Węgiel, który świeci wieloma kolorami i może doprowadzić do przełomu w terapii nowotworowej? O ciekawym obszarze w nanotechnologii, który od początku XXI wieku budzi ogromne zainteresowanie badaczy z całego świata, z kpt. mgr inż. Moniką Kuligowską z Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT rozmawia Dominika Naruszko.
Dominika Naruszko: Węglowe kropki kwantowe zostały odkryte zaledwie dwadzieścia lat temu. Zdaniem ekspertów stanowią jeden z bardziej perspektywicznych kierunków w nanotechnologii. Czym one w ogóle są?
kpt. mgr inż. Monika Kuligowska: Węglowe kropki kwantowe, z ang. Carbon Quantum Dots –CQDs, to nanomateriały o rozmiarach od 1 do 10 nanometrów, składające się głównie z atomów węgla. Koronawirusy mają rozmiary od 80 do 150 nanometrów – węglowe kropki kwantowe są więc kilkanaście, a niektóre nawet kilkadziesiąt razy mniejsze niż wirusy SARS-CoV‑2. Gdybyśmy chcieli porównać pojedynczą węglową kropkę kwantową np. do ziarenka ryżu, to ziarenko ryżu miałoby długość ok. 10 km.
Węglowe kropki kwantowe wykazują jasną emisję fluorescencji pod wpływem promieniowania z zakresu UV – innymi słowy, jeśli oświetlimy je światłem UV, będziemy widzieć emisję światła w zakresie widzialnym dla człowieka. Wyniki dotychczasowych badań wykazały, że węglowe kropki kwantowe charakteryzują się także wysoką biokompatybilnością. Oznacza to, że mogą współistnieć z układami biologicznymi, np. komórkami, tkankami, organizmami, bez wywoływania szkodliwych efektów, takich jak toksyczność, stan zapalny czy reakcje immunologiczne. Ta zaleta czyni je atrakcyjnymi dla wielu zastosowań, zwłaszcza w medycynie, ochronie środowiska, a także elektronice.
Co ciekawe, węglowe kropki kwantowe zostały odkryte przypadkowo dopiero w 2004 r. podczas oczyszczania innych równie atrakcyjnych struktur węglowych – jednościennych nanorurek – przez zespół prof. Xiaoyou Xu[1] z Uniwersytetu w Karolinie Południowej. Do tego czasu nikt nie przypuszczał, że węgiel, znany jako czarny materiał, z wyjątkiem diamentu – może emitować fluorescencję i to w wielu barwach.
To niesamowite odkrycie. Czy właśnie z fascynacji wynika Pani zainteresowanie tym obszarem?
Węglowe kropki kwantowe to dla mnie niezwykle interesujący temat badań. Jest również bardzo aktualny, ponieważ od czasu tego odkrycia naukowcy wciąż pracują nad rozwijaniem możliwości otrzymywania i praktycznego zastosowania węglowych kropek kwantowych. Co więcej, także liczba publikacji związanych z węglowymi kropkami kwantowymi stale rośnie. Obecnie na świecie mamy już ponad 18 000 opublikowanych badań, z czego ponad 5200 ukazało się w samym 2025 roku[2], co pokazuje, jak dynamicznie rozwija się ten obszar i jak ogromne jest zainteresowanie naukowców na całym świecie.
Węglowe kropki kwantowe łączą wiele zalet i możliwości – przede wszystkim bezpieczeństwo i ochronę środowiska. W przeciwieństwie do tradycyjnych kropek kwantowych zawierających metale ciężkie, np. kadm czy ołów, węglowe kropki kwantowe są nietoksyczne i przyjazne dla środowiska, co otwiera drogę do ich zastosowania w medycynie, inżynierii biomedycznej i technologiach ekologicznych.
Znajdują zastosowanie także w bioobrazowaniu, terapiach nowotworowych, diagnostyce medycznej, transporcie leków, produkcji nowoczesnych ogniw słonecznych, czujnikach chemicznych, a nawet w technologiach optoelektronicznych.
Posiadają również wyjątkowe właściwości optyczne, np. możliwość emisji światła o różnych barwach w zależności od rozmiaru i struktury, co jest kluczowe w nowoczesnych technologiach obrazowania i detekcji.
Węglowe kropki kwantowe można syntetyzować z szerokiej gamy materiałów, w tym nawet z odpadów organicznych, co sprawia, że ich produkcja jest stosunkowo tania oraz przyjazna dla środowiska.
Badania nad węglowymi kropkami kwantowymi mogą doprowadzić do przełomów w medycynie, energetyce i technologii sensorycznej, dlatego są obecnie jednym z najatrakcyjniejszych tematów w nanotechnologii.
Jakie najciekawsze właściwości mają kropki węglowe?
Węglowe kropki kwantowe wyróżniają się szeregiem niezwykłych właściwości, które sprawiają, że są atrakcyjne dla wielu dziedzin nauki i technologii. Do najważniejszych z nich należy silna fluorescencja. Węglowe kropki kwantowe mogą emitować światło o różnych barwach w zależności m.in. od rozmiaru i struktury, a także charakterystycznych efektów kwantowych, co jest wykorzystywane w bioobrazowaniu, czujnikach i technologiach optoelektronicznych.
Węglowe kropki kwantowe charakteryzuje również wysoka biokompatybilność. Na podstawie aktualnie prowadzonych badań własnych w Centrum Inżynierii Biomedycznej WAT i już opublikowanych badań stwierdzono, że węglowe kropki kwantowe są o wiele mniej toksyczne dla organizmów żywych i praktycznie nie zaburzają ich metabolizmu w porównaniu z kropkami kwantowymi innych pierwiastków.
Choć badania nad ich toksycznością nadal trwają, przyjmuje się, że z uwagi na brak metali ciężkich w strukturze nie będą wykazywać efektu prekoncentracji w strukturach biologicznych. To czyni je idealnym kandydatem do zastosowań w hodowlach komórek, diagnostyce, a co najważniejsze, docelowo terapii nowotworowej.
Dla przykładu – kwas foliowy jest bardzo dobrze znaną cząsteczką w biologii, którą komórki wykorzystują do metabolizmu. Podobnie komórki nowotworowe bardzo „lubią” ten związek, bo wykorzystują go do własnej reprodukcji. W każdej komórce znajdują się receptory kwasu foliowego. Receptory w komórkach rozpoznają kwas foliowy i po przyłączeniu kwasu może zajść metabolizm komórkowy. Węglowe kropki kwantowe otrzymane z kwasu foliowego zawierają fragmenty prekursora – kwasu foliowego. Dzięki temu odnajdują receptory w komórkach nowotworowych, które mają szybszy metabolizm niż zdrowe, za pomocą odpowiednich szlaków, mechanizmów, przyłączając się do nich. Po oświetleniu promieniowaniem UV doskonale widać, w których miejscach znajdują się komórki nowotworowe, gdyż po prostu zaczynają „świecić” – choć tak naprawdę emisji światła nie wywołują komórki nowotworowe, tylko węglowe kropki kwantowe.
Węglowe kropki kwantowe dzięki hydrofilowym grupom funkcyjnym obecnym w ich strukturze łatwo mieszają się z wodą, co jest kluczowe w zastosowaniach biologicznych i chemicznych.
W zależności od rodzaju syntezy można otrzymać węglowe kropki kwantowe wykazujące przewodnictwo elektryczne, co sprawia, że nadają się one do zastosowań w nanoelektronice i fotowoltaice.
Węglowe kropki kwantowe są odporne na blaknięcie i degradację pod wpływem promieniowania UV. To odróżnia je od wielu tradycyjnych barwników fluorescencyjnych.
Węglowe kropki kwantowe można otrzymać praktycznie z każdego prekursora zawierającego węgiel, zatem mamy wręcz nieograniczone możliwości doboru substancji do ich produkcji. Bardzo dużo prac naukowych jest związanych z wykorzystaniem materiałów odpadowych i biomasy do syntezy węglowych kropek kwantowych, co czyni je przyjaznym dla środowiska rozwiązaniem.
Wysoka selektywność i czułość sprawiają, że węglowe kropki kwantowe mogą być funkcjonalizowane różnymi grupami chemicznymi, co pozwala na precyzyjne wykrywanie określonych związków chemicznych lub jonów, np. glukozy, dopaminy, jonów metali, pestycydów czy toksyn, dzięki zjawisku gaszenia fluorescencji. Innymi słowy – węglowe kropki kwantowe same w sobie wykazują fluorescencję – „świecą” pod wpływem promieniowania UV, natomiast w obecności wybranych cząstek, z którymi mogą się połączyć – przestają „świecić”.
Te unikalne właściwości sprawiają, że węglowe kropki kwantowe mają ogromny potencjał w nowoczesnej technologii – od zastosowań biomedycznych po elektronikę i energetykę odnawialną, jednakże mając na uwadze bezpieczeństwo ich stosowania.
A jakie zastosowania mają węglowe kropki kwantowe w Pani badaniach?
Celem moich badań jest wykorzystanie węglowych kropek kwantowych do detekcji pochodnych bojowych środków trujących.
Jak wspomniałam, węglowe kropki kwantowe wykazują wysoką emisję fluorescencji, jednak w kontakcie z wybranymi związkami następuje efekt wygaszenia fluorescencji. W praktyce działa to następująco: jeśli mamy odpowiednio przygotowany roztwór ściśle określonych węglowych kropek kwantowych i oświetlimy ten roztwór promieniowaniem UV, np. z latarki UV, to roztwór będzie wykazywał fluorescencję. Jeśli jednak do tego samego roztworu dodamy np. skażoną wodę, zanieczyszczoną wybraną substancją, po ponownym oświetleniu promieniowaniem UV roztwór nie będzie wykazywał fluorescencji.
Zjawisko to mogłoby pozwolić na szybką weryfikację stopnia skażenia wody lub innej próbki i ocenę, czy jest ona wartościowa pod względem analitycznym. Moim zadaniem jest synteza odpowiednich węglowych kropek kwantowych, ich oczyszczenie oraz charakterystyka. W następnym kroku ocena, które anality, czyli dodane substancje, i w jakim stężeniu, powodują wygaszenie fluorescencji otrzymanych węglowych kropek kwantowych oraz z jakim rodzajem mechanizmu wygaszania fluorescencji możemy mieć do czynienia.
Do jakich wniosków doszła Pani podczas pracy?
Wraz z prof. dr. hab. inż. Sławomirem Neffe z Instytutu Chemii WTC WAT oraz gen. dyw. prof. dr. hab. inż. Zygmuntem Mierczykiem i dr. inż. Łukaszem Osuchowskim z Centrum Inżynierii Biomedycznej IOE WAT pracujemy nad otrzymaniem autorskich węglowych kropek kwantowych. Charakterystyka otrzymanych nanomateriałów pozwoli na określenie ich potencjalnych zastosowań.
Moja praca obejmuje syntezę, charakterystykę fizykochemiczną i spektralną oraz wykorzystanie węglowych kropek kwantowych w detekcji substancji niebezpiecznych. Podczas swoich badań dowiedziałam się kilku ważnych rzeczy na temat węglowych kropek kwantowych. Po pierwsze – mają ogromny potencjał w zastosowaniach w wielu dziedzinach nauki. Po drugie – są świetnym narzędziem do selektywnej detekcji w czasie rzeczywistym wybranych substancji. Niestety mają też swoje ograniczenia. Czasochłonnym procesem jest zarówno oczyszczanie węglowych kropek kwantowych po syntezie, jak również preparatyka próbek w celu przeprowadzenia analiz i charakterystyki otrzymanych nanomateriałów. Jednak włożony wysiłek wart jest otrzymanych efektów.
Czy planuje Pani rozwijać ten temat?
Tak, to bardzo perspektywiczny temat, który może przyczynić się do wdrożenia nowoczesnych technologii w Siłach Zbrojnych w zakresie obrony przed bronią masowego rażenia. W przyszłości chciałabym się zająć oceną możliwości stworzenia prostego w użytku detektora do wykorzystania polowego, do oceny obecności skażenia wybranymi substancjami toksycznymi, bojowymi środkami trującymi, w próbkach środowiskowych. Chciałabym również dokonać oceny możliwości wykorzystania węglowych kropek kwantowych do neutralizacji związków toksycznych znajdujących się w środowisku na potrzeby likwidacji skażeń.
W roku 2024 wraz z profesorem Sławomirem Neffe opublikowałam w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Trends in Analytical Chemistry” artykuł przeglądowy „Carbon dots as sensors and sorbents in environmental monitoring protection and chemical analysis”[3]. Artykuł wzbudził duże zainteresowanie wśród naukowców zajmujących się nanokropkami węglowymi i do tej pory[4] był zacytowany 21 razy.
Dlaczego wybrała Pani studia techniczne w WAT?
Studia techniczne na Wydziale Nowych Technologii i Chemii WAT wybrałam z uwagi na swoje zainteresowania. Już w liceum uczęszczałam do klasy o profilu biologiczno-chemicznym. Wojskowa Akademia Techniczna pozwoliła mi połączyć aspiracje naukowe z zamiłowaniem do służby wojskowej.
Obecna praca na Wydziale Nowych Technologii i Chemii WAT oraz podjęcie studiów w Szkole Doktorskiej WAT pozwalają mi kontynuować badania w atrakcyjnym dla mnie kierunku i łączyć je ze sferą militarną – obroną przed bronią masowego rażenia w aspekcie detekcji skażeń z wykorzystaniem do tego celu nowoczesnych materiałów.
Dominika Naruszko
fot. Monika Kuligowska, Łukasz Osuchowski
grafika: Katarzyna Puciłowska-Chrabąszcz
[1] X. Xu, R. Ray, Y. Gu, H.J. Ploehn, L. Gearheart, K. Raker, W.A. Scrivens, Electrophoretic analysis and purification of fluorescent single-walled carbon nanotube fragments, J. Am. Chem. Soc. 126 (2004) 12736 – 12737, https://doi. org/10.1021/ja040082h.
[2] Baza scopus.com, szukana fraza tytułu artykułu: „carbon dots”, stan na dzień 20.10.2025 r.
[3] M. Kuligowska, S. Neffe, Carbon dots as sensors and sorbents in environmental monitoring protection and chemical analysis, TrAC Trends in Analytical Chemistry, Volume 176, 2024,117767, ISSN 0165 – 9936, https://doi.org/10.1016/j.trac.2024.117767.
[4] Stan na 20.10.2025 r.
