Polimery użytkowe, nanomateriały, membrany i kompozyty

Lider grupy – prof. dr hab. Wojciech Kujawski

Zespół Emerging Field “Polimery użytkowe, nanomateriały, membrany i kompozyty” składa się z naukowców na różnych etapach kariery zawodowej. Zdobyte dotychczas doświadczenie w realizacji poprzedniego projektu Emerging Field pozwala zaplanować dalszy rozwój naukowy, koncentrując się zarówno na silnej współpracy wewnętrznej, jak i międzynarodowej podczas realizacji projektów wchodzących w obszar EF (sites.google.com/view/membranesncu/emerging-fields). Głównym celem naukowym zespołu jest skupienie się na badaniach układów opartych na polimerach i nanomateriałach przeznaczonych do zastosowań w nowoczesnych technologiach. Wybrane układy nie są opisane w aktualnej literaturze, dlatego te nowe materiały i ich zastosowania potencjalnie przyczynią się do innowacyjności i konkurencyjności gospodarki krajowej i światowej.

Dzięki połączeniu nowatorskiej nauki o materiałach i membranach można przygotować materiały o dostosowanej morfologii do kontrolowanego rozdzielania. Niezbędna jest modyfikacja zarówno nanoarchitektury powierzchni, jak i struktury membrany. W ramach projektu, zostaną przygotowane i scharakteryzowane gęste i porowate membrany polimerowe z komercyjnymi i syntetycznymi nanonapełniaczami. Ponadto membrany zawierające wypełniacze zostaną przetestowane pod kątem zastosowań w perwaporacji (PV), termoperwaporacji (TPV), separacji gazów (GS) i destylacji membranowej (MD). Opracowane zostaną nanonapełniacze z grupy MOF i COF, zarówno niemodyfikowane, jak i dodatkowo sfunkcjonalizowane (np. poprzez wprowadzenie grup funkcyjnych czy pożądanej wielkości porów w strukturze). Celem tej funkcjonalizacji jest poprawa powinowactwa między membraną a separowaną mieszaniną w separacji gazów i cieczy. Modyfikacja membrany zostanie przeprowadzona również z naturalnie występującymi cząsteczkami, m.in. kwas merystynowy lub garbnikowy do modyfikacji hydrofobowości i szorstkości materiałów. Modyfikacja hydrofobowości i właściwości adhezyjnych zostanie wykonana za pomocą nanocząsteczek ceramicznych, czyli tlenków metali ziem rzadkich (REMO). Wprowadzenie REMO do matrycy polimerowej nastąpi również podczas formowania membran techniką elektroprzędzenia. Badania będą prowadzone w ścisłej współpracy z wiodącymi grupami naukowymi we Francji, Włoszech, Zjednoczonych Emiratach Arabskich i Arabii Saudyjskiej.

Planowana jest również synteza i charakterystyka grafenu (GR) i jego hybryd z tlenkami metali (MeOx) w celu utworzenia nanomateriałów węglowych (CNM). Nowe katalizatory zawierające GR i wybrany MeOx zostaną zsyntetyzowane z przeznaczeniem do rozszczepiania wody i wytwarzania wodoru. Opracowana zostanie strategia syntezy uwzględniająca dużą zmienność MeOx. Badania skoncentrują się również na strukturyzacji 3D płatków GR, uprzednio eksfoliowanych z komercyjnego proszku grafitowego. Przeprowadzone zostaną także badania nad GR i jego hybrydami z MeOx w reakcji wydzielania tlenu i reakcji wydzielania wodoru. W celu potwierdzenia przydatności otrzymanych katalizatorów w reakcjach rozszczepiania wody przewiduje się wykonanie pomiarów elektrochemicznych. Zostaną zsyntetyzowane nowe materiały elektrodowe niezawierające metali szlachetnych.

Przeprowadzone zostaną również badania nad wykorzystaniem CNM w zastosowaniach biologicznych oraz w badaniach powierzchni o właściwościach przeciwoblodzeniowych. Ostatnio, po raz pierwszy wykazano wpływ węglowodorów obecnych się w powietrzu na zamarzanie kropel wody. Występowanie tego zjawiska na nowych superhydrofobowych i superomnifobowych powierzchniach zawierających CNM będzie oceniane w kontrolowanej atmosferze. Biorąc pod uwagę nowe materiały przeciwoblodzeniowe, otrzymane zostaną powierzchnie superomnifobowe zawierające fluor na bazie nanorogów węglowych z wykorzystaniem fluorku tetrafluoroetyleno-sześciofluoropropylenu-winylidenu (terpolimer THV). THV nie był jeszcze stosowany w nauce o zapobieganiu oblodzeniu, a ponieważ zawiera więcej fluoru niż PVDF, powinien mieć lepsze właściwości przeciwoblodzeniowe. Nowe powierzchnie będą uzyskiwane w oparciu o fotolitografię bezmaskową dla mieszanin THV/CNM. Zbadane zostaną nanorogi węglowe, grafan (wykazujący większą hydrofobowość niż GR) oraz nanocebulki węglowe. Nowe powierzchnie przeciwoblodzeniowe będą otrzymywane również za pomocą elektroprzędzenia. Polimer THV zostanie wykorzystany do uzyskania nowych mat polimerowych zawierających CNM za pomocą połączonej metody elektroprzędzenia i natryskiwania. Maty powinny posiadać właściwości autoregeneracji, oparte na rekonstrukcji oddziaływań van der Waalsa/π-π pomiędzy CNM. Jest to o tyle ważne, że podczas zamrażania, ze względu na niski moduł Younga mat, mogą one zostać uszkodzone mechanicznie przez zamrożone kropelki. Gąbki otrzymane przy użyciu THV i CNM będą nową grupą materiałów przeciwoblodzeniowych. Gąbki zostaną otrzymane poprzez mechano-chemiczne proszkowanie THV węglanem amonu i CNM, a następnie ogrzewanie. Ważnym tematem badań jest również zastosowanie CNM do poprawy właściwości membran PVDF. Dotychczas stosowano nanorogi węglowe, jednak ostatnio otrzymano zupełnie nowy nanomateriał węglowy o nazwie “nanograforn” i przewiduje się zastosowanie tego materiału w kompozytach z PVDF. Badania będą prowadzone w ścisłej międzynarodowej współpracy z grupami badawczymi z Hiszpanii (Oviedo), Wielkiej Brytanii (Cambridge) i Japonii (Chiba, Kiusiu).

Projektowanie folii polimerowych o właściwościach biologicznych lub światłoczułych do zastosowań przemysłowych, biomedycznych i opakowaniowych jest przykładem otrzymywania materiałów aktywnych i/lub inteligentnych. Badania będą koncentrować się głównie na biopolimerach (ekologicznych alternatywach dla polimerów syntetycznych), takich jak skrobia, alginiany i chitozan. Materiały te są biodegradowalne, nietoksyczne i biokompatybilne. Dzięki obecności grup funkcyjnych w strukturze tych makrocząsteczek; można je modyfikować na różne sposoby, aby uzyskać pożądane właściwości. Biopolimery te będą modyfikowane poprzez wprowadzanie różnych środków, takich jak barwniki aromatyczno-heterocykliczne (fluoresceina, rodamina, eozyna, róż bengalski), co spowoduje uzyskanie właściwości fluorescencyjnych. Światłoczułe związki organiczne o niskiej masie cząsteczkowej są już stosowane w fotonice, litografii, ogniwach słonecznych, obrazowaniu fluorescencyjnym i medycynie; jednak nie ma takich materiałów do zastosowań w tanich produktach jednorazowego użytku.

Kolejną modyfikacją jest wprowadzenie do folii biopolimerowych substancji naturalnych (kwas kawowy, kwas chinowy, olejki eteryczne, polifenole) w celu wytworzenia materiałów o właściwościach antybakteryjnych i/lub przeciwutleniających. Folie tego typu znajdują zastosowanie jako opakowania do łatwo psującej się żywności oraz jadalne powłoki pokrywające produkt cienką warstwą, maseczki przy schorzeniach skóry, opatrunki na blizny, nośniki substancji aktywnych. Nano/submikroskalowe związki koordynacyjne (oparte na centralnych kationach rutenu i manganu) będą również stosowane jako modyfikatory polimerów do generowania aktywności biologicznej kompozytów. Badania będą dotyczyły zmiany struktury związku koordynacyjnego i właściwości redoks poprzez systematyczne zastępowanie skoordynowanych ligandów silniejszymi nukleofilami. Badania będą prowadzone we współpracy z grupami z Indii (Uniwersytet w Burdwan) i Niemiec (Uniwersytet w Erlangen-Norymberdze).

Prof. dr hab. Wojciech Kujawski – urodził się w Ostródzie. Jako laureat Konkursu Chemicznego organizowanego przez prof. Antoniego Swinarskiego, rozpoczął studia na Wydziale Matematyki, Fizyki i Chemii UMK, na kierunku chemia stosowana. Po ukończeniu studiów, rozpoczął realizację projektu doktorskiego, związanego z termodynamiką nierównowagową membran jonowymiennych, pod opieką prof. Anny Narębskiej. 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). W roku 2020 uzyskał tytuł profesora. Od roku 2017 pełni funkcję Kierownika Katedry Chemii Fizycznej i Fizykochemii Polimerów WCh UMK.

Działalność naukowa prof. Kujawskiego związana jest z właściwościami równowagowymi, separacyjnymi i transportowymi membran polimerowych i ceramicznych, a także modyfikacją membran polimerowych i ceramicznych w celu uzyskania materiałów o nowych lub ulepszonych właściwościach. Opublikował ponad 190 prac naukowych (Scopus), aktywnie współpracując z wieloma ośrodkami zagranicznymi, m.in. we Francji, Szwecji, Słowenii, Czechach, Hiszpanii, Zjednoczonych Emiratach Arabskich, oraz na Ukrainie. Wyniki prac były wielokrotnie cytowane w publikacjach innych autorów (CI>4500, h=42 – Scopus), 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. W latach 2014-2020 był Przewodniczącym Rady ds. Innowacji i Wdrożeń UMK. Jest współzałożycielem Polskiego Towarzystwa Membranowego, będąc jego Prezesem w kadencjach 2015-2019 i 2019-2023. Należy także do Europejskiego Towarzystwa Membranowego. Prof. Wojciech Kujawski wypromował 6 doktorów, sprawuje opiekę nad kolejnymi 2 doktorantami. Realizuje także krajowe i międzynarodowe granty z NCN, NCBR, SI oraz NATO. W latach 2020-2022 koordynował prace EF “Nauki o polimerach i wielofunkcyjnych nanomateriałach.