Emerging Investigator Series to cykl prezentujący wyjątkowe prace młodych naukowców z całego świata. W tym cenionym gronie znalazła się dr Ewa Wierzbicka z Wojskowej Akademii Technicznej. Artykuł „Ultra-stable self-standing Au nanowires/TiO2 nanoporous membrane system for high-performance photoelectrochemical water splitting cells” (https://doi.org/10.1039/D2MH00718E) został opublikowany w czasopiśmie „Materials Horizons”.
Dr Ewa Wierzbicka w Wojskowej Akademii Technicznej kieruje projektem badawczym finansowanym przez NAWA: Narodową Agencję Wymiany Akademickiej, w ramach programu Polskie Powroty. Jej obecne badania koncentrują się głównie na różnych metodach syntezy nanostrukturalnego TiO2 w formie nanoproszków lub anodowych warstw nanoporowatych oraz ich modyfikacji poprzez domieszkowanie metalami, tworzenie struktur rdzeniowo-powłokowych przez osadzanie warstw atomowych innych półprzewodników lub redukcję powierzchni.
Dr Ewa Wierzbicka ukończyła studia chemiczne na Uniwersytecie Jagiellońskim w Krakowie, uzyskując w 2016 roku tytuł doktora. W trakcie studiów doktoranckich prowadzone przez nią badania związane były z opracowaniem syntezy, charakteryzacją oraz zastosowaniem materiałów nanostrukturalnych na bazie metali lub tlenków metali. Jej praca doktorska dotyczyła zastosowania otrzymanego nanostrukturalnego złota jako potencjalnego elektrochemicznego sensora adrenaliny. W 2017 roku rozpoczęła staż podoktorski na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Uniwersytetu Complutense w Madrycie w ramach międzynarodowego projektu o akronimie ALMAGIC. Projekt był finansowany przez Komisję Europejską w ramach programu Clean Sky 2, Horizon 2020. Koncentrował się na wytworzeniu innowacyjnych alternatyw dla powłok antykorozyjnych na bazie chromu(VI) dla stopów aluminium i magnezu wykorzystywanych w przemyśle lotniczym. Następnie pracowała na Uniwersytecie Fryderyka Aleksandra w Erlangen i Norymberdze w Niemczech, gdzie na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Materiałoznawstwa realizowała badania w zakresie fotokatalizy, głównie wydzielania H2 na TiO2. Po uzyskaniu stypendium badawczego im. Aleksandra von Humboldta kontynuowała pracę nad syntezą materiałów do zastosowania w fotoelektrokatalizie na Uniwersytecie Humboldtów w Berlinie.
Więcej informacji o wyróżnieniu dr Ewy Wierzbickiej przez czasopismo „Materials Horizons”: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/mh/d2mh90063g
Z dr Ewą Wierzbicką z Wydziału Nowych Technologii i Chemii rozmawia Dominika Naruszko
Dominika Naruszko: Znalazła się Pani w elitarnym gronie osób wyróżnionych przez prestiżowe czasopismo „Materials Horizons” należące do wydawnictwa The Royal Society of Chemistry. W jaki sposób wybierane są publikacje do Emerging Investigator Series?
Dr Ewa Wierzbicka: Wyróżnienie przyznawane jest osobom, które są maksymalnie 10 lat po doktoracie i jednocześnie są autorami korespondencyjnymi wybranych publikacji, czyli osobami odpowiedzialnymi za całokształt pracy. „Materials Horizons” publikuje artykuły poświęcone m.in. oryginalnym metodom wytwarzania nowoczesnych materiałów, które nigdy wcześniej nie zostały przedstawione. Laureaci tego wyróżnienia to badacze, których prace demonstrują nową koncepcję lub nowy sposób myślenia, a nie tylko modyfikację czy ulepszenie wcześniejszych pomysłów. To bardzo budujące, że moja praca została doceniona w taki sposób.
Ma już Pani na koncie szereg wartościowych prac o różnorodnej tematyce. Co wyróżnia tę publikację?
Ta praca to efekt fuzji wiedzy i różnorodnych umiejętności zdobytych podczas pracy w wielu grupach badawczych. Podczas doktoratu zajmowałam się materiałami nanostrukturalnymi i łączeniem różnych metod elektrochemicznego wytwarzania materiałów, czyli głównie anodyzacją i elektroosadzaniem. Robiłam różne materiały, ale do zupełnie innych niż obecnie zastosowań, bo wtedy zajmowałam się elektroanalizą. Później – podczas mojego pierwszego stażu podoktorskiego, w Hiszpanii, zajmowałam się ochroną antykorozyjną. Następnie zaczęłam pracować w tematyce, którą zajmuję się obecnie, czyli wytwarzaniem wodoru z wody na sposób fotokatalityczny i fotoelektrokatalityczny. Połączyłam umiejętności zdobyte w kolejnych miejscach pracy i wybrane metody syntezy, których się nauczyłam, i wykorzystałam je do zastosowań, nad którymi chcę pracować. Rezultat jest bardzo oryginalny i ten wyjątkowy koncept doceniło czasopismo.
Skąd Pani zainteresowanie właśnie tym obszarem nauki?
To również jest wynikiem moich doświadczeń. Często zmieniałam obszar swoich badań – moją specjalizacją na studiach magisterskich była spektroskopia, czyli zajmowałam się badaniem oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z materią. Podczas doktoratu zajmowałam się nanostrukturalnymi materiałami, które docelowo miały inne zastosowania, ale światło zawsze mnie tematycznie pociągało. Teraz udało mi się połączyć te obszary. Pracuję nad syntezą materiałów, które mają możliwość absorpcji światła i przetwarzania go, np. do wytwarzania energii elektrycznej.
Jak wyglądają takie badania i jakich rezultatów możemy się spodziewać?
Zacznijmy od tego, że pracuję na materiałach nanoporowatych, co wiąże się z ich bardzo dużym polem powierzchni właściwej. Oznacza to, że nawet jeśli mamy próbkę bardzo małą makroskopowo, to rzeczywisty obszar, na którym może zachodzić reakcja, jest bardzo duży, znacznie większy niż w przypadku materiałów litych.
Obecnie najczęściej pracuję z tlenkiem tytanu(IV), który jest półprzewodnikiem i może absorbować światło słoneczne. Pod wpływem kwantów światła o odpowiedniej energii tworzą się pary dziura – elektron, których ruch obserwujemy jako fotoprąd. Możliwe jest także wykorzystanie tych nośników ładunków do reakcji utleniania i redukcji. Fotowzbudzone dziury i elektrony w TiO2 posiadają odpowiednią energię, aby zaszła reakcja rozkładu wody do tlenu i wodoru. Na skutek naświetlania TiO2 będą się one wydzielać z wody, w której jest on zanurzony, dokładniej na powierzchni TiO2 dla procesów fotokatalitycznych lub na TiO2 i przeciwelektrodzie dla procesów fotoelektrochemicznych. Sam tlenek tytanu ma oczywiście wyjątkowy potencjał, ale jest jeszcze wiele czynników sprawiających, że te procesy nie są wydajne, dlatego wprowadza się szereg modyfikacji, które mają zwiększyć ich efektywność. Obecnie te wydajności już są coraz większe, jednak trzeba jeszcze wiele dopracować, aby technologia ta zaczęła być ekonomicznie opłacalna i wzbudziła zainteresowanie przemysłu. Uważam, że to niezwykle rozwojowa dziedzina, w której jest dużo do zrobienia.
Wspomniała Pani o przemyśle – jak przemysł może skorzystać na Państwa pracy?
Fakt, że generujemy dziury i elektrony w półprzewodniku, korzystając z energii słonecznej, można wykorzystywać na różne sposoby. Ja akurat chcę się skupić na produkcji wodoru. Wodór ma bardzo dużo zalet z punktu widzenia jego zastosowania jako nośnika energii. Jedynym produktem spalania czystego wodoru jest woda, więc nie generuje się dwutlenku węgla. Jest też dużo bardziej kaloryczny – magazynuje w formie chemicznej więcej energii niż węgiel czy benzyna w przeliczeniu na jednostkę masy. Można go wytwarzać w sposób ekologiczny. Przede wszystkim jednak, wykorzystując urządzenia zwane ogniwami paliwowymi, można bezpośrednio zamieniać energię chemiczną, której wodór jest nośnikiem, na energię elektryczną i to z wydajnością ponad 60%, czyli dwukrotnie wyższą niż na skutek spalania w silniku spalania wewnętrznego.
Obecna moda na wodór wynika między innymi z sytuacji w przemyśle energetycznym, a w szczególności problemów z dostępnością i ceną paliw kopalnych. W zasadzie nie jesteśmy nawet w stanie uniknąć tej zmiany. Technologie wodorowe są już wdrażane, to się dzieje. Już teraz mamy w Polsce kilka tzw. „dolin wodorowych”, które zajmują się projektami dotyczącymi transportu, przechowywania i produkcji wodoru. W Polsce już jeżdżą autobusy na wodór i funkcjonują stacje do jego tankowania. Ekonomicznie to rozwiązanie może na razie nie być lepsze niż paliwa kopalne, ale po prostu już nie mamy innego wyjścia. Musimy znaleźć alternatywę dla klasycznych paliw. Obecnie ekologiczny sposób produkcji wodoru to elektroliza z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii, w szczególności z elektrowni wiatrowych. Ta energia jest wykorzystywana do produkcji wodoru poprzez elektrolizę. I choć ta metoda jest już wdrażana, to ciągle szukamy jeszcze tańszych i prostszych rozwiązań, a przez to jeszcze bardziej ekologicznych.
Ekonomicznie nie będzie lepsze, chyba że znajdą Państwo rozwiązanie?
Ciężko to przewidzieć – wchodzi w to bardzo dużo zmiennych, nie tylko z mojej dziedziny. Często nowe technologie przez wiele lat nie są tańsze niż dotychczasowe rozwiązania, natomiast są nieuniknione. Musimy się pogodzić z nadchodzącą zmianą. Trzeba to zrobić tak, żeby dało się wprowadzić nowe rozwiązania jak najniższym kosztem. Natomiast w tej chwili nie możemy zagwarantować, że globalnie energetyka wodorowa będzie tańsza niż to, co mamy dotychczas.
Co istotne, zapotrzebowanie na wodór będzie stale wzrastać. Obecnie nie produkujemy wodoru w nadmiarze – jest on zużywany na bieżąco w przemyśle, choćby przy produkcji amoniaku. Dynamiczny rozwój nowych gałęzi przemysłu wiąże się z bardzo szybkim wzrostem zapotrzebowania. Oznacza to, że produkcja tego gazu będzie musiała być gwałtownie zwiększona.
Czy badania, którymi się Pani zajmuje, pozwolą rozwiązać te problemy?
Pracuję nad nowym materiałem, który – mam nadzieję – kiedyś pomoże w tej wodorowej transformacji. Są to badania podstawowe, a zatem do konkretnej aplikacji potrzeba jeszcze czasu. Liczę na to, że uda mi się uzyskać satysfakcjonujące rezultaty w ramach prowadzonego projektu. Moim zdaniem ważny jest rozwój wiedzy, która oczywiście wynika z pracy pojedynczych naukowców, ale globalnie jest efektem działań wszystkich osób, które pracują w danym temacie, prowadzą różne badania i uczą się nawzajem ze swoich publikacji. To powoduje, że ostatecznie mamy postęp w rozwoju technologii i jako ludzkość idziemy do przodu.
W ramach programu NAWA, do którego dostała się Pani z pierwszej pozycji, będzie Pani pracowała nad projektem związanym z wyróżnionym artykułem?
Wyniki przedstawione w wyróżnionej publikacji to pierwszy stopień mojego projektu i to na nim bazuje cały wieloetapowy koncept. Będzie on polegał na łączeniu różnych metod syntezy i uzyskaniu materiału o odpowiedniej architekturze prowadzącej do wytworzenia heterozłączy o dużej powierzchni kontaktu, co również, oprócz składu materiału, ma wpływ na wydajność procesu wytwarzania wodoru. Pierwszy etap był dość czasochłonny i wymagał długiej optymalizacji. Następnie będziemy wprowadzać kolejne modyfikacje, ale one wydają się już mniej ryzykowne i czasochłonne.
Rozmawiałyśmy o energii, ale Pani prace i badania mogą mieć praktyczne zastosowanie w wielu różnych dziedzinach.
Wszystko, czym się obecnie zajmuję, opiera się na materiałach półprzewodnikowych i na ich oddziaływaniu ze światłem. Rodzaj półprzewodnika, jego przerwa wzbroniona, energia wytworzonych elektronów i dziur – to tylko niektóre czynniki mocno determinujące potencjalne zastosowania. To dość skomplikowane zagadnienia. Jak wspomniałam, w układach, które badam, generowane nośniki ładunków skutkują powstawaniem fotoprądu, czyli tu potencjalnie możemy bezpośrednio generować energię elektryczną. Jest to jedna z rzeczy, które badam i jest to pośrednią miarą wydajności procesu rozkładu wody. Ja jednak skupiam się na produktach gazowych, głównie wodorze – to jest w mojej opinii najbardziej przyszłościowe zastosowanie, gdyż umożliwia przechowywanie energii.
Fotokatalizatory można też wykorzystywać w różnych procesach związanych z redukcją i utlenianiem substancji chemicznych. Jeżeli taki fotokatalizator umieszczę w roztworze, to mogę potencjalnie degradować zanieczyszczenia organiczne. W tej kwestii jest również bardzo dużo do zrobienia, choćby w zakresie selektywności. Czasami produkty, które powstają, mogą być groźniejsze od wyjściowych. Należy pracować nad znalezieniem rozwiązań bezpiecznych i wydajnych. Osiągnięcie takich wyników to złożony proces.
Jak wygląda typowy dzień pracy naukowca? Czy to wiele godzin spędzanych wyłącznie w laboratorium?
To zależy od wielu czynników, choćby od miejsca czy sposobu pracy reszty grupy, momentu kariery. Muszę przyznać, że dość dużo pracuję. Nie zawsze jest to laboratorium, bo do obowiązków naukowca należy też załatwianie wielu spraw formalnych, robienie zakupów do projektu badawczego, przygotowanie wystąpień konferencyjnych i wiele innych. Natomiast pracuje się dużo. Gdy już wchodzę do laboratorium, łatwo jest mi tam spędzić wiele godzin i prowadzić eksperymenty w kilku miejscach jednocześnie.
Włącza Pani kilka procesów, a następnie weryfikuje wyniki – z tym, aby ciągle projektować i weryfikować, wiąże się przecież praca naukowa. Zatem weryfikuję i widzę, że to nie ten kierunek albo coś mi nie wyszło. Jak sobie z tym radzić? Jesteśmy nastawieni na szybki sukces, więc wizja porażki wydaje się ogromnie frustrująca.
Moja praca, przynajmniej w początkowej fazie nowego projektu, to jest 90 procent porażek. Otrzymanie tego, co się zaplanowało, w przypadku moich badań jest wyjątkowo trudne. Nie chodzi tylko o skład, ale o architekturę materiału. W pierwszej kolejności staram się uzyskać materiał o odpowiedniej morfologii i stabilności. Później dopiero mogę sprawdzić, czy jest on dobry do moich zastosowań i gdy wchodzę w fazy testów wydajności generowania wodoru, zwykle muszę wrócić do optymalizacji morfologii i znaleźć korelację między składem oraz morfologią mojego materiału a ostateczną wydajnością fotokatalityczną. To długi proces.
Jak radzić sobie z nieudanymi próbami?
Nauka to dla mnie rodzaj powołania. Nie umiem sobie siebie wyobrazić w innym miejscu. Godziny spędzane w laboratorium, eksperymenty prowadzące często do negatywnego wyniku w ogóle mnie nie nużą. Mogę pracować bardzo długo, a czas mija mi błyskawicznie. Owszem, pod koniec dnia jestem zmęczona fizycznie, czasem też psychicznie, bo wiadomo, że gdy nie wyjdzie coś, na co się bardzo liczyło, to czuje się zawód. Jednak dopóki mam pomysł, co robić jutro i jak mogę coś poprawić, to jest dobrze.
Porażki pozwalają nam się uczyć i rozwijać, więc dzięki wytrwałości prędzej czy później czekają nas sukcesy. Gdy myśli Pani o sukcesie – obecnym lub w przyszłości, co Pani widzi?
Teraz jestem zadowolona z tego, jak się wszystko toczy, ponieważ dzieje się to zgodnie z moim planem. Obecnie wskaźnik moich sukcesów jest bardzo duży, nawet nie takich wyłącznie w laboratorium. Dostałam stypendium Humboldta, NAWA, stypendium powrotowe Humboldta, czyli w ostatnich trzech złożonych aplikacjach mam 100 procent skuteczności, co jest satysfakcjonujące. Za mną ciekawe projekty, przede mną – mam nadzieję – jeszcze ciekawsze.
Jaką radę może Pani dać młodym ludziom, którzy są na początku swojej ścieżki, a chcieliby osiągnąć podobne wyniki?
Obecnie bardzo ważne jest zdobycie doświadczenia z różnych miejsc, najlepiej zagranicznego. Ja wyjeżdżałam z Polski z jakimś takim nieuzasadnionym kompleksem niższości. Myślałam, że za granicą ludzie są jacyś lepsi, mądrzejsi, bo tak dobrze publikują. Na pewno są też bardzo dobrzy, ale my od nich nie odstajemy w jakimkolwiek stopniu. Możemy się traktować bardzo równo. Mamy dobre podstawy naukowe, jesteśmy świetnie wykształceni. Warto pracować nad tym lękiem, że człowiek sobie nie poradzi, że „nie jestem wystarczająco dobry”, żeby dołączyć do wiodącego zagranicznego zespołu badawczego. Coraz więcej ludzi z Polski dostaje finansowanie w konkursach międzynarodowych. To samo ze stypendiami Humboldta – Polska ma ostatnio bardzo duży wskaźnik sukcesu. Myślę, że jesteśmy naprawdę bardzo konkurencyjni. Nie oznacza to, że zdobywanie doświadczenia zagranicznego jest bardzo łatwe. Trzeba w to wszystko włożyć sporo pracy i poświęcenia.
Czy są konkretne cechy, którymi powinien się wykazywać naukowiec, aby osiągać jak najlepsze wyniki?
Poza posiadaniem wiedzy i rozumieniem badanych zjawisk trzeba być również bardzo ostrożnym podczas wykonywanych czynności. Niepozorne błędy mogą zupełnie zmieniać bieg procesu. W mojej pracy nawet minimalne zmiany powodują różne efekty. Na pewno naukowiec musi być również cierpliwy i nie powinien się łatwo poddawać. Wielokrotne próby, zmienianie czegoś wymagają uporu. Wymyślać – wykonać – weryfikować – wyciągnąć wnioski. I tak w kółko. Naprawdę trzeba być bardzo wytrwałym człowiekiem, żeby to robić. I trzeba to lubić. Wiadomo, że każdy chce odnieść sukces w laboratorium i te kolejne próby i niepowodzenia nie wywołują entuzjazmu, ale to zupełnie normalne w drodze do sukcesu. Ja zwykle mam pomysł, co zrobić dalej i często nie mogę się doczekać, aż to sprawdzę. Wychodząc z pracy, zwykle już mam cały plan, co zrobię następnego dnia. Gdy tylko przychodzę, znowu testuję i chcę się przekonać, jaki jest efekt końcowy. Jeśli mimo porażek chcemy sprawdzić, co z tego wyjdzie następnym razem, to jesteśmy w dobrym miejscu.
Po powrocie do Polski wybrała Pani Wojskową Akademię Techniczną.
Zależało mi na pracy w miejscu, które umożliwiłoby realizację moich planów. Jest to w pewnym sensie także konsekwencją wcześniejszych doświadczeń zawodowych. Jestem chemikiem po doktoracie, ale za granicą pracowałam także w obszarze inżynierii materiałowej, zatem łączę te dyscypliny. Uznałam, że WAT ma duży potencjał aplikacyjny i wdrożeniowy, a relacje znajomych wskazywały też na dobrą atmosferę pracy. W kierowanym przez ppłk. dr. hab. inż. Marka Polańskiego zakładzie, do którego dołączyłam i w którym buduję swój zespół, prowadzono do tej pory wiele ciekawych projektów dotyczących magazynowania wodoru w fazie stałej, a zespół z WAT jest rozpoznawalny w świecie. Zatem uznałam, że to będzie dobre miejsce na prowadzenie moich badań, bo kto lepiej mi pomoże z wdrożeniem aplikacyjnym moich materiałów?
Czyli planuje Pani przenoszenie wyników swojej pracy na większą skalę?
W laboratorium wszystko zachodzi w małej skali. Przeskalowanie, przeniesienie procesów do produkcji przemysłowej to ogromne wyzwanie, bo te same procesy zaczynają mieć inną dynamikę. Łatwo jest ochłodzić probówkę, a już nie tak łatwo 100-litrowy pojemnik. Przeskalowanie może wymagać nowych rozwiązań, budowy nowych systemów, nowych linii technologicznych, więc całego zespołu zaangażowanych osób, nie tylko z mojej dziedziny. Liczę na to, że zrobimy to w WAT – mamy tutaj bardzo duże zaplecze inżynieryjne, specjalistów, którzy potrafią robić naprawdę fajne rzeczy i mają masę pomysłów, żeby coś udoskonalić i znaleźć lepsze rozwiązania. Mamy dobrze wyposażony zakład mechaniczny, ze świetnymi specjalistami od obróbki skrawaniem, którzy realizują wszelkie, nawet najbardziej szalone koncepty na układy pomiarowe. Na razie udoskonalamy proces w małej skali. Gdy wyniki będą w pełni satysfakcjonujące, pomyślimy, jak to zrobić w dużej.
Życzę zatem sukcesów – w mikro- i makroskali.
Dominika Naruszko
fot. Dariusz Siemiaszko