Łączę inicjatywę z doświadczeniami, planuję eksperyment, staram się przewidzieć jego przebieg, a otrzymane wyniki interpretuję w odpowiedni sposób. Jeśli to się udaje, można albo rozwinąć wiedzę o zjawiskach, albo znajdować zastosowania i nawiązywać współpracę z przemysłem ? mówi prof. Andrzej Gałęski, laureat Nagrody Fundacji na rzecz Nauki Polskiej 2018 w obszarze nauk chemicznych i o materiałach, w rozmowie z red. Karoliną Duszczyk (?Nauka w Polsce? PAP).

KAROLINA DUSZCZYK: Odnalazł Pan w ramach fizyki ? nauki opisującej prawa natury ? miejsce na pracę twórczą, na kreowanie materiałów, jakich nie ma w przyrodzie. Jak zaczęła się ta droga?
ANDRZEJ GAŁĘSKI: Od patrzenia w niebo i czytania Stanisława Lema. Jako młody chłopak często wybierałem książki popularnonaukowe, byłem też członkiem Klubu Astronomii w obserwatorium miejskiego domu kultury. Obserwowałem gwiazdy, planety. Dotąd mam teleskop, niebo cały czas jest dla mnie interesujące, to moje hobby. A kiedy wybierałem studia, zdecydowałem się na fizykę. Bo fizyka tłumaczy wszystko o świecie.

Zmienił Pan jednak skalę z astronomicznej do nano? Co jest fascynującego w plastyczności tworzyw sztucznych?
Takie były wówczas tendencje. Nanoskala okazała się bardzo ważna. Pracuję w Dziale Polimerów w Centrum Badań Molekularnych i Makromolekularnych  PAN w Łodzi, wyposażonym w bardzo dobrą aparaturę – najlepszą w tej części Europy. Doktorat zrobiłem o zastosowaniu światła laserowego do badania struktury polimerów i tę tematykę rozwijałem przez długie lata. Moje badania pokazały, że zachowanie mechaniczne polimerów bardzo zależy od struktury. Okazało się, że kryształy polimerowe są bardzo plastyczne. Naturalnych kryształów soli czy cukru nie można łatwo deformować plastycznie, przynajmniej w warunkach domowych, kiedy używamy ich w kuchni. Po prostu są kruche i pękają. Natomiast tworzywa polimerowe odkształcają się plastycznie, czyli mogą zmieniać kształt bez destrukcji kryształów. To dzieje się wskutek tzw. generacji defektów, które potrafią wędrować przez kryształy. To odkrycie było nie tylko fascynujące naukowo, ale otworzyło niemal nieograniczone możliwości zastosowań.

W ciągu wielu lat nauczyliśmy się tworzyć np. taśmy z polimerów, powszechnie w tej chwili używane ? o wytrzymałości dobrej stali. Trzeba zaznaczyć, że ta wytrzymałość dotyczy tylko konkretnego kierunku deformacji. W poprzek taśmy wytrzymałość nie jest taka duża, natomiast wzdłuż jest bardzo wysoka. Tak powstały znakomite sznurki, taśmy i liny. Materiały polimerowe nazywano plastikami, bo widać było, że są giętkie i plastyczne, ale dopiero naukowcy wyjaśnili, dlaczego tak się dzieje.

Jak wpadliście na pomysł ?szukania dziury w całym? czyli kawitacji?
Polimery poddane odkształceniu mechanicznemu bieleją, tak jak rączka od wiaderka będzie się bieliła w miejscu zgięcia. Okazało się, że przyczyną bielenia są malutkie pęcherzyki powstające wskutek rozrywania materiału amorficznego otaczającego kryształy polimerowe. Bezpośrednią przyczyną bielenia jest rozpraszanie światła na tych pęcherzykach. Poprzez analogię do podobnego zjawiska w wodzie i innych cieczach nazwaliśmy to zjawisko kawitacją. Oczywiście proces kawitacji w polimerach jest bardziej skomplikowany niż w wodzie. Fragmenty makrocząsteczek tworzą kryształy, a tam, gdzie fragmenty makrocząsteczek są nieuporządkowane, pojawiają się dziury. Mimo to analogia do cieczy pomogła nam dokonać kilku dalszych odkryć.

Co zrobić, żeby dziurek było mniej i polimer nie pękał?
Pęcherzyki kawitacyjne powstają blisko drobnych domieszek, dodatków i zanieczyszczeń. Nazywamy to ?zarodkowaniem? kawitacji. Postanowiliśmy zatem usunąć z polimerów ewentualne zanieczyszczenia czy dodatki, które mogłyby być ?zarodkami kawitacji?. Sądziliśmy, że pozbędziemy się dziur, a tu okazało się, że jest ich jeszcze więcej! Tak właśnie odkryliśmy, że kawitacja w polimerach jest inicjowana czymś innym ? powodują ją malutkie, puste przestrzenie w fazie amorficznej. To doprowadziło nas do wniosku, że stłumimy kawitację dopiero wtedy, kiedy wypełnimy te puste fragmenciki cząsteczkami substancji organicznej, która potrafi przylegać do polimeru. Tę ideę rozwija obecnie mój wychowanek dr Artur Różański. Pracuje nad tym, jak modyfikować fazę amorficzną, żeby nie było kawitacji i żeby materiał nie pękał.

Pokonał Pan także zjawisko splątania makrocząstek. Po prostu pozbył się Pan splątań, niczym Aleksander Wielki przecinający węzeł gordyjski. Dlaczego to było wyzwanie naukowe?
Teoria splątań, nad którą pracował również laureat Nagrody Nobla, Pierre-Gilles de Gennes, głosi, że polimery splątane znacznie różnią od tych niesplątanych. Jednak w czasie, gdy noblista pracował nad swoją teorią, nie było dokładnie wiadomo, jaki to jest polimer niesplątany. Znano tylko jeden przykład politetrafluoroetylenu, który po polimeryzacji był niesplątany. Był on polimeryzowany w stosunkowo niskiej temperaturze i łańcuch makrocząsteczki, kiedy rósł, od razu krystalizował i nie miał szansy splątać się z innymi rosnącymi makrocząsteczkami. Nam się to udało z polietylenem polimeryzowanym w temperaturze pokojowej lub niższej. Taki polietylen jest zupełnie inny niż ten, który można kupić w hurtowniach tworzyw sztucznych. Dziś potrafimy też pozbyć się splątań przez rozpuszczenie w rozpuszczalniku i strącanie.

Do czego są nam potrzebne niesplątane polimery?
Kiedy splątań jest o wiele mniej albo nie ma ich wcale, taki polimer potrafimy rozciągnąć nawet 1000 razy! To powoduje, że z małego ziarenka polimeru potrafimy uzyskać bardzo długą i cienką nitkę ? o grubościach nanometrowych. Jest ona niezwykle wytrzymała. Wykorzystujemy tu siłę wiązania chemicznego węgiel-węgiel. To jedno z najsilniejszych wiązań, jakie występują w przyrodzie. Jeśli próbowalibyśmy rozerwać je mechanicznie, okazałoby się, że ma ono wytrzymałość rzędu 400 gigapaskali. Dla porównania – struna fortepianowa, stal najwyższej jakości, ma wytrzymałość 2 gigapaskali. I kiedy takie makrocząsteczki poukładają się wzdłuż kierunku odkształcenia, takie włókienko może mieć wytrzymałość nawet 200 razy lepszą niż najlepsza stal. Mamy zatem podwójną korzyść: rozplątany polimer po pierwsze łatwo się odkształca, a po drugie, dochodzimy do nanowłókien o bardzo wysokich wytrzymałościach. Pracując w Polsce pokazaliśmy, że takie coś jest możliwe. Opatentowaliśmy sposób otrzymywania takich włókien poprzez odkształcenia w wytłaczarce – typowej maszynie przetwórczej.

Jak liczny jest teraz Pana zespół?
Niektórzy moi doktoranci po zakończeniu badań do dysertacji wyemigrowali i pracują w europejskich i amerykańskich uczelniach. Inni po doktoratach trafili do firm, gdzie są doskonale opłacanymi inżynierami na kierowniczych stanowiskach. Obecnie mój zespół liczy 7 osób, wcześniej było ich 10, ale jeden z moich podopiecznych, wspomniany już dr Różański, stworzył własny zespół. Trzy nowe osoby są jeszcze na początku drogi i muszą się wiele nauczyć; pochodzą z Iranu.

Jesteście bardziej teoretykami czy praktykami?
Trudno jest nas sklasyfikować w taki sposób. Powiedziałbym, że jestem eksperymentatorem. Łączę inicjatywę z doświadczeniami, planuję eksperyment, staram się przewidzieć jego przebieg, a otrzymane wyniki interpretuję w odpowiedni sposób. Jeśli to się udaje, można albo rozwinąć wiedzę o zjawiskach, albo znajdować zastosowania i nawiązywać współpracę z przemysłem.

Nasze pierwsze wdrożenia miały miejsce już wiele lat temu. Rocznie produkowano 10 tyś. ton polipropylenu napełnionego kredą. Ziarenka kredy były pokryte polimerową cieczą po to, żeby kreda łatwo się oddzielała od polipropylenu i robiła dziurki, czyli powodowała kawitację. Z tego materiału wytłaczano porowate taśmy, rozciągano je i z takich pasemek tkano worki. Nasz patent już wygasł, ale na bazie tej technologii wciąż produkuje się worki na piasek wykorzystywane przeciwpowodziowo. Uruchomiliśmy także instalację do produkcji taśmy z recyklatu z butelek.

Plastiki produkowane w wielkich ilościach nie korespondują z tendencjami ekologicznymi. Czy można coś na to poradzić?
Badania nad biodegradowalnymi polimerami rozpoczęliśmy 10 lat temu. Wspólnie z Instytutem Biopolimerów próbowaliśmy syntezy poliestru alifatyczno-aromatycznego. Badaliśmy właściwości takiego polimeru, robiliśmy też kompozycje, które mogłyby mieć praktyczne zastosowanie. Można było z niego robić kubeczki, widelczyki, talerzyki, torebki. Ale warto podkreślić, że biodegradacja nie ma samych zalet i nie zastąpi nam zbierania śmieci. Polimer jest biodegradowalny tylko wtedy, kiedy się go umieści w kompoście, czyli w specjalnej przemysłowej instalacji, gdzie znajdują się specjalnie dobrane grzyby i enzymy niszczące plastik. Materiały biodegradowalne potrafią znikać, ale wtedy znika również energia włożona w ich wyprodukowanie. Żeby ją odzyskać, trzeba by taki materiał raczej zgazować i spalić niż biodegradować. To ważne, żebyśmy wiedzieli, że biodegradacja nie rozwiąże naszych problemów z zanieczyszczaniem środowiska naturalnego i nie zastąpi zbierania śmieci.

Czy w Pana rodzinie są inni naukowcy?
Moja żona Ewa Piórkowska-Gałęska również jest profesorem w Centrum Badań Molekularnych i Makromolekularnych PAN. W zeszłym roku otrzymała Nagrodę Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego za badania nad rozwojem materiałów polimerowych, biodegradowalnych  i nanokompozytowych, którymi interesuje się przemysł opakowań i rolnictwo. Nasz syn właśnie obronił doktorat na Politechnice w Zurychu ? z fizyki nadprzewodników i właściwości magnetycznych, od nowego roku zaczyna pracę w Instytucie Maxa Plancka.

Znajduje Pan czas na coś jeszcze poza badaniami?
Jestem pszczelarzem-amatorem, mam 6 uli. W tym roku z powodu gorącego lata nie było dobrego zbioru, uzbierałem raptem 10 litrów miodu. Mam małą winnicę, gdzie hoduję różne winogrona na wino. Hoduję też drzewa i krzewy iglaste, szczególnie jestem dumny z mojego cedru, który jest już dużym drzewem. Lubię też Francję, Włochy, Wyspy Kanaryjskie ? miejsca, gdzie można spokojnie odpocząć i pozwiedzać.

Przeczytaj także:

• opis badań prof. Andrzeja Gałęskiego uhonorowanego Nagrodą FNP 2018
• informacje o Nagrodzie FNP
• relację z uroczystości wręczenia Nagród FNP 2018

Obejrzyj:

• film o badaniach prof. Andrzeja Gałęskiego
• reportaż filmowy z uroczystości wręczenia nagród FNP 2018

Zdjęcie prof. Andrzeja Gałęskiego ? fot. Magdalena Wiśniewska-Krasińska / Zdjęcia z uroczystości ? fot. Paweł Kula