Piękno symetrii i miłość do chemii
Kapituła Konkursu Młode Talenty wyłoniła finalistów! Jest wśród nich, w kategorii „Sukces naukowy”, nasza doktorantka Marzena Pander.
Pod okiem dr. hab. inż. Wojciecha Burego na Wydziale Chemii UWr realizuje pracę doktorską dotyczącą projektowania, syntezy i charakterystyki sieci metaliczno-organicznych, które są materiałami porowatymi o unikalnych właściwościach.
Zachęcamy do lektury rozmowy z naszą doktorantką, która przybliżyła temat swoich badań.
Wyjaśnijmy, czym są materiały porowate?
Marzena Pander: – Materiały te w swojej budowie zawierają wolne przestrzenie (pory), które wypełnione są cząsteczkami tzw. gości. Przykładem materiału porowatego w naszym codziennym życiu może być gąbka, a proces adsorpcji cząsteczek gości w jej porach doskonale możemy skojarzyć z momentem nasączania gąbki wodą przy zmywaniu naczyń, czy kąpieli w wannie. Znamy wiele naturalnych materiałów porowatych, na przykład pumeks czy zeolity (zwane wrzącymi kamieniami).
A sieci metaliczno-organiczne?
– Sieci metaliczno‑organiczne (z angielskiego – MOF) są przykładem syntetycznych materiałów porowatych, co oznacza, że możemy je zaprojektować, a następnie otrzymać. W ich budowie możemy wyróżnić dwie podjednostki budulcowe (węzły i łączniki), które łącząc się wzajemnie tworzą uporządkowaną sieć, zawierającą wolne przestrzenie (pory) o określonym kształcie i rozmiarze.
Jak klocki lego?
– Dokładnie. Wspomniane węzły i łączniki można sobie wyobrazić jako dwa rodzaje klocków lego, które w procesie samoorganizacji łączą się ze sobą i tworzą nieskończoną sieć (materiał MOF). Naszym zadaniem jest takie dobranie klocków, aby otrzymać konkretną konstrukcję, ale na poziomie nano.
W ramach realizowanych badań zajmuje się Pani otrzymywaniem materiałów MOF i ich dalszą post-syntetyczną modyfikacją, czyli?
– Jeżeli wyobrazimy sobie sieć MOF jako strukturę zbudowaną z dwóch typów klocków, to post-syntetyczna modyfikacja polega na dobudowaniu do niej trzeciego rodzaju klocków. Te nowe elementy budulcowe mogą być zarówno kationami metali, jak i cząsteczkami organicznymi, a wbudowywane do sieci MOF mogą być na drodze różnych strategii. Taka modyfikacja materiału pozwala na nadanie mu nowych funkcji i dalszą eksplorację jego potencjalnych zastosowań.
Jakich zastosowań?
– Przeprowadzone przeze mnie badania obejmowały przykładowo wykorzystanie materiałów MOF do kontrolowanego uwalniania cząsteczek leków, katalitycznych transformacji dwutlenku węgla (który jest gazem cieplarnianym), czy otrzymywania hybryd materiałów MOF i polimerów organicznych, które mogą być wykorzystywane do neutralizacji trujących substancji (np. tzw. gazów bojowych).
W historii uniwersytetu mięliśmy tragiczną postać pewnej badaczki, pierwszej kobiety doktora, zajmującej się podobną dziedziną – Clara Immerwahr po mężu Haber. Czy zajmowała się podobną dziedziną co Pani?
– Tak, postać Clary Immerwahr-Haber stała się dla mnie pewnego rodzaju inspiracją w mojej pracy badawczej. Nie dość, że był to pierwszy doktorat dla kobiety na Uniwersytecie Wrocławskim, to jeszcze dla chemiczki. Nieco ponad 100 lat później ja również przygotowuję się do obrony mojej rozprawy doktorskiej.
Tragiczna historia Clary Immerwahr-Haber ściśle powiązana jest z historią jej męża, Fritza Habera, który z jednej strony ogromnie przysłużył się dla ludzkości, opracowując z Carlem Boschem proces syntezy amoniaku (nagroda Nobla w 1918 roku). Z drugiej zaś strony, jego badania nad bojowymi substancjami toksycznymi w czasie I wojny światowej (między innymi w pamiętnej bitwie pod Ypres), przyczyniły się do śmierci wielu tysięcy ludzi w wyniku zatrucia gazowym chlorem. Clara Immerwahr w proteście przeciwko działalności męża odebrała sobie życie. Co ciekawe, ja w moich badaniach otrzymuję materiały, które są w stanie w sposób natychmiastowy neutralizować tego typu toksyczne substancje.
Co się kryje pod określeniem „unikalne właściwości”? Do czego są, do czego mogą być wykorzystywane te materiały?
– Unikalność odnosi się do właściwości sorpcyjnych materiałów MOF, które związane są obecnością porów w ich strukturze. Dzięki temu sieci MOF mogą wykazywać ogromną powierzchnię właściwą, przekraczającą nawet 7000 m2/g; czyli innymi słowy, zaledwie 1 gram takiego materiału może mieć powierzchnię boiska do piłki nożnej (7000 m2). Stąd też wiele zastosowań materiałów MOF dotyczy wykorzystania ich w procesach pochłaniania i separacji gazów.
Przykład?
– Jedno z najbardziej znanych zastosowań materiałów MOF dotyczy ich zdolności do magazynowania wodoru (zielona energia), czy adsorpcji wody z powietrza (nawet na pustyni). Ponadto pory materiałów MOF mogą być wykorzystywane jako zbiorniki do prowadzenia reakcji chemicznych, czyli jako swego rodzaju zaawansowane nanoreaktory. Do tego możemy dołączyć funkcję katalizatora reakcji, czyli tworzyć systemy „dwa w jednym”. Ale to jest jeszcze przed nami…
Co więcej, bogactwo i różnorodność jednostek budulcowych daje nam praktycznie nieograniczone możliwości nadawania funkcji tym materiałom. W ten sposób tworzymy oryginalne obiekty badawcze, których właściwości i zastosowań jeszcze nie znamy, a rolą chemika jest próba poznania możliwości takich materiałów, czyli działamy na granicy aktualnego stanu wiedzy. Jednocześnie ciągły rozwój technologii i aparatury naukowo-badawczej pozwala nam coraz lepiej rozumieć zaawansowane materiały i prowadzić ich dalszą eksplorację.
Skąd u Pani zainteresowanie akurat tą dziedziną?
– Piękno symetrii i wyjątkowej precyzji z jaką tworzone są struktury krystaliczne sieci MOF, a także ich wyjątkowe właściwości sorpcyjne, są czymś, co szczególnie mnie fascynuje w badaniach nad tymi materiałami. Wszyscy podziwiamy piękno minerałów na wystawach, a to są przecież arcydzieła natury!
Co zdecydowało o obraniu tej naukowej ścieżki?
– O zagadnieniach związanych z chemią supramolekularną i materiałami porowatymi po raz pierwszy usłyszałam na ostatnim roku studiów licencjackich, na wykładach profesora Jerzego Lisowskiego, co niewątpliwie wywarło na mnie ogromne wrażenie i zdeterminowało moje kolejne kroki w karierze naukowej. Zainteresowania naukowe rozwijałam również aktywnie działając w Kole Naukowym Chemików „Jeż”. Naturalnym wyborem okazało się realizowanie pracy magisterskiej (a później także i doktorskiej) pod opieką doktora Wojciecha Burego, który jest wybitnym specjalistą w tej dziedzinie i dał mi możliwość dalszego rozwoju naukowego. Badania nad sieciami MOF to bardzo prężnie rozwijająca się dziedzina nauki o materiałach, którą zajmuje się obecnie wiele grup badawczych na świecie i w Polsce, co czyni ją niesamowicie ciekawą i wciąż zaskakującą.
******
Marzena Pander otrzymała dwa granty badawcze. W latach 2018-2019 jako kierownik projektu realizowała grant z dotacji celowej Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego pt. Projektowanie, synteza i badanie nowych bimetalicznych polimerów nieorganiczno-organicznych z wykorzystaniem tandemowej modyfikacji postsyntetycznej. Drugi to Grant Narodowego Centrum Nauki Preludium – Projektowanie i synteza multifunkcjonalnych kompozytów opartych na sieciach metaliczno-organicznych i polimerach organicznych do separacji małych cząsteczek, który również realizuje jako kierownik projektu. Wielokrotna zdobywczyni stypendiów, nagród na konferencjach w Polsce i zagranicą. Najnowsze to stypendium Fundacji na rzecz Nauki Polskiej w programie START 2023. Tegoroczna finalistka VII Konkursu Młode Talenty.
W poniedziałek 22 maja na uroczystej gali poznamy zwycięzców w każdej z sześciu kategorii konkursu Młode Talenty. Początek uroczystości w Auli Leopoldina Uniwersytetu Wrocławskiego o godz. 19.00. Trzymamy kciuki!
Rozmawiała Katarzyna Górowicz-Maćkiewicz
