Od zawsze widziałam swoją przyszłość w nauce

Rok 2020 był dla Pani niezwykle udany. Za pracę doktorską „Technologia wytwarzania przewodów elektrycznych z domieszkowanych włókien z nanorurek węglowych” otrzymała Pani nagrodę promocyjną w 25. edycji Konkursu o Nagrodę Siemensa, nagrodę naukową Wydziału IV Nauk Technicznych PAN, a także Nagrodę indywidualną Rektora PW. Spodziewała się Pani aż tylu wyróżnień?

Najszczerzej i naprawdę bez sztucznej skromności kategorycznie odpowiedź brzmi „nie”. Prawdą jest, że wkładam całe serce w to co robię. Od zawsze widziałam swoją przyszłość w nauce. Już zaczynając studia planowałam doktorat. Wszyscy, którzy mnie znają, wiedzą, że jestem pasjonatką nauki i praca naukowo-dydaktyczna pozwala mi się spełniać.

Oczywiście zamiłowanie tematem nie jest wystarczającym ogniwem. Ten ogromy sukces, bo tak postrzegam zdobycie tych prestiżowych nagród, obarczony był ogromem pracy. Doktorat zrobiłam w trzy lata, przez które zdecydowanie nie próżnowałam. Godzinami zgłębiałam wiedzę i umiejętności, prowadziłam eksperymenty i analizowałam dane.

Muszę też wskazać ogromny wpływ dwóch osób: mojej promotor prof. dr hab. inż. Małgorzaty Jakubowskiej oraz mojej promotor-pomocniczej dr inż. Agnieszki Łękawy-Raus. To one poprowadziły mnie właściwą ścieżką i jestem im niezmiernie wdzięczna za wszelkie wskazówki i pomoc.

Czym są nanorurki węglowe i jakie są ich zalety?

Nanorurki węglowe najprościej można opisać jako zwinięte w rurkę płaszczyzny grafenowe, czyli płaskie arkusze węgla o hybrydyzacji sp², strukturą przypominające plaster miodu (o grubości jednoatomowej w przypadku jednościennych nanorurek). Średnice nanorurek węglowych są rzędu pojedynczych nanometrów, natomiast ich długość mieści się w zakresie od zaledwie kilku nanometrów aż do dziesiątek centymetrów.

Zalety tego materiału to szeroko rozumiane właściwości fizyczne, głównie mechaniczne, elektryczne i termiczne. Dla pojedynczych nanorurek węglowych o odpowiedniej budowie określono na przykład przewodność elektryczną na poziomie 10⁸ S/m, co jest wartością przewyższającą konduktywność nawet najlepiej przewodzących metali. Otwiera to pole do niezliczonej ilości zastosowań tego materiału. Jednakże, jak łatwo się domyślić nie jest to takie proste.

Aplikacja tych nanometrowych struktur w makroskali jest bardzo złożonym problemem. Rozwiązaniem wydają się być makrostruktury zbudowane z nanorurek węglowych, takie jak na przykład badane przeze mnie włókna nanorurkowe. Jednakże i na tej płaszczyźnie przed naukowcami na całym świecie stoi szereg wyzwań. Głównym ograniczeniem jest fakt, że niezwykłe właściwości nanorurek węglowych nie są transponowane przy wytwarzaniu z nich makrostruktur. Cały zatem klucz do sukcesu aplikacji struktur z nanorurek węglowych polega na badaniach pozwalających poprawić parametry tych makrostruktur.

Na czym polegały badania w ramach pracy doktorskiej i jakie rezultaty udało się osiągnąć?

W swojej pracy doktorskiej podjęłam ważny i aktualny temat innowacyjnych, węglowych przewodów elektrycznych. W dzisiejszych czasach coraz częściej zauważa się bariery związane z powszechnie stosowanymi przewodami miedzianymi, które inicjują poszukiwanie alternatywnych rozwiązań. Bardzo obiecującym materiałem jak wspomniałam wcześniej są makroskopowe włókna zbudowane z nanorurek węglowych (włókna CNT). Jednak podstawowym warunkiem ich realnej aplikacji jako przewodów elektrycznych jest poprawa ich konduktywności.

Aby osiągnąć założony cel przeprowadziłam szeroko zakrojone prace badawcze. Opracowałam skuteczne procedury: oczyszczania, domieszkowania i hybrydyzacji włókien CNT z grafenem. Przeprowadziłam obszerne badania laboratoryjne oraz szeroką analizę wyników badań materiałowych takich jak TGA, SEM czy spektroskopia Ramana, które pozwoliły mi na zrozumienie mechanizmów domieszkowania i hybrydyzacji. Otrzymałam poprawę konduktywności włókien aż o 945%.  Uzyskane poprawy przewodności elektrycznej są znaczącym osiągnięciem na tle innych doniesień, publikowanych w światowej literaturze naukowej.

Dodatkowo, przedstawiłam technologię wytwarzania zaizolowanych przewodów nanorurkowych. Przeprowadziłam szereg badań i wykonałam funkcjonalną izolację elektryczną dostosowaną do zastosowań w maszynach elektrycznych. Przedstawiona metoda izolacji może być wytwarzana wielkoskalowo, czego często nie zapewniały dotychczas proponowane rozwiązania.

Wykonałam również nanorurkowe przewody elektryczne dedykowane aplikacji w dziedzinie tekstroniki.  W tym celu włókna CNT zaizolowałam polimerami powszechnie stosowanymi w przemyśle odzieżowym, uzyskując przewód elektryczny, który wyglądem nie odbiega od standardowych materiałów włókienniczych.

Ponadto, opracowałam też procedurę pozwalającą na wytwarzanie włókna kompozytowego o 40% wagowej zawartości nanorurek w polimerze. Jest to ośmiokrotnie wyższa zawartości nanorurek niż zgłaszane dotychczas dla takich kompozytów.

Jednym zdaniem, przeprowadziłam szeroko zakrojone badania, które niewątpliwie stanowią ogromny krok naprzód w kwestii aplikacji włókien z nanorurek węglowych w przewodach elektrycznych.

Imponujące osiągnięcia, deszcz nagród nie dziwi. Wspomniała Pani o nanorurkowych przewodach elektrycznych możliwych do wdrożenia w dziedzinie tekstroniki. Czym właściwie jest tekstronika?

Tekstronika, którą często nazywa się także inteligentnymi ubraniami (ang. smart clothing), zajmuje się integracją funkcjonalnych elementów elektronicznych z wyrobami tekstylnymi. Dziedzina ta określana jest w literaturze jako synergiczny związek włókiennictwa, elektroniki i informatyki. Produkty, które można określić mianem inteligentnych ubrań, integrują systemy elektroniczne i włókna tekstylne w funkcjonalną całość. Produkty takie przypominają tradycyjne ubrania w ogólnym wyglądzie, jednak mają dodatkowe funkcje, takie jak pomiar tętna, liczby wykonywanych kroków czy parametrów biomedycznych.

Co ważne, wraz z rozwojem branży wzrasta zapotrzebowanie na zintegrowane z elektroniką inteligentne tkaniny. Jednym z podstawowych wyzwań jest wytworzenie elastycznego włókna przewodzącego, kompatybilnego z wyrobami włókienniczymi. Nie sposób więc nie zauważyć ogromnego potencjału aplikacyjnego badanych przeze mnie przewodów nanorurkowych.

Pani zainteresowania badawcze koncentrują się na wytwarzaniu funkcjonalnych materiałów dla elektroniki drukowanej. Jakie obszary łączy ta technologia i czy jest ona technologią przyszłości?

Drukowana elektronika odnosi się do procesu, w którym technologia drukowania jest wykorzystywana do produkcji różnego rodzaju towarów elektronicznych, takich jak: obwody elektroniczne, wyświetlacze, czujniki, RFID (ang. radio-frequency identification, technologie radiowych identyfikatorów - przyp. red.).

Elektronika drukowana ma szereg zalet: niską cenę i łatwość produkcji, łatwość integracji, możliwość wytwarzania elektroniki w elastycznym, bardzo cienkim kształcie, przy połączeniu specjalistycznych materiałów i niedrogich, wielkoformatowych procesów produkcyjnych. Jest to zdecydowanie technologia przyszłości. Ułatwia bowiem rozwój niekonwencjonalnych funkcjonalnych urządzeń elektronicznych, w tym elastycznych wyświetlaczy, inteligentnych etykiet, wspomnianej inteligentnej odzieży czy szeroko rozumianej elektroniki medycznej.

Czy pandemia wpłynęła na Pani pracę zawodową?

Myślę, że nie ma dziedziny, która nie odczuwa skutków pandemii. Aktualnie dydaktyka na uczelni prowadzona jest w trybie zdalnym. Dodatkowo prace projektowe są w pewnym stopniu ograniczone. Nie ma możliwości wyjazdów na konferencje czy sympozja naukowe. Ale świat nauki nie stoi w miejscu. Wciąż czynnie uczestniczę w życiu naukowym, prowadzę badania, przygotowuję publikacje i projekty.

Jakie są Pani plany zawodowe w najbliższym czasie?

Planuję szeroko zakrojone badania nad wytwarzaniem nowych materiałów. Aktualnie pracuję nad kilkoma projektami związanymi z elektroniką drukowaną wykorzystującą zarówno materiały nanowęglowe, jak i inne materiały (m.in. płatki nano- i mikro- srebrowe). Projekty bazują między innymi na wykorzystaniu technologii elektroniki drukowanej w medycynie. Zainspirowana tą tematyką planuję rozszerzyć prowadzone prace o badania nad wytwarzaniem kompozytów przewodzących elektrycznie, które charakteryzować się będą zerową lub akceptowalnie niską cytotoksycznością. Chcę przebadać kilka polimerów uznawanych za biozgodne w kierunku możliwości ich wykorzystania w technologiach elektroniki drukowanej, takich jak sitodruk czy powlekanie natryskowe.

Chciałabym też wykonać badania, wykorzystując, zbudowany niedawno dla Politechniki Warszawskiej, nowoczesny piec do syntezy struktur dywanowych z nanorurek węglowych. Mam w planach eksperymenty z modyfikacją procedury wytwarzania dywanowych struktur nanorurkowych, przy wykorzystaniu metody chemicznego osadzania z fazy gazowej ze swobodnym katalizatorem. Badania takie rozpoczęłam podczas stażu na Uniwersytecie w Cranfield w Wielkiej Brytanii, gdzie zauważyłam szeroki wachlarz nowych, nieprzebadanych dotychczas możliwości.

Dodatkowo nasz zespół uzyskał finansowanie nowych projektów, które wpisują się w aktualne problemy związane z sytuacją epidemiologiczną. Planuję uczestniczyć w opracowaniu materiałów antyseptycznych do wytwarzania odzieży ochronnej i filtrów antydrobnoustojowych, a także pracować przy wykorzystywaniu technologii elektroniki drukowanej w postaci elektrod i czujników dedykowanych telemedycynie i telerehabilitacji.

Planuję także nowe badania w obszarze elektroniki drukowanej, wytwarzając między innymi innowacyjne elektrody grafenowe i srebrowe o szerokim, niewymienionym powyżej potencjale aplikacyjnym.

Ogrom pracy, będziemy trzymać kciuki. Kocha Pani podróże. Dokąd chciałaby się Pani udać, kiedy będzie można już swobodnie podróżować?

Zdecydowanie lista ulubionych kierunków i planów wyjazdowych rozrasta się z roku na rok. Zwiedziłam już trochę świata, ale wciąż mi mało. Na pewno chciałabym zwiedzić chociaż jeszcze kilka państw azjatyckich, np. Wietnam, Japonię, Filipiny. Marzy mi się też podróż po Afryce.

Dziękuję za rozmowę i życzę zatem spełnienia wszelkich planów - zawodowych i podróżniczych.

Rozmawiał: Bartosz Matejko