UKSW | Dr Kurzydłowski: jedno odkrycie rodzi więcej pytań niż odpowiedzi

O chemii fizycznej, zastosowaniu nauk chemicznych w codziennym życiu i badaniach naukowych mówi dr hab. Dominik Kurzydłowski z Wydziału Matematyczno-Przyrodniczego. Szkoły Nauk Ścisłych UKSW.

Jest Pan laureatem czterech grantów przyznanych przez Narodowe Centrum Nauki. Jakich zagadnień dotyczą projekty?  

W ramach ostatnio przyznanego mi grantu OPUS prowadzę badania z naukowcami z Instytutu Josefa Stefana w Ljubljanie, gdzie znajduje się jedno z zaledwie kilku na świecie laboratorium, w którym prowadzi się reakcje z wykorzystaniem czystego fluoru. Ta współpraca oraz wymiana doświadczeń daje mi nadzieję na przeprowadzenie w przyszłości reakcji z udziałem fluoru w warunkach wysokiego ciśnienia. Innym ważnym dla mnie grantem jest przyznany w konkursie SONATA BIS, gdyż umożliwił mi stworzenie swojego własnego zespołu naukowego. W jego skład wchodzi obecnie troje naukowców z Indii, którzy również zawodowo zajmują się podobnymi zagadnieniami co ja.

Nad czym pracuje Pana zespół?

Na razie koncentrujemy się na chemii wysokich ciśnień. Wytłumaczę to na przykładzie – od miejsca, gdzie stoimy do centrum Ziemi jest ponad 6 tys. km, a najgłębsza dziura, jaką człowiek wywiercił, miała głębokość ok. 12 km. To pokazuje, jak mało wiemy o wnętrzu „wielkiego jabłka”, jakim jest Ziemia. Jeśli zaczęlibyśmy wiercić na głębokości na poziomie tysiąca kilometrów, to okazałoby się, że nie tylko robi się tam bardzo gorąco, ale też są bardzo wysokie ciśnienia przekraczające miliony atmosfer, a równocześnie są tam skały, materia, które w tym ciśnieniu występują. Ja właśnie badam m.in. to, co dzieje się z materią w tego typu ciśnieniach. Zajmuję się tym teoretycznie poprzez modelowanie i praktycznie za pomocą eksperymentowania. Takie badania robimy na UKSW – wytwarzamy w bardzo małych objętościach wysokie ciśnienia i badamy, jakie pod ich wpływem zachodzą przemiany w związkach chemicznych.

Od kiedy interesuje się Pan chemią?

Moje zainteresowania najbardziej rozwinęły się w liceum dzięki nauczycielce chemii, która zainspirowała mnie do wzięcia udziału w olimpiadzie chemicznej. Mam umysł ścisły, ale wtedy odkryłem, że bardziej pasjonuje mnie chemia niż fizyka. Jednak już w dzieciństwie interesowało mnie, z czego jest zbudowany otaczający nas świat. Pamiętam, że zastanawiałem się, jakie atomy znajdują się w piasku czy w wodzie.

Co Pana fascynuje w naukach chemicznych?

Odkryliśmy ponad sto pierwiastków, ale w rzeczywistości spotykamy ich dużo mniej. Nawet jeśli spojrzymy na jeden pierwiastek, to w zależności od jego struktury i tego, jak są ułożone atomy w danym związku, ma on bardzo różne właściwości. Poznawanie tych zależności i ich rozumienie jest dla mnie szczególnie pasjonujące.

Dużo jest jeszcze do odkrycia?

Gdy byłem kilkulatkiem, żaliłem się tacie, że boję się, iż jak dorosnę, to już nic nie będzie do odkrycia. On uspokajał mnie i mówił, że jedno odkrycie rodzi jeszcze więcej pytań niż odpowiedzi i rzeczywiście miał rację. Chemia ma niesamowitą liczbę kombinacji pierwiastków, które wciąż pozostają nieznane. Nie mam obaw, że ta dziedzina niedługo wyczerpie się.

W nauce spotykamy się z ogromną różnorodnością, ale i porządkiem.

To prawda, fenomenem jest to, że im bardziej go odkrywamy, tym bardziej widzimy, jak jest skomplikowany i trudny do zrozumienia na poziomie intuicyjnym. Jednak na tym właśnie polega wspinanie się po kolejnych szczeblach nauki oraz uważne przyglądanie się zależnościom między różnymi związkami oraz zjawiskami. One pokazują, jak bardzo ten porządek jest ciekawy i pochłaniający.

Pan wspina się przede wszystkim po szczeblach chemii fizycznej.

To część chemii, która mniej zajmuje się samymi związkami w rozumieniu ich syntezy czy odkrywaniem nowych reakcji, ale bardziej badaniem ich właściwości. To sprawia, że ma wiele wspólnego z fizyką. Co ciekawe, na pewnym poziomie badawczym nie ma dużego znaczenia, czy jest się chemikiem, fizykiem, biologiem czy biofizykiem. Różni się wtedy nieznacznie język opisu, ale tak naprawdę opisuje się te same układy.

Co było zaskoczeniem w badaniach, w których Pan uczestniczył?

 Przychodzą mi do głowy dwa zagadnienia. Pierwsze związane jest z oddziaływaniami magnetycznymi, które są odpowiedzialne chociażby za działanie magnesów. Oddziaływania w strukturze materiałów wprowadzają pewien moment magnetyczny, który makroskopowo nazywamy polem magnetycznym. Te oddziaływania magnetyczne, które badałem, są bardzo czułe na strukturę związku. Wydawało mi się, że jeśli ściśniemy związki do wysokich ciśnień, to powinny one zanikać z powodu swojej czułości na strukturę, a okazało się, że jest wręcz przeciwnie – ulegają one wzmocnieniu. To bardzo mnie zaskoczyło.

Drugie zagadnienie dotyczy metodologii pracy. Eksperymenty wysokociśnieniowe nie są proste i zazwyczaj nie dostarczają tyle informacji, ile badacz by chciał, dlatego często posługujemy się modelowaniem komputerowym, żeby widzieć, co dzieje się z materiałem w takim ciśnieniu. Zdziwiło mnie, jak bardzo zgodne są wyniki modelowania z tym, co obserwowane jest w eksperymencie. Modelowania można przeprowadzić łatwiej, szybciej i na większej liczbie układów, a co za tym idzie, nie na wszystkich materiałach trzeba przeprowadzać eksperymenty. Można więc skupić się na tych najciekawszych, dla których modelowanie wskazuje, że zachodzą istotne przemiany.

A jakie spostrzeżenia na temat chemii mają studenci?

Wielu z nich dopiero na poziomie studiów odkrywa, czym tak naprawdę jest chemia. Czasem odnoszę wrażenie, że sposób nauczania chemii w liceum prowadzi do ukazania jej niejako w krzywym zwierciadle z punktu widzenia akademickiego. Lepiej poznają ją na studiach i dopiero tutaj pewne zależności są dla nich bardziej czytelne. Obserwuję, że zauważają, jak bardzo chemia, której uczą się, dotyka ich życia, codzienności. Przykładowo uczę studentów, że znajdujące się w powietrzu cząsteczki azotu bardzo trudno zamienić w jego związki. Świetnie robią to niektóre bakterie w glebie, a ludzie dopiero na początku XX w. nauczyli się efektywnie przekształcać go w związki i zaczęli wtedy na masową skalę produkować nawozy. To pozwoliło na znaczne zwiększenie plonów w uprawach, co przyczyniło się do ogromnego wzrostu populacji planety w XX w. Myślę, że połączenie wiedzy chemicznej, w tym przypadku o małej reaktywności molekuły azotu, z codziennym życiem może być czymś, co inspiruje zarówno studentów, jak i wykładowców. Ten konkretny przykład jest zresztą aktualny także dziś, gdyż w związku z wojną na Ukrainie nawozów jest mniej i są droższe, bo tam były produkowane w dużej ilości.

Słyszałam, że chemicy za pomocą określonych przemian chemicznych potrafią niejadalny przedmiot przetworzyć w artykuły spożywcze.

Nie zdziwiłoby mnie to, a równocześnie ta informacja wydaje mi się pokazywać ważną perspektywę. Chemia często kojarzona jest negatywnie. Mówi się: „to sama chemia”. Oczywiście, należy zwracać uwagę na to, co jemy, ale tak naprawdę chemią jest wszystko to, co nas otacza. Chemią jest biurko, przy którym siedzę czy kubek, który trzymam w ręku. To są konkretne atomy ułożone w odpowiedni sposób, które warunkują różne właściwości np. to, że biurko jest bardziej giętkie od ceramicznego kubka. Studia chemiczne dają podstawy, żeby to zrozumieć.

Jakie jest Pana zawodowe marzenie?

Interesuję się też chemią fluoru, który jest jednym z najbardziej reaktywnych i niebezpiecznych do pracy związków. Chciałbym zrealizować eksperymenty, które pokażą, jak ciekawe związki można wytworzyć w układach bogatych we fluor w wysokich ciśnieniach.

Dlaczego warto studiować chemię na UKSW?

Chemię warto studiować, bo pozwala zrozumieć oraz zajmować się tematami, które elektryzują współczesną naukę np. misją łazika na Marsie. Łazik wykorzystuje w badaniu skał na Marsie metodę badawczą, którą ja też na UKSW stosuję do badania zmian związków w wysokich ciśnieniach. Kolejnym przykładem jest Teleskop Webba, który w grudniu 2021 r. wystrzelono w kosmos. Pojawiły się pierwsze dane i piękne zdjęcia  m.in. z widmem molekuł wody na odległej planecie. Na UKSW uczymy właśnie o widmach poszczególnych cząsteczek, ale też np. o problemach z globalnym ociepleniem, sekwestracją, magazynowaniem wodoru i fotowoltaiką.

Na naszej Uczelni mamy bardzo dobrą i młodą kadrę, której zależy, by jak najlepiej przekazywać studentom wiedzę. Nasi naukowcy korzystają też z nowoczesnych narzędzi naukowych. Duże znaczenie ma również indywidualne podejście do studenta. Jesteśmy otwarci na ich propozycje związane z kształceniem. UKSW to przyjazne i słuchające młodych ludzi środowisko.

Rozmawiała Maria Górczyńska

Dr hab. Dominik Kurzydłowski – profesor chemii na Wydziale Matematyczno-Przyrodniczym. Szkoły Nauk Ścisłych UKSW. Stopień doktora uzyskał w 2013 r. na Wydziale Chemii UW. W trakcie studiów doktoranckich odbył staż w Cornell University, gdzie współpracował z noblistą prof. Roaldem Hoffmannem. Po uzyskaniu doktoratu odbył staż podoktorski w Instytucie Chemii Maxa Plancka w Moguncji. Po powrocie do Polski pracował w Centrum Nowych Technologii UW, a od 2014 r. na UKSW.

Laureat stypendium Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego dla wybitnych młodych naukowców oraz nagrody im. prof. Jacka Rychlewskiego za najlepszą pracę dyplomową z chemii kwantowej. Laureat czterech grantów Narodowego Centrum Nauki.

Jego zainteresowania badawcze obejmują właściwości elektroniczne i magnetyczne fluorków, a także chemię wysokociśnieniową tych związków. W swoich badaniach wykorzystuje zarówno metody eksperymentalne, jak i teoretyczne.