Publikacja w „Nature” zawsze jest czymś wyjątkowym w dziejach uczelni. Tym bardziej, że nie trafia się często. Przez ponad sto lat istnienia poznańskiego uniwersytetu było ich nieco ponad dwadzieścia. Ostatnia na Wydziale Chemii pod koniec lat 80 autorstwa prof. Mariusza Jaskólskiego. Tym bardziej więc zachwyca fakt, że prof. Agnieszka Janiak znalazła się w doborowym gronie autorów. Znalazł się w nim również prof. Marcin Kwit, który dał początek pewnemu odkryciu.
Był rok 2014. Tego dnia nad murami Uniwersytetu Stellenbosch (RPA) wisiały ciężkie chmury. Padało. W laboratorium chemicznym prof. Leonarda Barboura dzień nie różniłby się od innych, gdyby nie poznańska naukowczyni, która jako postdoc realizowała grant w RPA. Po 9 latach od tej chwili prof. Agnieszka Janiak z zakładu krystalografii Wydziału Chemii wciąż nie ukrywa ekscytacji. To był przełom.
– Przygotowywałam się do pomiarów dyfrakcyjnych – wspomina. Próbka krystaliczna, którą miałam zbadać znajdowała się w laboratorium przeznaczonym do syntez tuż przy dziedzińcu, natomiast dyfraktometr monokrystaliczny znajdował się w innym pomieszczeniu. Żeby rozpocząć pomiary musiałam przejść z kryształami wysypanymi na szalce Petriego przez fragment korytarza częściowo otwartego na dziedziniec. Akurat wtedy bardzo mocno padało.
W krótkim korytarzu łączącym dwa pomieszczenia dało się wyczuć wzmożoną wilgotność. W chwili, gdy naukowczyni przenosiła kryształy zauważyła dziwne zjawisko. Substancja mająca do tej pory kolor żółty zaczęła gwałtownie zmieniać barwę na czerwoną. Kilka sekund później, już w kolejnym pomieszczeniu, kryształy odzyskały poprzedni kolor.
– Natychmiast poinformowałam o zdarzeniu mojego mentora. Tego dnia było to najważniejsze wydarzenie w naszym laboratorium – mówi prof. Janiak. Napisałam też wiadomość do prof. Kwita, do Poznania, bo to on podesłał mi materiał do badań.
Prof. Janiak nie trafiła do grupy prof. Leonarda Barboura przypadkowo. Ona sobie to wymarzyła. Profesora ,,upolowała’’ w czasie konferencji w Gierłoży. Dosłownie odciągnęła go od grona zafascynowanych nim naukowców i przedstawiła swój pomysł na badania. Profesor był pod wrażeniem.
– Zaproponował mi staż w swoim laboratorium. Musiałam jednak postarać się o grant w National Research Foundation, a do końca składania wniosków zostały dwa tygodnie. Cudem, ale się udało – mówi prof. Janiak. – Potem przyszła odpowiedź, że dostałam grant. W RPA spędziłam dwa lata, a już po pierwszym roku i złożeniu sprawozdania podwyższono mi subwencję. To było coś niezwykłego, co zaskoczyło nawet profesora Barboura.
Kryształy równie szybko zmieniały barwę podczas sorpcji pary wodnej, jak i jej się pozbywały odzyskując pierwotny kolor. To było bardzo niezwykłe.
To pod koniec tych dwóch lat miało miejsce odkrycie. Zapoczątkowało je przesłanie w 2014 roku przez prof. Marcina Kwita materiału badawczego. Był to makrocykl zwany przez naukowców z UAM trianglsalenem (w publikacji określany jest jako trianglimina). Profesor go zsyntetyzował i otrzymał ciekawe kryształy, które ostatecznie trafiły do prof. Janiak. Sam materiał badawczy był znany od 2005 roku i trudno było się spodziewać jakichś nowości. Stało się inaczej.
– Pracowałam wówczas nad grupą makrocykli zwanych kaliksalenami i tym samym moje wysiłki badawcze skupiały się właśnie na tej grupie związków. Trianglsalen zostawiłam więc sobie na koniec mojego pobytu badawczego – wspomina prof. Janiak. – Tym większe było moje zdumienie, gdy zaobserwowałam zmiany jakie zachodziły w kryształach. Niemal natychmiast zorientowałam się, że ogromną rolę odgrywa tu poziom wilgotności. Kryształy równie szybko zmieniały barwę podczas sorpcji pary wodnej, jak i jej się pozbywały odzyskując pierwotny kolor. To było bardzo niezwykłe. Rzadko mamy do czynienia z materiałami o podobnych właściwościach. Zazwyczaj związek szybko chłonie wodę, a jego osuszenie wymaga od nas przeprowadzenia dodatkowych zabiegów, np. podgrzania.
Zanim zakończono prace nad publikacją, przez lata prowadzono badania mające wyjaśnić przyczyny zachodzenia zmian w kryształach. Zaistniała potrzeba zsyntezowania większej ilości makrocyklu, a swój udział w tym miał były magistrant odkrywczyni, Akmal Kosimov. Zdaniem prof. Janiak praca nie była łatwa, bo chociaż otrzymanie związku makrocyklicznego w formie proszku, czyli drobnych krystalitów nie jest trudne, to badaczka potrzebowała do analiz znacznie większych kryształów i to jeszcze w odpowiedniej fazie krystalicznej. Był problem, ale udało się dopracować warunki krystalizacji. Dzięki temu dzisiaj w Poznaniu synteza i krystalizacja tego makrocyklu w określonej formie krystalicznej nie jest już problemem. Podkreślmy ,,w Poznaniu’’, bowiem u nas przebiega to idealnie. Nim jednak praca trafiła na łamy „Nature” były miesiące niepewności, odrzucenie artykułu przez „Science”, czy konieczność wyjaśniania niektórym recenzentom „Nature” zawiłości badań.
Związek o takich właściwościach może znaleźć zastosowanie jako wskaźnik wilgotności np. w przemyśle farmaceutycznym i spożywczym.
– Ostatnie dziewięć miesięcy przed przyjęciem pracy do druku było naprawdę stresujących. Nie dość, że cała procedura recenzji w „Nature” była dość długa, to na każdym etapie informowano nas, że w każdej chwili może zostać przerwana, gdy ktoś na świecie opublikuje wyniki badań zbliżone do naszych. 20 grudnia 2022 otrzymaliśmy pierwszą informację, zaczynającą się od słów ,,z przyjemnością informujemy, że w zasadzie jesteśmy w stanie przyjąć pracę…’’, jednak na oficjalne potwierdzenie czekaliśmy jeszcze do 23 stycznia. Niemniej jednak Wigilia 2022 była czasem wielkiej radości w obu ośrodkach badawczych, polskim i południowoafrykańskim. A 12 kwietnia słowo stało się ciałem – cieszy się prof. Agnieszka Janiak.
„Odwodnienie hydratu krystalicznego w temperaturach subglacjalnych” – to tytuł pracy zamieszczonej w „Nature”. Oficjalna informacja brzmi: „Naukowcy z UAM i Uniwersytetu Stellenbosch wykazali, że kryształy chiralnego związku makrocyklicznego, nazywanego zwyczajowo triangliminą, wykazują zdolność do odwracalnego pochłaniania i uwalniania wody w temperaturach poniżej jej punktu zamarzania. Ściślej, najniższa temperatura, w której można zaobserwować ten proces to -70°C”.
Pani profesor ma nadzieję, że badania przyczynią się między innymi do odpowiedzi na pytanie, jak prowadzić modyfikacje pewnych materiałów, aby w sposób bardziej ekonomiczny pozyskiwać wodę. Niezależnie od tego związek o takich właściwościach może znaleźć zastosowanie jako wskaźnik wilgotności np. w przemyśle farmaceutycznym i spożywczym. W tych ostatnich dwóch przypadkach dzięki zmianie barwy kryształów być może będzie można sprawdzać czy produkty spożywcze lub np. szczepionki nie uległy wcześniejszemu rozmrożeniu. Kolejne osiągnięcie to fakt, że dzięki badaniom pokazano, że woda pozostaje w stanie mobilnym grubo poniżej zera stopni Celsjusza. I tu ogromna zasługa prof. Barboura, który jest twórcą niekomercyjnych urządzeń, bez których badania w tak niskich temperaturach byłyby znacznie utrudnione, a wręcz niemożliwe. To unikaty na skalę światową.
– Chcielibyśmy np. żeby uwalnianie wody z pochłaniaczy było procesem samoistnym lub przebiegało w temperaturach zbliżonych do temperatury pokojowej, co doprowadziłoby do obniżenia kosztów energii pozyskiwania wody z atmosfery. Obecnie jest to proces wysoce energochłonny, ponieważ by uwolnić wodę musimy taki materiał podgrzać, bardzo często do temperatury przekraczającej temperaturę wrzenia wody. Naukowcy intensywnie dążą do znalezienia osuszaczy, które uwalniałyby wodę w znacznie niższych temperaturach. Przykładowo, prowadzone są badania nad pozyskiwaniem wody w obszarach jałowych Ziemi – mówi prof. Janiak. – Takie badania trwają choćby na pustyni w Nevadzie, gdzie testowane są kombajny oparte na sieciach metaloorganicznych, które zdolne są do wychwytywania i uwalniania wody bez konieczności użycia energii. Cały proces bazuje na cyklach dzień-noc, w których wykorzystuje się naturalne różnice temperatur. Nasz materiał przyszłościowo mógłby znacznie pomóc w zwiększeniu efektów badań przez modyfikację urządzeń, bo przecież on sam tę wodę pochłania i sam się jej pozbywa. Co więcej, pochłanianie i usuwanie wody nie niszczy struktury kryształu, a więc może być on wykorzystany wielokrotnie. Dodatkowo, ze względu na pewną cechę naszych kryształów, którą wiążemy ze zmianą barwy, jesteśmy w stanie wizualnie ocenić zmianę wilgotności powietrza. To mogłoby znaleźć zastosowanie nie tylko w tradycyjnych miernikach wilgotności, ale również przy ocenie np. wartości szczepionek lub w przemyśle spożywczym do oceny stanu mrożonek. Jeśli kryształ jest żółty to mamy do czynienia z formą odwodnioną. Natomiast zmiana zabarwienia na czerwony powoduje, że mamy do czynienia z poborem wody spowodowanym zwiększeniem wilgotności w otoczeniu kryształu.
Dalsze prace poznańskiej naukowczyni z pewnością będą rozwinięciem podjętego tematu. Jak sama mówi, jest obecnie na etapie konsultacji z profesorem Barbourem. Na pewno będą to badania sorpcyjne, tym bardziej, że badane materiały skłaniają do optymizmu i jest nadzieja na kolejne odkrycia.
– Dzięki uprzejmości prof. Barboura mamy dostęp do tzw. komórki gazowej, która pozwala nam w dość łatwy sposób badać materiały krystaliczne pod określonym ciśnieniem gazu lub par cieczy. Dzięki tej technice i zastosowaniu rentgenografii strukturalnej możemy prześledzić ścieżkę (ab)sorpcji i desorpcji na poziomie molekularnym i wyjaśnić mechanizm działania tego procesu. To z kolei może nam wskazać, w jaki sposób modyfikować materiały, by pewne ich właściwości uruchamiały się „na żądanie”.
Pani profesor pytana czy dalsze badania będą prowadzone w większym zespole, uśmiecha się:
- Z pewnością w zespole międzynarodowym. W Poznaniu pomaga mi bardzo moja doktorantka, Joanna Drwęska, ale chwilowo aparat umiem obsługiwać tylko ja. Tu technika przygotowania komórki gazowej i umieszczenia w niej kryształu ma coś z zegarmistrzostwa. Potrzeba czasu i cierpliwości, by ją opanować.
Czytaj też: Prof. Violetta Patroniak. Uczę się od młodych
