Nauka w nowym świetle

Można powiedzieć, że wyrabiamy takie naukowe ciasto: sypie się trochę cukru, trochę mąki, wrzuca się jajko i miesza, i wychodzi coś, co nie przypomina żadnego z tych składników - opowiada prof. Sebastian Maćkowski z Instytutu Fizyki UMK, laureat programu Welcome FNP

Maciej Czarnecki: Trzy lata temu Fundacja na Rzecz Nauki Polskiej przyznała panu 4 mln zł na badania. Czego dotyczą?

Prof. Sebastian Maćkowski: - Projekt rozpoczął się w listopadzie 2009 roku i od tego czasu wiele się zmieniło. Prawda jest taka, że nie uważam się już za fizyka. Zajmujemy badaniami własności optycznych całej gamy rozmaitych układów: od cząsteczek organicznych, poprzez układy fotosyntetyczne, aż do organizmów roślinnych. Ale głównym kierunkiem pozostaje spektroskopia nanostruktur hybrydowych.

A mówiąc prościej?

- Nanostruktura hybrydowa to układ złożony z dwóch lub więcej nanostruktur. Z kolei sama nanostruktura to takie coś malutkiego, o rozmiarze od 1 do 100 nanometrów. Nie da się jej zobaczyć gołym okiem.

Własności pojedynczych nanostruktur są w miarę dobrze opisane i poznane. Cała rzecz, by trochę się nimi pobawić i zacząć je łączyć. To jak z wyrabianiem ciasta: sypie się trochę cukru, trochę mąki, wrzuca się jajko i miesza, i wychodzi coś, co nie przypomina żadnego z tych składników. My braliśmy małą cząstkę metalu o rozmiarach 5 do 10 nanometrów, czy metalowy nanodrucik, a następnie obkładaliśmy je strukturami fotosyntetycznymi z różnych organizmów, które są odpowiedzialne za absorpcję światła słonecznego w procesie fotosyntezy.

Z jakich na przykład?

- Rozpoczynaliśmy od alg i sinic, czyli organizmów względnie prostych. Teraz zajmujemy się także fotosystemami izolowanymi ze szpinaku, czyli z rośliny wyższej. W tym przypadku izolacja układów jest dość prosta. Bierze się szpinak, taki zwykły ze sklepu, robi z niego miazgę, na koniec wychodzi bardzo ładny zielony roztwór. Układy te otrzymujemy od naszych współpracowników.

Po co prowadzić takie eksperymenty?

- Dzięki nim udało się zaobserwować sporo rzeczy. Podstawowe dotyczą wzmocnienia absorpcji, czyli pochłaniania światła w konkretnym zakresie. Weźmy właśnie liście szpinaku. Wiadomo, że absorbują głównie światło niebieskie i czerwone, zaś żółtego, najbardziej obecnego w promieniowaniu słonecznym - nie. Istnieje hipoteza, że jeżeli układy fotosyntetyczne w liściu zaabsorbują więcej energii, to - dzięki fotosyntezie - wzrośnie produkcja glukozy czy innych cukrów prostych. Pytanie tylko, jak do tego doprowadzić. Pomóc mogą właśnie nanocząstki metaliczne. Poprzez dobór odpowiednich nanocząstek, absorpcja liścia może zostać - zależnie od zakresu widmowego - wzmocniona dwukrotnie lub silniej.

Do czego może się to przydać? Np. do stworzenia nowych baterii słonecznych?

- Potencjalnie pewnie tak. To jednak nie było i nie jest naszym zadaniem. Chcieliśmy jedynie pokazać, że sprzęgnięcie nanostruktur wytwarzanych przez człowieka z naturalnymi układami fotosyntetycznymi działa i prowadzi do określonych wyników. Teraz wszystko w rękach nanotechnologów. Stworzenie takich baterii wymaga wielu skomplikowanych procesów technologicznych. Jednak ważne jest to, że prawdziwość głównego założenia została eksperymentalnie potwierdzona. Zostaje dopracowanie szczegółów, w których, jak wiadomo, tkwi diabeł.

Może pokusi się o to jakaś firma.

- Może. Choć można odnieść wrażenie, że firmy są w znacznym stopniu konserwatywne. Jak pójdzie pan do ludzi z Phillipsa i powie, że chce zrobić żarówki trochę inne niż produkują, to pana przegonią, nawet jeśli nowe będą bardziej energooszczędne i tańsze w produkcji. Oni zwrócą jednak uwagę na koszty nowej linii produkcyjnej, wyszkolenia pracowników, promocji i sprzedaży. To zupełnie inne myślenie, też bardzo ważne. Naukowcy powoli się go uczą.

Skoro badania umożliwiły zwiększenie absorpcji światła w danym zakresie, może da się także sprawić, by roślina pochłaniała fotony na zupełnie nowych długościach fal?

- Staramy się to zrobić od dziewięciu miesięcy, łącząc struktury fotosyntetyczne tym razem z półprzewodnikami. Sądzę, że jest to wykonalne, aczkolwiek bardzo trudne i na razie się nam nie udało. Choćby z tego powodu, że ciężkie metale tworzące nanostruktury półprzewodnikowe, takie jak tellur czy kadm, są bardziej toksyczne, co może zniszczyć białka fotosyntetyczne.

Czym jeszcze się zajmujecie?

- Połączyliśmy nasze wysiłki z prof. Stanisławem Karpińskim ze Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, który jest biologiem molekularnym. Zajmuje się układami genetycznie modyfikowanymi, starając się uzyskać lepsze parametry wzrostu, wyższą jakość drewna, a także zrozumieć, jak roślina reaguje na silne światło. Okazuje się, że naszymi technikami fluorescencyjnymi można badać takie układy, więc od pół roku prowadzimy wspólne prace.

Jakie konkretnie rośliny badacie?

- Rzodkiewnik pospolity, dość powszechny chwast. Można go znaleźć na większości łąk i nieużytków. Ma jednak tę wielką zaletę, że naukowcy poznali już jego genom. Możemy wyjąć jakiś gen i przekonać się, jaka roślina wyrośnie: większa czy mniejsza, czy będzie lepiej przetwarzać energię, czy gorzej. Możemy też manipulować różnymi procesami. Wydaje się to bardzo obiecujące.