Dr inż. Marcin Wysokowski, stypendysta NAWA, uważa, że naśladowanie rozwiązań występujących w naturze, to obecnie jedno z najbardziej obiecujących podejść w projektowaniu i wytwarzaniu zaawansowanych materiałów.

Dr inż. Marcin Wysokowski, stypendysta NAWA, w prestiżowym laboratorium Biomineralogy and Extreme Biomimetics Laboratory na Uniwersytecie Technicznym we Freibergu w Niemczech (Technische Universität Bergakademie Freiberg), opracowywał kompozyty bazujące na szkieletach gąbek morskich, które mogą znaleźć zastosowanie m.in. jako katalizatory lub adsorbenty do neutralizacji toksycznych zanieczyszczeń. W przyszłości możliwe jest też wykorzystanie ich w nowoczesnej inżynierii tkankowej. Naukowiec jest stypendystą programu Bekker NAWA (Program im. Mieczysława Bekkera).

NAWA: W jaki projekt był Pan zaangażowany w ramach stypendium NAWA?

Dr inż. Marcin Wysokowski, Politechnika Poznańska: Celem projektu było opracowanie bio-inspirowanych hybrydowych nanokompozytów łączących ze sobą zalety mikro i mezoporowatych struktur metaloorganicznych o pożądanej topologii zeolitowej wraz z unikatową hierarchiczną strukturą krzemionkowych szkieletów wybranych gąbek morskich.

Zeolitowe struktury imidazolowe (ZIF) zaliczane są do wysokowydajnych materiałów nowej generacji o dobrze rozwiniętej powierzchni właściwej, która może wynosić nawet do 6000 m²/g, a struktura sieci krystalicznej wykazuje obecność wysoce uporządkowanych porów w mikroskali, tym samym oferując wysoką liczbę centrów aktywnych chemicznie, a także funkcjonalność wynikającą z organicznych ligandów.

Dzięki temu, na przestrzeni ostatnich kilku lat, materiały ZIF wzbudziły ogromne zainteresowanie naukowców i obecnie wykorzystywane są w magazynowaniu i separacji gazów, a także w katalizie heterogenicznej. Te metaloorganiczne struktury otrzymywane są w stanie nanometrycznych kryształów, finalnie przyjmując postać proszkową. Jednak do zaawansowanych zastosowań przemysłowych, szczególnie w preparatyce filtrów, kolumn reakcyjnych niezbędne są materiały o trójwymiarowej strukturze 3D gwarantujące odpowiedni transport masy, stabilne mechaniczne i chemicznie.

Zdjęcie wykonane przy pomocy skaningowej mikroskopii elektronowej, przedstawiające unikatową hierarchiczną strukturę biokrzemionkowych szkieletów wybranych gąbek morskich. Zdjęcie: archiwum prywatne dr. inż. M. Wysokowskiego

Co skłoniło Pana do podjęcia akurat tych badań naukowych?

Projektowanie i wytwarzanie innowacyjnych materiałów jest nieustannie wiodącym wyzwaniem we współczesnej chemii materiałowej. Skuteczna preparatyka materiałów spełniających stawiane im rygorystyczne wymogi związane z postępem cywilizacyjnym i technologicznym wymaga niejednokrotnie podejścia multi- oraz interdyscyplinarnego.

W tym kontekście biomimetyka, polegająca na naśladowaniu rozwiązań występujących w naturze, reprezentuje obecnie jedno z najbardziej obiecujących podejść w projektowaniu i wytwarzaniu zaawansowanych materiałów. Kierunek ten prowadzi do nowych odkryć, a także oferuje innowacyjne rozwiązania technologiczne, które docelowo mają poprawić jakość naszego życia. Szczególnego znaczenia w tym obszarze nabierają procesy biomineralizacji. Procesy te przebiegają w bardzo dynamiczny, lecz kontrolowany sposób i są wykorzystywane przez żywe organizmy do rozwoju funkcjonalnych tkanek (biominerałów) takich jak kości, pancerze, zęby czy właśnie krzemionkowe szkielety wybranych gąbek morskich.

Naśladowanie cech nano- i mikrostrukturalnych przy uzyskaniu tak wysokiego stopnia hybrydyzacji biominerałów w materiałach syntetycznych nie jest przedsięwzięciem trywialnym, w większości przypadków wykracza poza możliwości obecnych technologii wytwarzania. Skłania do przemyśleń, czy faktycznie trafnym jest podział na organizmy prymitywne i wyższe, skoro mając wachlarz zaawansowanych technologii, po ponad pięćdziesięciu latach badań, wciąż nie jesteśmy w stanie uzyskać wiernej, syntetycznej kopii np. szkieletów prymitywnych okrzemek, który syntezowany jest przez te organizmy w ciągu kilku minut, często w niesprzyjających warunkach środowiskowych.

Holistyczne poznanie i zrozumienie mechanizmów leżących u podstaw procesów biomineralizacji niewątpliwie będzie kamieniem milowym w biomimetyce. Śmiało można postawić tezę, że adaptacja tych mechanizmów oraz możliwość manipulacji stosowanymi prekursorami przez chemików syntetyków, pozwoli na preparatykę materiałów nieorganiczno-organicznych o właściwościach przewyższających ich naturalne odpowiedniki, a także znane nam dotychczas materiały. Tym samym, odpowiadając na pytanie: zdecydowałem się na taki kierunek badań, ponieważ fascynuje mnie „tajemnica”; „zagadka” leżąca u podstaw tworzenia biominerałów przez organizmy żywe, jak również szeroka paleta możliwości i manipulacji w syntezie bio-inspirowanych struktur, które często prowadzą do powstania materiałów o nieoczekiwanych właściwościach.

Jakie są najważniejsze wnioski z badań?

Początkowo projekt zorientowany był na wykorzystanie naturalnych biominerałów, w postaci szkieletów krzemionkowych, jako nośników dla zeolitowych struktur imidazolowych. Cel projektu został zrealizowany, zaproponowano skuteczną metodę preparatyki wyżej wymienionych materiałów w warunkach syntezy solwotermalnej.

W toku analiz okazało się, że wyselekcjonowane szkielety gąbek morskich ze względu na swoją unikatową strukturę i hierarchiczną organizację włókien są bardzo obiecującymi nośnikami dla zeolitowych struktur metaloorganicznych w celu opracowania materiałów dla zastosowań związanych z adsorpcją, filtracją oraz katalityczną neutralizacją zanieczyszczeń.

Pojawiło się też jakieś nieplanowane odkrycie?

Jak to często w nauce bywa, pewnych odkryć dokonuje się przypadkowo. Tak właśnie było w przypadku odkrycia białka aktyny w bio-krzemionkowych szkieletach gąbek szklanych. Zastosowanie szeregu technik analitycznych dowiodło, że aktyna jako białko pełni rolę strukturalną i jest odpowiedzialna za finalny kształt i rozmiar spikul budujących szkielety krzemionkowe gąbek. Manuskrypt opisujący to odkrycie jest obecnie w trakcie recenzji w bardzo prestiżowym czasopiśmie i niewątpliwie będzie stanowił punkt zwrotny w poznaniu mechanizmów leżących u podstaw biomineralizacji.

W trakcie realizacji stypendium opracowano też materiał grafitowy o unikatowych właściwościach strukturalnych, wykorzystując trójwymiarowe proteinowe szkielety gąbek morskich w roli surowca. Odkrycie to otwiera nowe możliwości dla współczesnej nauki o materiałach, szczególnie w nowej dziedzinie jaką jest „Ekstremalna Biomimetyka”. Wyniki badań zostały niedawno opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „Science Advances”.

Jakie są praktyczne zastosowania badanych materiałów?

Tak jak wspomniałem, wyselekcjonowane szkielety gąbek morskich ze względu na swoją unikatową strukturę są bardzo obiecującymi nośnikami dla zeolitowych struktur metaloorganicznych w celu opracowania materiałów dla zastosowań związanych z adsorpcją, filtracją oraz katalityczną neutralizacją toksycznych zanieczyszczeń. Jednak jestem przekonany, że dalsze badania prowadzone w tym kontekście dowiodą użyteczności tych materiałów również w nowoczesnej inżynierii tkankowej.

Jakie znaczenie w projekcie miała współpraca międzynarodowa?

Biomimetyka jest kierunkiem multidyscyplinarnym, ulokowanym na skrzyżowaniu takich dziedzin nauki jak chemia, biologia, fizyka, inżynieria materiałowa. Na TU Bergakademie Freiberg funkcjonuje jedyne na świecie laboratorium – Biomineralogy and Extreme Biomimetics. Zespół badawczy kierowany przez prof. Hermanna Ehrlicha skupiający specjalistów z różnych dziedzin nauki tworzy międzynarodową, multi- oraz interdyscyplinarną grupę badawczą, zorientowaną na opracowanie nowych metod syntezy zaawansowanych bio-inspirowanych materiałów nowej generacji. Dzięki stypendium miałem również ekskluzywny dostęp do rentgenowskiego lasera w synchrotronowym centrum badawczym w Hamburgu. Jest to najbardziej zaawansowane w Europie przestrajalne laserowe źródło silnego promieniowania w zakresie rentgenowskim. Warto również zauważyć, że instytucja goszcząca realizuje zarówno badania na poziomie podstawowym jak i wdrożeniowym. Ścisła współpraca z Instytutem Chemii Technicznej w zakresie wykorzystania nowatorskich katalizatorów o bio-inspirowanej morfologii pozwoliło na zweryfikowanie ich użyteczności w skali wielkolaboratoryjnej. Wszystkie te czynniki bezsprzecznie przyczyniły się do sukcesu projektu.

Jak stypendium NAWA wpłynęło na Pana rozwój naukowy?

Staż naukowy w renomowanym laboratorium (Biomineralogy and Extreme Biomimetics Laboratory) w TU Bergakademie Freiberg, Niemcy, pod opieką profesora Hermanna Ehrlicha – wybitnego eksperta w zakresie biomineralizacji i biomimetyki, pozwolił mi na zdobycie cennego doświadczenia naukowego, poznanie zaawansowanych technik badawczych, a także nowatorskiego podejścia do zagadnień biomimetyki. Polska nie ustępuje krajom zachodnim w dostępie do zaawansowanej infrastruktury badawczej. Niewątpliwe z tym się zgadzam. Jednak dostęp to nie wszystko, w trakcie realizacji stypendium miałem okazję do konsultacji, wymiany doświadczeń z wybitnymi specjalistami z wieloletnim doświadczeniem, które jest niezbędne w pracy z nowymi materiałami o słabo poznanej i często nieopisanej w literaturze strukturze.

Stypendium przyczyniło się do wzmocnienia jakości prowadzonych badań i rozszerzenia spektrum zagadnień poruszanych w obszarze realizowanej tematyki badawczej. Pod opieką naukową profesora Ehrlicha miałem okazję nauczyć się sposobu rozpowszechniania rezultatów naukowych oraz przygotowywania publikacji naukowych według reguł doskonałości naukowej. Zagraniczny staż naukowy pozwolił mi również na podniesienie kwalifikacji miękkich przez poprawę znajomości języka angielskiego, niemieckiego oraz rosyjskiego, a także umiejętności autoprezentacji i komunikatywności.

Wymiernym efektem realizacji tego projektu jest 15 publikacji w renomowanych czasopismach naukowych, z czego w 7 z nich w roli autora korespondencyjnego. Niewątpliwie, będę kontynuował współpracę z profesorem Ehrlichem aplikując o wspólne granty, przygotowując publikacje naukowe i zgłoszenia patentowe, natomiast zdobyte doświadczenie naukowe będę zaszczepiał na gruncie macierzystej uczelni.

Jeśli miałby Pan zachęcić innych naukowców do udziału w programie Bekker NAWA, to jaka jest największa wartość z pobytu na stypendium NAWA?

Staż naukowy w ramach programu Bekker NAWA pozwala przede wszystkim poświęcić się twórczej pracy naukowej bez obciążeń dydaktycznych i obowiązków administracyjnych, które z mojego punktu widzenia są nadmiernie rozbudowane w krajowych jednostkach. Wielką wartością jest wybór renomowanego ośrodka badawczego pozwalającego na zdobycie cennego doświadczenia w prowadzeniu prac badawczych i zarządzaniu laboratorium, nawiązanie licznych kontaktów i wymianę spostrzeżeń na arenie międzynarodowej, co w efekcie przekłada się na zwiększenie dorobku publikacyjnego.

Dlatego uważam, że udział w programie Bekker NAWA i staż w zagranicznym ośrodku badawczym powinien leżeć u podstaw wszystkich osób świadomie planujących swoją karierę naukową. Jako były stypendysta programów finansowanych przez MNiSW, NCN oraz DAAD sądzę, że aspekt finansowy jest również motywujący naukowców do udziału w programie Bekker NAWA, oferowane stypendium w niczym nie ustępuje programom wyżej wymienionych agencji i instytucji, pozwalając w zupełności pokryć koszty wyjazdu i funkcjonowania za granicą.

Dziękujemy za rozmowę. 

Dr inż. Marcin Wysokowski od 2015 r. jest zatrudniony jako asystent na Wydziale Technologii Chemicznej Politechniki Poznańskiej. Jego badania naukowe zorientowane są na opracowanie fundamentalnych zasad Ekstremalnej Biomimetyki. Celem tych badań jest synteza nowej generacji biologicznie inspirowanych materiałów o szerokim spektrum aplikacyjnym. Jest laureatem licznych krajowych oraz międzynarodowych stypendiów i projektów naukowych wspierających zagraniczne staże naukowe i mobilność naukowców (m.in. Mobilność Plus, Era Inżyniera, DAAD-Deutscher Akademischer Austauschdienst, NCN Etiudaoraz NAWA). Dzięki temu realizował prace badawcze w renomowanej grupie badawczej Biomineralogy and Extreme Biomimetics -Profesora Hermanna Ehrlicha z TU Bergakademie Freiberg (Niemcy). Doświadczenie zdobyte w uznanym zagranicznym ośrodku badawczym z powodzeniem zaszczepia na gruncie macierzystej uczelni. W 2018 roku uhonorowany stypendium dla wybitnych młodych naukowców przyznawanym przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego, Stypendium START 2017 przyznawanym przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej skierowanym dla wybitnych badaczy przed trzydziestym rokiem życia reprezentujących wszystkie dziedziny nauki. Jest autorem ponad 70 publikacji, których liczba cytowań (bez autocytowań) wynosi 1306, natomiast H-index 20, co dowodzi, że podjęta tematyka otwiera nowe perspektywy badawcze i tworzy nowe wartości w nauce. Prywatne zainteresowania to przede wszystkim łowiectwo, jest myśliwym, członkiem Polskiego Związku Łowieckiego. (Zdjęcie: archiwum prywatne dr. inż. M. Wysokowskiego).

Jak dostać grant NAWA w ramach programu Bekker NAWA (Programu im. Mieczysława Bekkera)? 

Szczegółowe informacje o programie NAWA znajdują się TUTAJ

Zdjęcie na stronie głównej: ©denissimonov - stock.adobe.com