Pod szkłem mikroskopu Urszuli Stachewicz spotkały się dwie półkule, niczym dwa światy: Antarktydy i zimnych mórz półkuli południowej oraz Arktyki położonej po północnej stronie ziemskiego globu. Z Antarktydy wzięła jedno pióro. Z Arktyki – włos. Naukowczyni – inżynier AGH, która badania do magisterium wykonywała w Instytucie Maxa Plancka w Poczdamie, doktorat napisała w uniwersytecie w Delft i Philips Research w Eindhoven, a staż podoktorski spędziła w Queen Mary University w Londynie – zajmuje się biomateriałami i ceni naturę za jej prostotę. Funkcjonujące w przyrodzie rozwiązania, które za sprawą ewolucji są ergonomiczne i skrojone na miarę gatunkowych potrzeb, to dla niej źródło pomysłów, np. w pracach nad skonstruowaniem instalacji termicznych. Zbudowane z nanowłókien kompozyty będą posiadać właściwości izolatorów – dla pochłaniania energii, akumulatorów, by magazynować jej nadmiar, i generatorów, kiedy pojawi się potrzeba skorzystania ze zgromadzonych nadwyżek. Mają więc działać tak, jak pingwinie pióro czy włos z futra arktycznego niedźwiedzia.
Artykuł publikujemy w ramach trwającej właśnie kampanii FNP: „Nauka pomaga. Pomóż nauce! Przekaż 1,5% na #START młodych naukowców”.
Krótkie i sztywne pióra pingwinów (Sphenisciformes), nazywane przez ornitologów łuskowatymi, ułożone są bowiem jak dachówki na domu. Zachodzą na siebie, tworząc trzywarstwową otulinę zdolną ochronić przed mrozem, wiatrem i wilgocią. Dodatkową barierę zabezpieczającą przed zimnem tworzą wypełnione powietrzem przestrzenie między piórami. Struktura pokrywająca ptasie ciało jest dzięki tym rozwiązaniom tak zwarta, że bardziej przypomina futro niż układ piór. Włos niedźwiedzia polarnego (Ursus maritimus) jest z kolei pusty w środku i półprzezroczysty. Futro, które odbijane światło zmienia optycznie w śnieżnobiałe, wyrasta gęsto z czarnej skóry, więc idealnie pochłania światło i działa jak szklarnia, zamieniając promienie słońca w przyjemne kilodżule ocieplające największego ssaka w Arktyce. Pod mikroskopem badaczki znalazły się także włosy kaktusa, które jako jedyne w świecie roślin są zbudowane z keratyny – tego samego białka, które tworzy ludzkie włosy, pióra pingwina i futro polarnego niedźwiedzia.
I pomyśleć, że kiedy młodziutka Urszula została studentką Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki AGH, ktoś z rodziny zapytał, czy zamierza po dyplomie opracowywać receptury cegieł? Dociekliwy krewny nie potrafił wyjść poza stereotyp myślenia o inżynierii materiałowej, bo nie znał jej fascynujących możliwości, które otworzyła multidyscyplinarność. W przypadku Urszuli zdobywana samodzielnie wiedza z biologii, która intrygowała ją już w licealnych czasach podczas pierwszych lektur „National Geographic”, stała się kluczowa w projektowaniu innowacyjnych materiałów izolacyjnych. Zbudowane w oparciu o mechanizmy poznane w pingwinich piórach czy włosach kaktusa pozwolą stworzyć włókniste membrany o porowatości przekraczającej 90 proc., które będą zdolne – w zależności od zapotrzebowania – magazynować albo uwalniać ciepło. Powstaną z włókien polimerowych, z których każde ma średnicę milion razy mniejszą od milimetra, wyprodukowanych w procesie elektroprzędzenia. Jeśli znajdą zastosowanie, np. w budownictwie, infrastrukturze okablowania czy produkcji urządzeń elektronicznych, pozwolą zmniejszyć zużycie energii. Co równie ważne w świecie nadmiaru wszystkiego, przede wszystkim śmieci: zbudowane z nanowłókien membrany mają poddawać się recyklingowi, a finalnie ulegać biodegradacji. Europejska Rada ds. Badań Naukowych w 2020 roku, honorując projekt profesor Stachewicz wyróżnieniem ERC Starting Grant, przyznała na kilka lat prac jej 10-osobowego zespołu 1,7 miliona euro.
Natura niszczona przez ludzi rabunkową gospodarką i wynikającą z tego nadprodukcją posiada rozwiązania, które mogą uratować człowieka przed nim samym. Wystarczy poznać jej precyzyjne mechanizmy, do których poza wiedzą i pomysłowością potrzeba jeszcze wrażliwego serca i czułego oka. Inżynier Stachewicz najwidoczniej je posiada, bo nie brakuje jej pomysłów na wykorzystanie wiedzy o przyrodzie. Jeden z nich pojawił się, kiedy dziewięć lat temu przyszła na świat jej córka. Atopowe placki na skórze malutkiej Joanny – suche, zaczerwienione i swędzące – z trudem poddawały się działaniu kolejnych balsamów, zwłaszcza że dziecko nie znosiło opatrunków.
„Od czego mam moje nanowłókna?” – pomyślała wtedy Urszula, składając do FNP wniosek o dofinansowanie w ramach programu FIRST TEAM. Materiał, elektroprzędzony z roztworu polimeru, można bowiem wykorzystać na różne sposoby. Wytrzymały niczym pajęcza sieć i rozciągany nad polami wyłapuje krople wody z mgły, pomagając w nawodnieniu rejonów, które wysusza ocieplający się klimat. Te same nanowłókna wplecione w sweter, odpowiednio pocierane, mogą produkować ładunki elektryczne, zdolne zasilić np. baterię telefoniczną. Można je też nasączyć olejem z czarnuszki (Nigella L.), konopi (Cannabis L.) albo wiesiołka (Oenothera biennis L.), który porowata struktura materiału potrafi zatrzymać przy skórze do ośmiu godzin, podwyższając jej nawilżenie o co najmniej 20 proc. Wtedy nic nie swędzi, więc nie prowokuje drapania, a bakterie nie znajdują podłoża do rozwoju infekcji. Tak przynajmniej wynika z badań profesorów Jakuba Fichny i Macieja Salagi z Zakładu Biochemii Uniwersytetu Medycznego w Łodzi, którzy opatrunki wymyślone przez Urszulę Stachewicz przetestowali na myszach z atopowym zapaleniem skóry.
Prosty pomysł doprowadził polską inżynier i stworzony przez nią zespół do nawiązania wielu cennych współprac, które z kolei pozwoliły poszerzyć badania o kolejne wątki, a finalnie zastrzec kilka patentów. Dotyczą one m.in. tworzenia opatrunków na bazie skrobi i wykorzystania kurczliwych membran z nanowłókien w produkcji naturalnych opakowań na żywność. Co niemniej ważne, bez dofinansowania badań z FNP nie pojawiłby się w laboratorium profesor Stachewicz mikroskop konfokalny, zapewniający trójwymiarowe powiększenie obrazu oglądanego obiektu. Nie byłoby możliwe zatrudnienie na stażu podoktorskim biofizyka, którego zaangażowanie było kluczowe w prowadzeniu projektów opatrunkowych. Last but not least: nie powstałyby cztery prace doktorskie i dwadzieścia dziewięć publikacji – to wynik niełatwy do osiągnięcia w przypadku projektów naukowych.
To oczywiste, że prosty pomysł, którego realizacja okazała się tak owocna, bez pieniędzy pozostałby wyłącznie w sferze projektów, ale wbrew pozorom nie tylko one determinują rozwój badań, także tych prowadzonych przez Urszulę Stachewicz. Do przodu pcha ją ciekawość. Umieszcza więc pod mikroskopem różne obiekty, choćby gadzią wylinkę przyniesioną przez jej dzieci ze spaceru, przekonana, że kryje się w nich wiele odpowiedzi. Także na niezadane jeszcze pytania.
Prof. dr hab. inż. URSZULA STACHEWICZ – laureatka programu FIRST TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie
Rozmawiała i opracowała tekst Anna Mateja
Nauka pomaga. Pomóż nauce!
Przekaż 1,5% podatku na #START młodych naukowców!
KRS Fundacji na rzecz Nauki Polskiej: 0000109744