Nauki o polimerach i wielofunkcyjnych nanomateriałach

Nauki o polimerach i wielofunkcyjnych nanomateriałach – obejmuje następujące obszary: naukę o polimerach, multidyscyplinarne badania materiałowe i chemię stosowaną. Kierownikiem jest prof. dr hab. Wojciech Kujawski.

Działalność naukowa pola badawczego “Nauki o polimerach i wielofunkcyjnych nanomateriałach” koncentruje się na trzech, wzajemnie się zazębiających, obszarach tematycznych:

1. Otrzymywanie i charakterystyka nowych materiałów polimerowych, a w szczególności mieszanin oraz mikro- i nanokompozytów na bazie polimerów syntetycznych i naturalnych przeznaczonych głównie do zastosowań biomedycznych, kosmetycznych i opakowaniowych.
2. Modyfikacja membran polimerowych i ceramicznych w celu uzyskania materiałów o nowych lub ulepszonych właściwościach separacyjnych i transportowych.
3. Wielofunkcyjne materiały i nanomateriały, zwłaszcza nanomateriały węglowe (m.in. grafen, nanorurki, nanorogi, nanodiamenty). Badania mają na celu znalezienie potencjalnych zastosowań nowych nanomateriałów jako np. nośników leków, katalizatorów, czujników, pokryć powierzchni o kontrolowanej zwilżalności, czy powierzchni o kontrolowanej toksyczności.

Chemia polimerów i materiałów wielofunkcyjnych, w tym ceramicznych i węglowych jest obecnie szybko rozwijającą się dyscypliną nauki. Modyfikacja polimerów metodami chemicznymi oraz fizycznymi np. fotochemiczna modyfikacja powierzchni, procesy szczepienia i foto(ko)polimeryzacji prowadzą do otrzymania związków fotoczułych oraz związków o aktywności biologicznej np. bakteriobójczych. Prowadzone będą badania nad układami biodegradowalnymi i fotodegradowalnymi, a także usieciowanymi (tj. żelami otrzymywanymi w procesie szybkiej fotopolimeryzacji z udziałem monomerów wielofunkcyjnych). Celem prowadzonych badań jest też opracowanie metody otrzymywania nanokrystalicznych polisacharydów wzbogacanych w reaktywne grupy aldehydowe zdolne do efektywnego sieciowania polimerów, a następnie otrzymanie nowych materiałów i zbadanie ich właściwości fizykochemicznych. Celem pośrednim jest również opracowanie wydajnej metody pozyskiwania polisacharydów z odpadów roślinnych i makulatury. Modyfikowane polisacharydy będą badane pod kątem możliwości ich zastosowania w uzdatnianiu wody pitnej. Odrębną grupę badanych materiałów stanowią kompozyty poliolefinowe z napełniaczami nieorganicznymi, przeznaczone do wytwarzania czujników piezoelektrycznych w mikroelektronice.

Membrana to przegroda rozdzielająca dwie fazy, pozwalająca na selektywny lub preferencyjny transport wybranych składników mieszanin, przy zastosowaniu odpowiedniego bodźca (mechanicznego, chemicznego lub elektrycznego). Potrzeba wytwarzania nowych materiałów membranowych oraz modyfikacji już istniejących jest źródłem inspiracji dla wielu badaczy. Sprawdzone materiały membranowe próbuje się modyfikować, co prowadzi do polepszenia ich właściwości separacyjnych i transportowych. Wytwarzanie materiałów o kontrolowanych właściwościach ma bardzo istotne znaczenie z aplikacyjnego punktu widzenia. Takie “sterowanie” właściwościami można prowadzić poprzez przyłączanie odpowiednich cząsteczek (np. silanów) do powierzchni materiałów, np. nieorganicznych materiałów ceramicznych. Badania dotyczą projektowania i wytwarzania innowacyjnych materiałów hybrydowych (organiczno-nieorganicznych) o przewidywalnych właściwościach materiałowych i transportowo-separacyjnych. Bardzo istotnym zadaniem będzie poznanie i zrozumienie mechanizmu modyfikacji (funkcjonalizacji) prowadzonej w różnych warunkach eksperymentalnych. Przygotowane materiały będą testowane w wybranych procesach rozdzielczych. Bardzo ciekawym elementem badań jest planowana immobilizacja enzymów na powierzchni ceramicznego podłoża i określenie, w jakiś sposób tak zmodyfikowana powierzchnia zmienia swoje właściwości fizykochemiczne. Do opisu zjawisk transportowo-separacyjnych wykorzystane zostaną także teorie modelowe.

W zakresie nanomateriałów węglowych prowadzone są badania nad ich zastosowaniem w dziedzinie adsorpcji, zwilżania, czujników i aktywności biologicznej. Dodatkowo prowadzone są obliczenia teoretyczne: symulacje komputerowe i obliczenia kwantowe związane ze zjawiskami międzyfazowymi. Nowe nanomateriały jako nośniki leków to jeden z najbardziej eksplorowanych obecnie obszarów tzw. nanomedycyny. Materiały węglowe jako biozgodne cieszą się tutaj ogromnym zainteresowaniem. W tym obszarze zespół planuje badać zastosowanie np. nanorogów czy nanodiamentów pod kątem zdolności kumulacji – uwalniania leków, posiadając współpracę z ośrodkami w kraju i za granicą (m.in. w Japonii). Badania nad czujnikami czy zastosowaniem nanomateriałów węglowych w gromadzeniu energii ma na celu głównie prace nad zastosowaniem grafenu i jego modyfikowanych form, przy czym w tym obszarze współpraca odbywa się z renomowanymi ośrodkami krajowymi i zagranicznymi (głównie Korea). Trzecia grupa badań dotyczy wytwarzania powierzchnio o kontrolowanej zwilżalności. Stosowanie różnorodnych metod deponowania nanomateriałów na powierzchniach, jak i ich dalszej modyfikacji ma na celu wytwarzanie powierzchni superomnifobowych. Badaniom eksperymentalnym we wszystkich wspomnianych obszarach towarzyszą prace teoretyczne, głównie obliczenia kwantowe i symulacje komputerowe.

W ramach pola badawczego przewidziana jest ścisła współpraca ze specjalistami z Wydziału Biologii i Nauk Weterynaryjnych, Wydziału Fizyki, Astronomii oraz Informatyki Stosowanej, a także z chemikami organikami z Wydziału Chemii.

Część biologiczna badań w ramach emerging field (EF) dotyczyć będzie oceny cytotoksyczności materiałów polimerowych, biomateriałów i nanomateriałów o potencjalnym znaczeniu biomedycznym. Ocena cytotoksyczności prowadzona będzie na dostępnych komercyjnie liniach komórkowych (fibroblasty skóry ludzkiej, fibroblasty mysie 3T3, nabłonek płuc etc.) zgodnie z normą ISO 10993 przewidzianą dla testów materiałów wchodzących w kontakt z komórkami ludzkich tkanek. Badania przesiewowe oparte na teście metabolicznym (test MTT) oraz teście wychwytu zwrotnego czerwieni obojętnej (test NRU) pozwolą na określenie stopnia toksyczności lub jej braku i/lub eksperymentalne wyznaczenie stężenia efektywnego EC50. Bardziej szczegółowe testy umożliwią poznanie ewentualnych mechanizmów uszkodzenia komórek. Potwierdzenie braku efektu cytotoksycznego dla danego materiału umożliwi dalsze jego wdrażanie w zastosowaniach biomedycznych. Natomiast poznanie charakteru uszkodzeń w komórkach może skutkować celową i ukierunkowaną modyfikacją materiałów pod kątem uzyskania przez nie biokompatybilności.

Chemia organiczna posiada szczególne zadania, począwszy od syntezy odpowiednich związków o specyficznych właściwościach (absorpcja, fluorescencja, wiązanie jonów i inne) po projektowanie geometrii cząsteczek w taki sposób, aby było możliwe ich inkorporowanie w polimerach, w membranach czy na powierzchni ciał stałych. Takie operacje powodują modyfikację materiałów, z możliwością optymalizacji ich właściwości dla celów analitycznych (rozpoznawanie molekularne), katalitycznych (osadzanie na ciałach stałych), czy do prowadzenia procesów w warunkach przepływowych. Badania z pogranicza chemii supramolekularnej oraz fizykochemii polimerów i nanomateriałów doprowadzą do poznania mechanizmów, które pozwolą na ulepszanie obecnych materiałów oraz dokładniejsze ich projektowanie w przyszłości.

Prof. dr hab. Wojciech Kujawski – urodził się w roku 1955 w Ostródzie. Jako laureat Konkursu Chemicznego organizowanego przez prof. Antoniego Swinarskiego, w roku 1974 rozpoczął studia na Wydziale Matematyki, Fizyki i Chemii UMK, na kierunku chemia stosowana. Po ukończeniu studiów, w roku 1979 rozpoczął studia doktoranckie pod opieką prof. Anny Narębskiej. Zatrudniony w Zakładzie Chemii Fizycznej (obecnie Katedra Chemii Fizycznej i Fizykochemii Polimerów) w roku 1983. W roku 1985 obronił pracę doktorską “Izotermiczny transport jonów i wody przez membranę Nafion 120 w roztworach NaOH na podstawie liniowej termodynamiki nierównowagowej”. Stopień doktora habilitowanego uzyskał w Polsce (w 2008 roku – za prace związane z rozdzielaniem mieszanin ciekłych techniką perwaporacji próżniowej) oraz we Francji (w 2011 roku – za prace opisujące właściwości równowagowe i transportowe membran jonowymiennych w kontakcie z mieszaninami wodno-organicznymi). Od 2012 roku zajmuje stanowisko profesora nadzwyczajnego w Katedrze Chemii Fizycznej i Fizykochemii Polimerów. Od roku 2017 pełni funkcję Kierownika Katedry. Działalność naukowa prof. Kujawskiego związana jest z właściwościami równowagowymi, separacyjnymi i transportowymi membran polimerowych i ceramicznych, a także modyfikacji membran w celu uzyskania materiałów o nowych lub ulepszonych właściwościach. Opublikował ponad 130 prac naukowych (Web of Science), aktywnie współpracując z wieloma ośrodkami zagranicznymi, m.in. we Francji, Austrii, Hiszpanii, Australii, Zjednoczonych Emiratach Arabskich, Jordanii oraz na Ukrainie. Wyniki prac były wielokrotnie cytowane w publikacjach innych autorów, a także przedstawiane podczas krajowych i międzynarodowych konferencji naukowych. Prof. Kujawski był wielokrotnie nagradzany przez JM Rektora UMK za osiągnięcia w działalności naukowo-badawczej i organizacyjnej. Jest Przewodniczącym Rady ds. Innowacji i Wdrożeń UMK. Jest współzałożycielem Polskiego Towarzystwa Membranowego, będąc jego Prezesem w kadencjach 2015-2018 i 2019-2022. Należy także do Europejskiego Towarzystwa Membranowego. Prof. Wojciech Kujawski wypromował 4 doktorów, sprawuje opiekę nad kolejnymi 4 doktorantami. Realizuje także granty z NCN, NCBR oraz NATO.