Nic nie działa bez fundamentów

– Zauważyłam, że problemy z produktami często wynikały z pominięcia badań podstawowych. To badania podstawowe są najważniejsze, by rozwiązywać problemy aplikacyjne czy produkcyjne. Bez solidnych fundamentów nic nie działa – mówi prof. Urszula Stachewicz, z którą rozmawiamy w cyklu #rozmowaNCN.

Urszula Stachewicz, fot. archiwum prywatne Prof. Urszula Stachewicz bada proces elektroprzędzenia oraz właściwości powierzchniowe i mechaniczne nanowłókien polimerowych. Jest pracowniczką Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Wcześniej pracowała m.in. w Instytucie Maxa Plancka, na Uniwersytecie w Delft i Philips Research w Eindhoven oraz na Uniwersytecie Londyńskim Queen Mary. Realizowała lub realizuje pięć projektów finansowanych przez NCN oraz badania finansowane przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych.

Elektroprzędzenie to technika wytwarzania niezwykle cienkich włókien – o średnicy rzędu kilkuset nanometrów lub mikrometrów – z wykorzystaniem pola elektrycznego. Umożliwia tworzenie lekkich, porowatych materiałów o bardzo dużej powierzchni w stosunku do masy, których właściwości można precyzyjnie kształtować, dobierając polimer i warunki procesu. Dzięki temu elektroprzędzone włókna znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach, od medycyny i filtracji po energetykę i inteligentne tekstylia.

Anna Korzekwa-Józefowicz: Biznes się odzywa? Technologie, nad którymi pani pracuje mogą ułatwić życie w wielu aspektach.

Urszula Stachewicz: Powiem pani, kiedy się zgłosił biznes. To było wtedy, kiedy pojawiliśmy się w artykułach przygotowanych przez The Economist.

Robiliśmy wtedy tzw. fog collectors, czyli siatki do zbierania wody z mgły, stworzone z myślą o społecznościach w regionach dotkniętych niedoborem wody pitnej. Odezwał się do nas dziennikarz z Londynu, który bardzo chciał napisać o tej technologii. Powstał artykuł, a potem podcast. Można napisać dziesiątki artykułów naukowych, nawet w Science czy Nature, i nikt z biznesu się nie odezwie. A po jednym tekście w The Economist – odzywali się ludzie z całego świata.

Te rozmowy przerodziły się w jakieś współprace?

To proste i użyteczne rozwiązanie, technologia, na której firmy nie zarobią. Nie wymaga specjalistycznego montażu czy zaawansowanego serwisowania, a przecież firma musi z czegoś czerpać zysk. Siatki można nawet samodzielnie rozpiąć na stojakach i wykorzystywać do pozyskiwania wody z mgły, więc z tych kontaktów niewiele wyszło, ale było to bardzo ciekawe doświadczenie.

A potem, po dwóch latach, The Economist zrobił jeszcze jeden artykuł na ten temat – i znowu była fala zainteresowania. Tylko że to nigdy nie były polskie firmy, tylko międzynarodowe.

Sama idea odzyskiwania kropel wody nie jest nowa.

Zbieranie wody z mgły znano już w starożytności. My po prostu do niej wróciliśmy, dostosowując ją do współczesnych warunków.

Kolektory stosuje się głównie w regionach, gdzie jest mało opadów – w Ameryce Południowej, zwłaszcza w Chile, ale też w Azji. W Europie używa się ich rzadko. Woda z mgły nie jest idealnie czysta – jeśli ma być przeznaczona do picia, potrzebuje dodatkowego oczyszczenia. Mgła przenosi bowiem różne zanieczyszczenia, również te pochodzące z atmosfery. Natomiast do zastosowań gospodarczych – w rolnictwie, hodowli czy podlewaniu upraw – ta woda sprawdza się świetnie. Takie rozwiązania są bardzo potrzebne w miejscach, gdzie zasoby wodne są niewielkie.

Siatki mają zwykle około 40 metrów kwadratowych. Z takiej powierzchni – w zależności od warunków pogodowych – można zebrać nawet 150 litrów wody dziennie. Kiedy mgła i wiatr przepływają przez włókna siatki, krople wody osadzają się i spływają w dół. Działa tu też drugi mechanizm – kondensacja, czyli różnica temperatur między dniem a nocą. To dokładnie ten sam proces, który powoduje, że rano na trawie czy na szybie pojawia się rosa. W naturze to bardzo efektywny sposób pozyskiwania wody.

W regionach, o których wspominałam, takie siatki są wykorzystywane przez lokalne organizacje, fundacje i grupy społeczne. Istnieje też kilka firm produkujących te konstrukcje, można je po prostu kupić.

Skoro takie konstrukcje są wykorzystywane w praktyce, na czym polegało państwa ulepszenie?

Włączyliśmy do siatek elektroprzędzone nanowłókna, dzięki czemu nie tylko zbierają wodę, ale też – gdy wiatr uderza w ich powierzchnię – potrafią generować energię i mierzyć jego siłę. Dodane przez nas funkcje sprawiają, że to rozwiązanie stało się czymś więcej niż prostym kolektorem.

Nanowłókna są znacznie cieńsze od ludzkiego włosa. Mogą wyłapać więcej wody?

Tak, klasyczne siatki mają dość duże oczka, przez które większość mgły po prostu przelatuje, nie kondensując się na ich powierzchni. Nasze włókna mają bardzo wysoką porowatość – około 90 procent – i mikroskopijne pory, dzięki czemu mogą wyłapywać najmniejsze kropelki wody, nawet te o rozmiarach poniżej mikrona.

Pomysł powstał jeszcze w czasie, gdy pracowałam w Londynie. Badałam wtedy właściwości nanowłókien – między innymi ich zwilżalność – pod kątem różnych zastosowań, w tym wojskowych, na przykład w filtrach i maseczkach. Wiedziałam, jak kontrolować strukturę takich włókien, by były hydrofobowe, czyli odpychające wodę albo hydrofilowe – przyciągające wodę. W pewnym momencie trafiłam na informacje o kolektorach mgły i pomyślałam, że nasze włókna mogą zwiększyć ich efektywność. Sprawdziliśmy i okazało się, że rzeczywiście to działa.

Urszula Stachewicz z zespołem, fot. archiwum prywatne Dodatkowo możemy manipulować nie tylko właściwościami powierzchniowymi, ale też mechanicznymi. Kluczowe jest połączenie dwóch cech: hydrofilowości, która przyciąga krople, i hydrofobowości, która pozwala, by woda szybko spływała z powierzchni i robiła miejsce dla kolejnych kropli. Tylko takie połączenie daje wysoką wydajność.

Na tej podstawie stworzyliśmy różne układy materiałów o zróżnicowanej strukturze i właściwościach – powstało sporo ciekawych publikacji i wyników badań.

Polska jest jednym z krajów europejskich, obok Cypru, Malty i Czech, doświadczających chronicznego deficytu wodnego. Nie było zainteresowania rozwojem tego projektu?

Jeden z parków narodowych w Polsce zgłosił się do nas z pomysłem, żeby postawić taki kolektor. Nasze siatki nie są jednak jeszcze na tyle duże, by działały efektywnie w tych warunkach. Nie mamy odpowiedniego sprzętu do masowej produkcji.

Na ile w pani pracy ważne jest, by badania miały wymiar użytkowy?

Szukam partnerów do różnych projektów wdrożeniowych. Uważam, że nauka musi być użyteczna. Zrozumiałam to, gdy robiłam doktorat w firmie Philips Research w Eindhoven. Zobaczyłam wtedy, jak funkcjonuje duża korporacja. Wszystko miało swój rytm i procedury, trzeba było się logować, raportować, uczestniczyć w spotkaniach. Później pracowałam w Londynie, w małym spin-oucie, i tam z kolei trzeba było robić rzeczy najróżniejsze – od badań i pisania wniosków po sprzątanie laboratorium i rozmowy z klientami. Dwa zupełnie różne światy. Po tych doświadczeniach stwierdziłam, że chcę pracować naukowo, chcę zrozumieć to, co robię. W dużej firmie liczyły się wyniki i pieniądze. W małej trzeba było zajmować się wszystkim naraz.

Zauważyłam też, że problemy z produktami często wynikały z pominięcia badań podstawowych. To badania podstawowe są najważniejsze, by rozwiązywać problemy aplikacyjne czy produkcyjne. Bez solidnych fundamentów nic nie działa.

Kiedy wróciłam do Polski, byłam zachwycona, że istnieje instytucja taka jak NCN, która finansuje właśnie badania podstawowe. Dzięki finansowaniu w konkursie SONATA 8, w którym zajmowaliśmy się biomedycznymi rusztowaniami do regeneracji kości, mogłam kupić pierwszą elektroprzędzarkę i rozpocząć nową tematykę badań w AGH. Zdobyte doświadczenie i nawiązane w czasie tego projektu kontakty umożliwiły mi aplikowanie o kolejne fundusze i rozwinięcie pomysłu na grant ERC.

Włókna przyszłości

Pracowała pani także m.in. nad opatrunkami na oparzenia z wykorzystaniem nanowłókien elektroprzędzonych, a w projekcie ERC wykorzystuje elektroprzędzenie do stworzenia materiałów termoizolacyjnych, które mogą znaleźć zastosowanie w budownictwie.

Bardzo dobrze rozumiemy proces elektroprzędzenia: wiemy, jak ładunki elektryczne oddziałują z grupami funkcyjnymi polimerów, jak kontrolować parametry roztworów i atmosfery. Dzięki temu możemy tworzyć włókna o różnych właściwościach i zastosowaniach – od biomateriałów po materiały wykorzystywane do pozyskiwania energii.

Na przykład, jeśli kontrolujemy ładunki na powierzchni włókien, możemy wpływać na zachowanie komórek – te o dodatnim ładunku przyciągają komórki o ładunku ujemnym, co wspomaga ich rozwój. Z kolei różnica ładunków między warstwami materiału pozwala generować energię – mówimy wtedy o tryboelektryczności. Gdy materiał się ugina i wytwarza ładunki, to zjawisko piezoelektryczności. Te same właściwości można więc wykorzystać do generowania energii, a także do sterowania procesami biologicznymi.

W zależności od zastosowania dobieramy polimery – biodegradowalne, biokompatybilne czy odporne mechanicznie. Zmieniamy też strukturę włókien, ich porowatość i liczbę warstw. W projekcie ERC badamy ich właściwości termoizolacyjne, między innymi w połączeniu z tzw. materiałami zmiennofazowymi (phase change materials), które potrafią magazynować i uwalniać ciepło. Wysoka porowatość sprawia, że te włókna świetnie izolują, a duża powierzchnia pozwala zarówno przechowywać energię, jak i wykorzystywać ją ponownie.

Ta sama zasada działa w innych zastosowaniach – duża powierzchnia włókien ułatwia wyłapywanie wody z mgły albo wspiera wzrost komórek, bo struktura przypomina macierz pozakomórkową. Z kolei w tzw. inteligentnych tekstyliach te materiały mogą oddychać, generować energię z ruchu i działać jako czujniki nacisku.

W zespole mam biofizyków, inżynierów materiałowych, chemików i bioinżynierów. Niektórzy świetnie prowadzą badania komórkowe, inni zajmują się charakteryzacją materiałów. Nie wszyscy potrafią elektroprząść, ale każdy wnosi coś, bez czego ten zespół nie mógłby działać. Teraz aplikujemy o projekty bardziej wdrożeniowe, związane z zastosowaniami medycznymi. Marzy mi się laboratorium, w którym moglibyśmy wytwarzać produkty medyczne na większą skalę. Ale to raczej perspektywa kilkunastu lat.

Jak działałoby takie laboratorium medyczne?

Świat medyczny to obszar, w którym nowe technologie mogą szybko znaleźć praktyczne zastosowanie i pomóc w rozwiązywaniu konkretnych problemów zdrowotnych.

To musiałoby być laboratorium najwyższej klasy, spełniające standard medical grade. Takie laboratorium mogłoby przygotowywać dla firm prototypy produktów medycznych – opracowywać pełną formulację, a następnie przekazywać ją do wdrożenia. Mogłoby też tworzyć matryce do dostarczania leków, rusztowania do inżynierii tkankowej czy materiały do badań. W Europie działają już ośrodki zajmujące się elektroprzędzeniem na takim poziomie, a moim marzeniem jest, by podobne powstało w Polsce, żeby pokazać, że tutaj też można to zrobić.

Obecne laboratorium budowałam krok po kroku. Dziś to spójny system czterech pracowni – od wytwarzania włókien, przez ich charakteryzację, po testy biologiczne i aplikacyjne. Chcielibyśmy ten model dalej rozwijać i rozbudować laboratorium tak, byśmy mogli przejść do etapu tworzenia produktów, ale brakuje nam już miejsca – dosłownie i w przenośni. Ciągle napotykamy ograniczenia przestrzeni i infrastruktury.

Ile trwa przejście od pomysłu do momentu, gdy można już pokazać, że technologia działa?

Zazwyczaj około dwóch lat. Od wytworzenia i opracowania materiału do publikacji czy wdrożenia to mniej więcej taki cykl.

Na rynku są dostępne produkty oparte na nanowłóknach elektroprzędzonych? Można je kupić?

Urszula Stachewicz z zespołem, fot. archiwum prywatne Jest już wiele produktów opartych na tej technologii, wykorzystuje się je powszechnie, na przykład w filtrach powietrza. Na świecie przodują w tym Chińczycy. Kilka lat temu na jednej z konferencji profesor z Chin wyszedł nawet w koszuli wykonanej z elektroprzędzonych włókien. W Europie działa duża czeska firma Elmarco, powstała jako spin-off Uniwersytetu w Libercu, która specjalizuje się w przemysłowej produkcji nanowłókien. Na każdej konferencji o elektroprzędzeniu Elmarco się pojawia, prezentuje swoje rozwiązania, współpracuje z naukowcami i zdobywa granty europejskie. Tak się buduje rozpoznawalność i pozycję w branży.

Ich przykład pokazuje, jak z prostego pomysłu można stworzyć nowoczesną technologię. Produkują włókna, które mogą być wykorzystywane w wkładkach do butów sportowych, w tekstyliach oddychających, w materiałach dla wojska czy nawet w izolacjach akustycznych. To pokazuje, że innowacja nie musi być skomplikowana, żeby mieć znaczenie gospodarcze. Trzeba tylko mieć firmy, które potrafią ją wdrożyć.

A sama nie zastanawiała się pani nad założeniem takiej firmy?

Naukowcy myślą kategoriami nauki, nie biznesu. Tu potrzebni są ludzie, którzy znają rynek, potrafią rozmawiać z inwestorami, wiedzą, jak budować relacje i pozyskiwać środki. Ja mogę opracować technologię, ale ktoś musi zobaczyć jej potencjał i zająć się stroną rynkową.

Inny punkt wyjścia

Pracowała pani wiele lat za granicą. Badaczki i badacze wracający do kraju, często mają trudność z ponownym przystosowaniem się do warunków pracy w Polsce. Różnice są duże?

Miałam świadomość, że wracając po latach pracy za granicą, myślę inaczej – inaczej podchodzę do pracy, organizacji czasu, komunikacji w zespole. Tego nikt nas tu nie uczył. W firmach, w których wcześniej pracowałam, szkolenia typu time management, cultural awareness czy dealing with e-mails były standardem. Dzięki temu nauczyłam się planować i budować efektywne zespoły, ale w Polsce musiałam to wdrażać sama.

W pierwszych miesiącach po otrzymaniu grantu ERC otrzymywałam maile z ofertami, bo za granicą naukowca z grantem traktuje się jak potencjał inwestycyjny. Na Uniwersytecie Maastricht widziałam, że nowa osoba dostaje gotowe laboratorium, sprzęt, zaplecze – może od razu pracować. A u nas nie ma nic takiego jak starting money, nie ma dostępnych laboratoriów z obsługą techniczną, w których młody profesor mógłby od razu zacząć pracę. Mnie zbudowanie laboratorium zajęło dziesięć lat. Cały sprzęt, który mamy, został kupiony z moich projektów. Zaczynałam bez żadnego sprzętu, miałam tylko dostęp do mikroskopu elektronowego. Teraz przyjeżdżają do nas badacze z zagranicy i mówią: „Twoje laboratorium wygląda świetnie”. Ale dojście do tego momentu wymagało czasu, konsekwencji i wizji.

Kolejny problem to skala biurokracji. Liczba dokumentów, potwierdzeń, zdjęć – to dla mnie był szok kulturowy. W Polsce często musimy udowadniać, że czegoś nie zrobiliśmy źle. Np. uczestnicząc w sesji posterowej musimy zrobić zdjęcia z posterem, bo audytorzy mogą zapytać, czy poster rzeczywiście został zaprezentowany. Ten brak zaufania wynika z naszej historii – z systemu, w którym przez lata uczono ludzi kombinować – i zmienia się powoli.

Jakie jeszcze zmiany ułatwiłyby pani pracę?

Mamy kontakty z różnymi grupami badawczymi, ale potrafimy też robić świetne rzeczy samodzielnie – często równie dobrze, a czasem nawet lepiej. I właśnie to bywa problemem. Gdy przy nazwisku widnieje tylko afiliacja AGH, część edytorów nie chce przepuszczać naszych prac. Dla wielu jesteśmy uczelnią mało rozpoznawalną, a wciąż działa zasada: liczy się nazwa, nie jakość. Edytorzy dostają tysiące manuskryptów i często nie mają czasu, by każdy z nich dokładnie przeczytać.

To są realia. A mimo to publikujemy w najlepszych czasopismach, takich jak Advanced Functional Materials. Chcemy pokazywać, że w Polsce także można prowadzić badania na najwyższym poziomie.

Na problem niewystarczającej rozpoznawalności polskich uczelni zwracała też uwagę jedna z moich poprzednich rozmówczyń, profesor Róża Szweda. Mówiła, że powinni być do nas zapraszani edytorzy dużych czasopism.

To bardzo dobry pomysł. Współpracuję z jednym z instytutów w Korei. Gdy byłam u nich, mój kolega powiedział: „nasz rektor jest właśnie w Niemczech, spotyka się z edytorami z Wiley, bo negocjuje dla uczelni special issue w Advanced Materials”. To jedno z najważniejszych czasopism naukowych na świecie w dziedzinie materiałoznawstwa i nanotechnologii. A ich uczelnia traktuje przygotowanie takiego wydania specjalnego jako część swojej strategii rozwoju.

A u nas? Czy któryś z rektorów w Polsce robi coś podobnego? My nawet nie mamy krajowej umowy z Wiley na otwarty dostęp do publikacji, choć mamy z Elsevierem, Springerem czy ACS. To pokazuje, że w niektórych krajach rozumie się, iż badania i publikowanie na wysokim poziomie to inwestycja w rozwój kraju. W Azji to oczywiste – nauka, technologia i innowacje to priorytet.

W Polsce inwestycje w naukę często traktuje się jak koszt, który ma się zwrócić w jednej kadencji. A nauka tak nie działa. Tu potrzebna jest długoterminowa wizja rozwoju nauki, której w Polsce niestety nie ma.

W NCN, wspólnie z badaczkami i badaczami, od miesięcy próbujemy przekonywać polityków, że nauka to inwestycja.

Nauka to fundament rozwoju technologicznego i gospodarczego. Kraje, które inwestują w badania – materiały, technologie energetyczne, nowe rozwiązania dla medycyny – po kilku, kilkunastu latach widzą efekty w przemyśle, innowacjach i jakości życia. To się nie dzieje z roku na rok, to długofalowa gra, ale jeśli zainwestuje się dziś, to za dekadę będzie widać ogromną różnicę – w tym, jak kraj się rozwija, jakie firmy powstają i jakie miejsca pracy tworzy nowa technologia.

Dałabym jak najwięcej pieniędzy instytucjom takim jak NCN, ponieważ wszystko zaczyna się od badań podstawowych. W dobrych czasopismach zawsze trzeba pokazać, jakie może być praktyczne znaczenie uzyskanych wyników. To skłania do postawienia konkretnych pytań: co z tego odkrycia wynika? W jaki sposób można je wykorzystać? Jak wpisuje się w istniejące technologie? I wtedy widać, jak bardzo zaawansowane potrafią być badania, które wyrastają z prostego, podstawowego pytania.