Gdy dr Andrzej Swinarew rozpoczynał pracę naukową pod czujnym okiem nieżyjącego już prof. zw. dr. hab. inż. Andrzeja Stolarzewicza, nie przypuszczał, jak szerokie zastosowanie będą mieć badane przez niego polimery syntetyczne o właściwościach fotoluminescencyjnych. Czując się odpowiedzialnym za prace rozpoczęte w zespole swojego opiekuna naukowego, postanowił kontynuować badania i zgromadził grupę naukowców pracujących nad właściwościami tych fascynujących materiałów.

Obraz świecących polimerów pod wpływem działania promieni ultrafioletowych

Odpowiedzialność i… pasja

Ogromnym osiągnięciem zespołu badawczego było wyprodukowanie polimeru fotoluminescencyjnego świecącego na kolor niebieski, co stanowiło duże wyzwanie. Odkrycie zostało natychmiast opatentowane. Prowadzone od wielu lat badania nad właściwościami owych materiałów pozwalają spodziewać się dalszych sukcesów, a wszystko to odbywa się w najbardziej odległym sektorze A w budynku przy ul. Bankowej 14 w Katowicach, gdzie znajduje się pracownia polimerowa Instytutu Nauki o Materiałach UŚ. Pierwsze drzwi po prawej stronie to pokój nr 105, a w środku – trzy stanowiska komputerowe. Przy każdym zaś jeden pracownik: mgr Marta Łężniak, mgr Jadwiga Gabor oraz kierownik projektu badawczego, dr Andrzej Swinarew.

W zespole pracują również prof. UŚ dr hab. Zbigniew Grobelny, dr inż. Sylwia Golba oraz mgr Magdalena Szklarska. Na początku grupa zajmowała się zastosowaniem monomerów fotoluminescencyjnych do syntezy polimerów o takich właściwościach. Dopiero później okazało się, jak bardzo te materiały opanowały rynek. Potem zaczęły się eksperymenty z nowymi związkami i substancjami, które umożliwiły badanie zmieniających się właściwości polimerów. Dzięki temu zespół może pochwalić się pięcioma patentami, przy czym przygotowywane są już kolejne zgłoszenia. Udało się, między innymi, uzyskać specjalne włókna fotoluminescencyjne, które posłużą do zabezpieczenia takich materiałów, jak dokumenty państwowe, banknoty czy dokumenty certyfikowane. Włókna wbudowane w materiał emitują bowiem odpowiednią długość fali podczas naświetlania. W Muzeum Papiernictwa w Dusznikach Zdroju, przy współpracy z dziekanem Politechniki Łódzkiej, wykonane zostały testy, eksperyment zakończył się sukcesem.

Cel projektu jest rozbudowany. Jak tłumaczy dr Swinarew, chodzi o to, aby otrzymany materiał nie tylko jak najlepiej odwzorowywał wybrany kolor, lecz również był możliwie najbezpieczniejszy dla środowiska, długotrwały i odporny na działanie warunków atmosferycznych. Zastosowanie jest szerokie. Jednym z przykładów są wszelkiego rodzaju wyświetlacze. Naukowcy pracują nad tym, by OLED-y (Organic Light-Emitting Device), którymi się zajmują, nie miały krótszego okresu działania od popularnych dziś ekranów plazmowych czy LCD.

Grupa badawcza dr. Andrzeja Swinarewa: na górze od lewej: dr inż. Sylwia Golba, mgr Magdalena Szklarska, prof. UŚ dr hab. inż. Zbigniew Grobelny, inż. Mateusz Fornal. Na dole od lewej: mgr Marta Łężniak, mgr Jadwiga Gabor, dr Andrzej Swinarew

W badaniach zespołowych bardzo ważny jest podział pracy. Dr Swinarew zajmował się na początku syntezą monomerów o właściwościach fotoluminescencyjnych. Odbył staż w zespole profesora Juozasa Vidasa Gražulevičiusa w Kowieńskim Uniwersytecie Technologicznym i tam, między innymi, uczył się syntezy, modyfikowania i oczyszczania owych związków, zmianą ich właściwości spektralnych itd. W obecnej chwili tą przestrzenią zajmuje się prof. UŚ dr hab. Zbigniew Grobelny.

Jedna z doktorantek mgr Marta Łężniak zajmuje się polimerami o podwyższonej masie cząsteczkowej, które można poddać modyfikacjom, otrzymując materiały świecące różnymi kolorami. Praca drugiej, mgr Magdaleny Szklarskiej, obejmuje etapy od tworzenia monomerów fotoluminescencyjnych aż do uzyskania polimerów o podwyższonej masie cząsteczkowej. W tym punkcie łączy się działanie obu doktorantek. Podwyższona masa cząsteczkowa odpowiedzialna jest za lepsze właściwości fizyko-chemiczne materiału polimerowego, wzrasta bowiem jego odporność na działanie czynników atmosferycznych takich, jak promieniowanie ultrafioletowe, na rozciąganie, wydłuża się również czas luminescencji takiego materiału. – Jeżeli jednak jakiś materiał ładnie świeci, nie chce jednocześnie dawać polimeru o wysokiej masie cząsteczkowej, i odwrotnie, jeśli są polimery o wysokiej masie cząsteczkowej, bardzo odporne, to nie chcą ładnie świecić. Dlatego szukamy najbardziej optymalnego rozwiązania – tłumaczy dr Swinarew, który obecnie zajmuje się głównie przygotowywaniem projektów od strony merytorycznej i teoretycznej. Projektuje również i analizuje układy przy użyciu spektrometrów masowych, badając własności foto- i elektroluminescencyjne, w tym pomiar czasu, po jakim dany materiał przestaje być po prostu użyteczny.

Droga przez laboratorium

Okazuje się, że dalsze pomieszczenia sektora A kryją wiele specjalistycznych urządzeń, część z nich to unikaty na skalę światową. Dr Swinarew, oprowadzając po tym doskonale wyposażonym laboratorium, niemalże jednym tchem wymienia nazwy, zastosowanie i specyfikę poszczególnych urządzeń. Dodaje również, że jest to jedno z najlepiej wyposażonych laboratoriów w Polsce. Na sukces grupy składa się nie tylko ciężka praca włożona w projekt przez poszczególnych członków, lecz również jakość tych urządzeń, bez których wiele analiz byłoby niemożliwych. – Pani Marta Łężniak opiekuje się w tej chwili FTIRem, służącym do oznaczania grup funkcyjnych w podczerwieni. Posiadamy również najmocniejszy w Europie system do UHPLC (Ultra High Performance Liquid Chromatography) – wymienia kierownik projektu. Jak wyjaśnia, jest to chromatografia cieczowa służąca separacji i identyfikacji związków. Okazuje się, że nie wystarczy uzyskać dany materiał, należy go również dokładnie scharakteryzować. Synteza nie zawsze idzie po myśli syntetyka, trzeba więc każdorazowo sprawdzić efekt swojej pracy.

Dr Andrzej Swinarew podczas oprowadzania po laboratorium pracowni polimerowej Instytutu Nauki o Materiałach UŚ

W laboratorium znajduje się również chromatograf żelowy do analizy materiałów wysokocząsteczkowych z detektorem rozproszenia światła i, wreszcie, unikat na skalę światową, o którym z dumą wspominają członkowie grupy – MALDI-TOF/TOF MS-MS, który znajduje się pod czujnym i niezawodnym okiem mgr Jadwigi Gabor. Jest to analizator laserowy czasu przelotu wyposażony w podwójny tor analityczny oraz celę kolizyjną do możliwości fragmentacyjnych, który mierzy bezwzględne masy cząsteczkowe substancji. Na podstawie fragmentów powstających w wyniku rozkładu danego związku, naukowcy mogą mówić o jego budowie wewnętrznej: z jakich elementów się składa, ile ich jest, jak są połączone i jakie tworzą struktury.

– Jednym z najbardziej skomplikowanych sprzętów w tej chwili u nas w zakładzie jest urządzenie do sprawdzania czystości i jakości używanych reagentów. Kupując odczynnik z certyfikatem, nie zawsze mamy pewność co do jego czystości, możemy więc go sprawdzić. Ta właściwość może mieć kapitalne znaczenie dla syntezy polimerów – wyjaśnia dr Swinarew. Dzięki temu grupa może także współpracować chociażby z policją, identyfikując substancje niebezpieczne znajdujące się na przykład w tabletkach. Takie zlecenia również są realizowane.

Liczy się powtarzalność

Naukowcom udało się już uzyskać materiał o podwyższonej masie cząsteczkowej, ale, póki co, nie można jeszcze mówić o powtarzalności, która dopełniłaby owego sukcesu. Polimerem wyjściowym są poliole. Wystarczy niewielka modyfikacja budowy takiej substancji i już zmienia się jego właściwość. Okazuje się, że ten sam materiał może równie dobrze zostać zastosowany w górnictwie, jak również do produkcji pian poliuretanowych służących do montowania okien, w syntezie materiałów budowlanych czy w postaci polimeru świecącego do budowy wyświetlacza telewizora. Można z nich przygotować także fantomy do prognozowania leczenia guza mózgu w onkologii. Wystarczy jednak zmiana w składzie substancji rzędu 1 promila i już otrzymywane są inne właściwości. Dlatego skład ten musi być powtarzalny i to właśnie stanowi największe wyzwanie dla techników. – Musimy w taki sposób dopasować parametry, aby za każdym razem otrzymywać to, czego oczekujemy. Posiadamy dane, ale czasem jest to kwestia temperatury otoczenia, wilgotności, a nawet tego, w jaki sposób dana substancja jest wkraplana do reaktora. Dlatego tak trudno o tę powtarzalność – wyjaśnia mgr Łężniak.

Dotychczasowe osiągnięcia pozwoliły również wyjść zespołowi z konkretną ofertą na rynek. – Nawiązaliśmy już współpracę z firmą, która chce od nas kupić te rozwiązania, mamy także jedno wdrożenie w produkcji pian poliuretanowych. Staramy się ponadto o wprowadzenie na rynek materiałów fotoluminescencyjnych – wymienia dr Swinarew. Jak dodaje, ostatnio zostało również podpisane konsorcjum pomiędzy Uniwersytetem Śląskim, Instytutem Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników oraz właścicielem Przedsiębiorstwa Robót Izolacyjnych Pamar Marianem Pawelakiem, który jest zainteresowany kupnem i wdrożeniem otrzymanych materiałów o podwyższonej odporności mechanicznej na ścieranie, zgniatanie i rozciąganie oraz materiałów fotoluminescencyjnych. W ten sposób rozwiązania stanowiące wynik prac naukowców zostaną skomercjalizowane i wyjdą poza uczelnianie mury.

Uzyskane efekty są widoczne dzięki zaangażowaniu wszystkich członków zespołu. Jak wspomina mgr Łężniak, zdarzało się często, że po wyjściu z uczelni grupa kontaktowała się jeszcze dodatkowo za pośrednictwem komunikatora, opracowując do późnych godzin nocnych wspólny projekt. Dr Swinarew potrafi najwyraźniej zarażać pozytywną energią i mobilizować członków swojego zespołu do przyjemnej, chociaż trudnej pracy.