Nanocząstki można projektować tak, by miały określony kształt, skład i zastosowanie. Prof. Magdalena Parlińska z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN opowiada o obserwowaniu ich przemian na żywo w mikroskopie, który sam wpływa na badany proces, oraz o tym, dlaczego w nauce warto mieć własnego bzika.

Academia: Zajmuje się pani nanomateriałami funkcjonalnymi. Co właściwie znaczy „funkcjonalne”?

Prof. Magdalena Parlińska: To takie materiały, które można do czegoś zastosować. Najpierw projektujemy materiał pod konkretne zastosowanie, a potem wytwarzamy go w laboratorium. Pracujemy przede wszystkim z nanocząstkami. Mają różny skład chemiczny i rozmaite kształty. Bardzo lubimy eksperymentować z ich formą. Zastosowania znajdujemy między innymi w katalizie, biologii i medycynie.

Skąd wzięło się u pani zainteresowanie tym światem?

Jestem córką fizyka, ale ukończyłam na AGH inżynierię mechaniczną i robotykę – wymagający kierunek, który z nanomateriałami nie miał właściwie nic wspólnego. Później spędziłam czternaście lat w Szwajcarii. Pierwsze siedem na politechnice w Lozannie, gdzie robiłam doktorat, a następnie pracowałam jako postdok. Zajmowałam się już wtedy nanomateriałami, przede wszystkim mikroskopią elektronową. Szczególnie transmisyjna mikroskopia elektronowa stała się moją ulubioną techniką badawczą. Ponieważ służy do badania nanomateriałów, siłą rzeczy pozostałam przy tej dziedzinie.

Przez kolejne siedem lat pracowałam jako starsza specjalistka w EMPA (Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology). To szwajcarski instytut badawczy silnie nastawiony na współpracę z przemysłem. Ma część badawczą, inkubator dla młodych firm i trzy placówki: w Dübendorfie, Thun i St. Gallen. Każda z nich ma własną specjalizację. W St. Gallen zajmowano się między innymi materiałami dla przemysłu tekstylnego, w Thun – właściwościami mechanicznymi, a nanomateriały rozwijano w Dübendorfie.

Po powrocie do Polski trafiłam na Uniwersytet Rzeszowski. Prowadziłam zajęcia z biotechnologii i inżynierii materiałowej. Zrekrutowałam troje studentów biotechnologii, którzy zostali u mnie na doktoratach. Po dwóch i pół roku przeniosłam się do Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie, a oni przenieśli się razem ze mną. Chyba odpowiadała im ta tematyka. Jeżeli ktoś jedzie za promotorem z Rzeszowa do Krakowa, to prawdopodobnie jest widzi potencjał naukowy.

Jak wytwarza się materiał, którego nawet nie można zobaczyć?

Idzie się do laboratorium, nalewa, wsypuje, waży i odmierza – wszystko w bardzo małych ilościach. Miesza się składniki, podgrzewa albo nie. I gotowe. Potem trzeba sprawdzić, co powstało!

Nanocząstek nie zobaczymy w zwykłym mikroskopie optycznym. Potrzebny jest mikroskop elektronowy, najlepiej transmisyjny. Takie urządzenia są duże i drogie, więc przez wiele lat korzystaliśmy z aparatury znajdującej się poza Instytutem. Dopiero w ubiegłym roku, po latach starań, otrzymaliśmy dofinansowanie z Funduszy Europejskich dla Małopolski. Instytut dostał środki na trzy projekty, w tym na mój – czternaście milionów złotych na mikroskop transmisyjny.

Urządzenie zainstalowano w czerwcu. Od kilku miesięcy działa i możemy już prowadzić na nim badania na własnym terenie.

Do czego mogą służyć nanocząstki srebra?

Ogromna siła nanocząstek

Co chce pani dzięki niemu zobaczyć?

Najchętniej to, co dzieje się z cząstkami podczas reakcji. Zwykły mikroskop elektronowy pracuje w próżni, więc oglądamy w nim na przykład wysuszone nanocząstki. Od kilku lat mamy jednak specjalny uchwyt, który pozwala zamknąć niewielką ilość cieczy i badać zachodzące w niej procesy. Ciecz znajduje się między dwiema bardzo cienkimi błonami, przez które przechodzi wiązka elektronów. Możemy dostarczać różne roztwory i obserwować reakcję na żywo.

Można rozpuszczać cząstki pod wpływem samej wiązki albo wiązki i dodanego roztworu. Można też wprowadzić roztwór soli metalu i obserwować powstawanie nanocząstek: kiedy się pojawiają, w jakim kierunku rosną, jak duże się stają i jaki przyjmują kształt. Można również wykorzystać istniejące cząstki jako szablony. Dodajemy roztwór zawierający inny metal, szablon stopniowo się rozpuszcza, a po nim pozostaje pusta metalowa otoczka. To proces wymiany galwanicznej.

Lubię, kiedy cząstki stają się puste, chociaż właściwie nie wiem dlaczego. Wolę, kiedy robią się puste, niż kiedy coś na nich narasta. Każdy naukowiec ma chyba jakiegoś nieszkodliwego bzika. To nas napędza, inspiruje i sprawia, że wpadamy na różne pomysły, mniej lub bardziej szalone. Kiedy planujemy eksperyment, zwykle chciałabym, żeby na końcu powstały puste cząstki. Z naukowego punktu widzenia, puste cząstki oferują większą powierzchnię, w porównaniu do litych cząstek, a zatem mogą być bardziej aktywne, będąc równocześnie tańsze, gdyż zawierają mniej materiału.

W tych badaniach mieliśmy nanokostki tlenku miedzi i dodawaliśmy do nich roztwór kwasu chlorozłotowego. Spodziewaliśmy się wymiany galwanicznej: złoto miało utworzyć otoczkę, a tlenek miedzi wewnątrz miał się rozpuścić. Najpierw przeprowadziliśmy doświadczenie na synchrotronie SOLARIS w Krakowie, który pozwala m.in. na badanie składu chemicznego materiałów. Tam rzeczywiście powstały puste nanopudełka bogate w złoto. Potem wykonaliśmy eksperyment w mikroskopie elektronowym. I proszę sobie wyobrazić moje rozczarowanie: złoto osadzało się na kostkach, ale one wcale nie chciały znikać.

Co różniło te dwa doświadczenia?

Przede wszystkim wiązka, którą obserwowaliśmy próbkę. W mikroskopie elektronowym używamy elektronów, a na synchrotronie SOLARIS w Krakowie korzystałyśmy z mikroskopii rentgenowskiej, czyli z fotonów. Każda z tych technik dostarcza nieco innych informacji. W mikroskopie elektronowym lepiej widać kształt cząstek i jego zmiany. Na synchrotronie rozdzielczość jest gorsza, ale możemy dokładniej badać skład chemiczny i sprawdzać stopień utlenienia pierwiastków. W naszym przypadku było to istotne, bo kostki są z tlenku miedzi, a nie z metalicznej miedzi.

Mamy teraz aparaturę, która pozwala przenosić doświadczenia między tymi urządzeniami i porównywać, co dzieje się z tym samym układem pod wpływem jednej i drugiej wiązki. To daje nam bardzo duże możliwości.

Okazało się, że trzeba dokładniej przyjrzeć się temu, co wiązki robią z wodą. Zarówno elektrony, jak i fotony mogą powodować jej rozkład. Powstają wtedy reaktywne formy chemiczne, które zmieniają warunki w roztworze. Wpływają na to, czy dany składnik łatwiej oddaje elektrony, czy je przyjmuje, a także na pH, czyli kwasowość roztworu. W warunkach naszego eksperymentu wiązka elektronów sprzyjała osadzaniu złota, ale jednocześnie utrudniała rozpuszczanie tlenku miedzi. Na synchrotronie warunki były inne i kostki mogły się rozpuszczać. Dlatego tam pozostawały puste pudełka, a w mikroskopie elektronowym – kostki pokryte złotem.

Jak przenieść nanotechnologię poza laboratorium?

Polacy przełamali barierę w nanotechnologii. Nanostruktury w skali przemysłowej

Udało się je pani namówić, żeby jednak zrobiły się puste?

W końcu uzyskałyśmy wynik, na którym nam zależało. Co więcej, w ten sposób powstała publikacja w „Small”, w której pokazaliśmy, że wiązka, za pomocą której obserwujemy reakcję, może sama w niej uczestniczyć. Trzeba więc uwzględniać jej wpływ, gdy interpretuje się to, co widać pod mikroskopem.

Mamy już wyniki do kolejnej pracy, która właśnie powstaje. Zastąpiliśmy złoto platyną. Efekty są inne, ponieważ każdy metal zachowuje się inaczej.

Obecnie kieruję  także projektem finansowanym przez Narodowe Centrum Nauki, w którym porównujemy wpływ wiązki elektronowej i promieniowania synchrotronowego na wymianę galwaniczną z udziałem różnych metali i kostek tlenku miedzi. To badania podstawowe: chcemy zrozumieć, co właściwie się dzieje.

Co panią najbardziej w tej pracy fascynuje?

Pokrętła w mikroskopie. Pewnie powinnam teraz wymyślić jakąś górnolotną odpowiedź, ale jesteśmy normalnymi ludźmi. Twardo stąpamy po ziemi, mamy życie poza instytutem i własne zainteresowania. Ja lubię różne prace manualne. W uchwytach znajdują się drobne elementy, śrubki, nakrętki, przykrywki i uszczelki. Trzeba to wszystko poskładać i mieć trochę wyczucia w rękach. To bardzo mi się podoba.

Druga rzecz to niepowtarzalność eksperymentów. Za każdym razem może wydarzyć się coś nowego. Fascynuje mnie, że do urządzenia pracującego w próżni można włożyć ciecz, a potem obserwować na żywo, jak coś się w niej porusza, znika i pojawia. Chyba właśnie to jest dla mnie najciekawsze.

Czego powinien nauczyć się młody naukowiec, a czego nie dowie się na studiach?

Chyba dwóch rzeczy. Po pierwsze, zauważyłam, że jeśli ktoś prowadzi badania, które go interesują, sam je wymyślił i zdefiniował, to pracuje znacznie lepiej. Oczywiście młody człowiek powinien mieć wsparcie kogoś bardziej doświadczonego, żeby uniknąć błędów. Dobrze jednak, żeby miał własny temat, który naprawdę go obchodzi. Po drugie, trzeba od początku myśleć o publikowaniu wyników. Taki mamy system: rozliczamy projekty, jesteśmy oceniani i wypełniamy te słynne sloty. To wymaga planowania.

Już na początku zastanawiamy się, co chcemy zbadać i co mogłoby złożyć się na publikację. Dzięki temu łatwiej sensownie zaplanować doświadczenia, czas i wydatki. Mam to szczęście, bo nasza grupa, choć jest niewielka, jest za to bardzo sprawna, i nie mamy problemu z publikowaniem wyników.

Kolejny badacz nanomateriałów z IFJ PAN

Nauka i solidarność. Dr. Oleksii Bezkrovnyi z nagrodą im. Artura Rojszczaka

Czy jest jakieś pytanie, na które bardzo chciałaby pani znaleźć odpowiedź, ale wciąż się to nie udaje?

Chyba nie. Może jeszcze nie trafiliśmy na problem, który byłby nierozwiązywalny albo nad którym musielibyśmy pracować bardzo długo. Na razie eksperymenty, które planujemy, się udają. Nie w tym sensie, że zawsze otrzymujemy wynik, którego się spodziewaliśmy. Dostajemy jednak rezultat, który można zinterpretować, zrozumieć, a następnie opublikować.

Prof. dr hab. inż. Magdalena Parlińska pracuje w Instytucie Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego PAN w Krakowie. Zajmuje się nanomateriałami i transmisyjną mikroskopią elektronową, między innymi obserwacją przemian nanocząstek w cieczach. Ukończyła inżynierię mechaniczną i robotykę na AGH. Przez czternaście lat pracowała w Szwajcarii: na politechnice w Lozannie (EPFL), gdzie przygotowała doktorat i odbyła staż podoktorski, oraz w instytucie EMPA ((Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology). Po powrocie do Polski była związana z Uniwersytetem Rzeszowskim, a następnie przeniosła się do IFJ PAN. W kierowanym przez nią Zakładzie Nanomateriałów Funkcjonalnych powstają nanocząstki badane pod kątem zastosowań w katalizie, biologii i medycynie.