawn C. Burgess, pod kierunkiem dr. Stanisława Dei.

– Grupa prof. Burgess jest czołową jednostką na świecie pod kątem wykorzystywania znakowanych izotopowo znaczników do badania zmian zachodzących w metabolizmie, podczas stanów chorobotwórczych oraz odpowiedzi na stosowaną farmakologią – mówi Natalia Pudełko-Malik. – Podczas stażu będę miała możliwość opracowania unikatowej techniki, pozwalającej na monitorowanie zmian zachodzących w metabolizmie, za pomocą znakowanych znaczników izotopowych, takich jak U-13 C 6 glukoza.

Zastosowanie powyższej technik może pomóc określić w przyszłości złożonej współzależności metabolicznej pomiędzy komórkami nerwowymi a astrocytami (komórki glejowe), podczas procesu starzenia się.

Tworzenie śladów pamięciowych w mózgu pozwalających na zachowanie nowo poznanych informacji, jest jedną z istotniejszych, a zarazem najbardziej dynamicznych funkcji ośrodkowego układu nerwowego. – Aktualnie wiadomo, że tworzenie nowych połączeń synaptycznych, w celu uzyskania stabilnej pamięci długotrwałej, wymaga złożonej współpracy komórkowej i wysokiego stopnia elastyczności metabolicznej – tłumaczy Natalia Pudełko-Malik. – Zachwianie tych molekularno-metabolicznych mechanizmów objawia się podczas procesów starzenia oraz patofizjologicznych schorzeń związanych z wiekiem, takich jak choroba Alzheimera, Parkinsona czy demencja.

Dzięki stypendium Fundacji Kościuszkowskiej nasza doktorantka spróbuje określić współzależność metaboliczną, która prawdopodobnie zmienia się w starzejącym mózgu, co bezpośrednio ma wpływ na pogorszenie procesów tworzenia śladów pamięciowych. – W celu rozwiązania założonej hipotezy, zasadnym wydaje się zastosowanie metabolomiki w oparciu o znakowane izotopowo metabolity. Dostarczy to globalnego obrazu odnoszącego się do zakresu procesów metabolicznych, leżących u podstaw złożonych i wieloczynnikowych procesów związanych z starzeniem się czy chorobami neurodegeneracyjnych – dodaje doktorantka.

W swoje pracy doktorskiej Natalia Pudełko-Malik zajmuje się analizą zmian zachodzących w metabolizmie komórek nerwowych, ze szczególnym uwzględnieniem metabolizmu energetycznego, podczas procesu starzenia się w oparciu o model zwierzęcy oraz linie komórkowe. W laboratoriach Wydziału Chemicznego PWr wykonuje badania metabolomiczne, wykorzystując do tego wysokorozdzielcze i wystandaryzowane narzędzia analityczne, takie jak chromatografia cieczowa sprzężona z spektrometrią mas (LC-MS) oraz spektroskopia magnetyczna rezonansu jądrowego (NMR).

Jak wykorzystać odpady z hodowli… insektów

Daniel Szopa ze Szkoły Doktorskiej realizuje swoją rozprawę na Wydziale Chemicznym w Katedrze Zaawansowanych Technologii Materiałowych (K26), w dyscyplinie Inżynieria Chemiczna pod kierunkiem prof. Anny Witek-Krowiak. Stypendium otrzymał na „Transforming insect breeding waste into biostimulants and nutrient-rich feeds, a closed-loop approach to waste management (Przetwarzanie odpadów z hodowli larw na biostymulatory roślinne i paszę dla zwierząt - cyrkulacyjne gospodarowanie odpadów)”.

Nasz doktorant zamierza opracować metodę bezodpadowego gospodarowania odpadami pochodzącymi z hodowli insektów. – W założeniu w procesie przetwarzania chcemy uzyskać biostymulatory roślinne i paszy bogate w makro i mikroelementy – mówi Daniel Szopa. – Z tego powodu kluczowe jest zbadanie, czy możliwa jest migracja wspomnianych składników odżywczych zawartych w hydrolizatach i uzyskanych w wyniku hydrolizy odpadów hodowlanych.

Swój projekt będzie realizował na Texas A&M University pod kierunkiem prof. Jeffery'ego K. Tomberlina, specjalisty w dziedzinie hodowli owadów i zrównoważonego rozwoju oraz prof. Karen L. Wooley, specjalistki w dziedzinie polimerów i chemii organicznej.

– Uczelnię tą wybrałem ze względu na specjalizację z zakresu rolnictwa, hodowli szerokiej gamy insektów i precyzyjnej identyfikacji szerokiej gamy związków organicznych i nieorganicznych, co jest kluczowe do wykonania prac, które są niezbędne do mojego projektu – wyjaśnia Daniel Szopa.

W trakcie pobytu w USA doktorant zamierza kontynuować swoje badania, które są związane z wykorzystaniem hydrolizy chemicznej do otrzymywania biostymulatorów. – Ale w tym przypadku kluczowe dla mnie będzie zbadanie czy możliwym jest opracowanie procesu bezodpadowej produkcji pasz zwierzęcych, dodatków żywieniowych oraz biostymulatorów roślinnych z odpadów hodowli larw – opowiada Daniel Szopa. – Takie podejście pozwoli na zmniejszenie kosztów hodowli larw, utylizację odpadów po np. degradacji plastików, gdzie patrząc na dzisiejsze trendy to hodowla larw w przyszłości będzie dużo bardziej powszechna, co będzie oznaczać konieczność gospodarowania produkowanych odpadów.

Wyniki mają stanowić podstawę do wykonania badań uzyskanych produktów w hodowli zwierząt i możliwości stosowania ich jako dodatki do żywności dla ludzi.

W Szkole Doktorskiej PWr Daniel Szopa zajmuje się zagadnieniami gospodarowania odpadów wysokobiałkowych na cele nawozowe z wykorzystaniem hydrolizy chemicznej. Swoje badania rozszerza także o metody aplikacyjne, stosując biopolimery, takie jak alginian sodu, chitozan oraz wykorzystanie mikroorganizmów do stymulacji wzrostu roślin. – To wszystko pomaga mi w tworzeniu kompleksowych kompozycji nawozowych np. w postaci wielowarstwowych kompozytów hydrożelowych – dodaje.