Ten artykuł czytasz w ramach bezpłatnego limitu

Prof. Krzysztof Matyjaszewski to światowej sławy polski uczony ze słynnego Carnegie Mellon University w Pittsburghu w USA. Od lat wspiera rodzime placówki naukowe, prowadzi cykliczne wykłady dla studentów i doktorantów. Wielu młodych naukowców odbyło i odbywa staże w jego laboratorium w Pittsburghu. Uczony kieruje także na Wydziale Chemicznym Politechniki Łódzkiej projektem finansowanym przez Narodowe Centrum Nauki pt. „Nanomateriały o ściśle zdefiniowanej architekturze – projektowanie, synteza, właściwości”.

Naukowiec chce wytworzyć substancje zawierające nanocząstki o ściśle określonych rozmiarach. Większość z nich to nieznane dotąd materiały. Nauka nie poznała w pełni ich właściwości. Nie wiemy, jak dokładnie są zbudowane i co dzieje się wewnątrz ich skupisk. Aby się tego dowiedzieć, konieczne jest modelowanie z wykorzystaniem maszyn o ogromnych mocach obliczeniowych.

Prof. Matyjaszewski jest twórcą niezwykłej metody syntezy polimerów, tzw. metody ATRP (z jęz. ang. atom transfer radical polymerization). Odkrycie ATRP przyniosło mu sławę i sprawiło, że od lat jest wymieniany przez najpoważniejsze opiniotwórcze gremia naukowe na świecie, jako kandydat do nagrody Nobla w dziedzinie chemii. Można powiedzieć, że poza tym wyróżnieniem uzyskał już większość najważniejszych naukowych nagród na świecie.

Elektronika drukowana

Metoda ATRP została już wdrożona do produkcji przemysłowej, m.in. w Japonii, Europie i USA. Jej przemysłowe zastosowanie wymaga otrzymania tanich cząsteczek sprzyjających reakcji chemicznej (tzw. katalizatorów). Odkryte przez prof. Matyjaszewskiego katalizatory są ponad milion razy bardziej aktywne, znacznie tańsze i bardziej ekologiczne od dotychczas stosowanych. Profesor zastosował z sukcesem metodę ATRP do wytwarzania ponad 20 substancji chemicznych ważnych dla przemysłu.

– Otrzymywanie pojedynczych nanocząstek o ściśle określonych rozmiarach i kształtach to jedno z największych wyzwań nanotechnologii i inżynierii molekularnej – mówi profesor.

Kontrola reakcji chemicznej pozwala na uzyskanie nanoobiektów o ściśle określonej budowie wielkości rzędu 5-30 nanometrów (średnica ludzkiego włosa jest ponad 1000 razy większa). Tego typu materiały odgrywają coraz większą rolę w wielu gałęziach przemysłu, takich jak np. elektronika i optoelektronika nowej generacji.

W projekcie prof. Matyjaszewskiego metoda ATRP jest wykorzystywana do syntezy cząsteczek polimerów o skomplikowanej strukturze wieloramiennych gwiazd. Takie cząsteczki są następnie używane do tworzenia specjalnych nanomateriałów. Z nich można robić urządzenia elektroniczne prostymi i tanimi technikami drukarskimi – elektronika drukowana to gwałtownie rozwijająca się nowa gałąź przemysłu. Katedra Fizyki Molekularnej PŁ prowadzi na ten temat intensywne badania.

ARUZ w akcji

Otrzymywane metodą ATRP gwiazdy zawierają od kilku do kilkudziesięciu ramion. Ich długość można regulować. Ze względu na złożoną budowę, do opisu ich syntezy i przewidywania właściwości konieczne są zaawansowane metody obliczeniowe. Tu do akcji wkracza ARUZ, czyli Analizator Rzeczywistych Układów Złożonych. To bardzo wydajne urządzenie przeznaczone właśnie do takich obliczeń. Kosztowało 20 mln zł. Dla niego trzeba było wznieść specjalny budynek w kształcie ogromnego kielicha. Zostało zaprojektowane na Politechnice Łódzkiej w oparciu o ideę innego polskiego naukowca – prof. Tadeusza Pakuły, przyjaciela prof. Matyjaszewskiego. Prof. Pakuła pracował w słynnym Max-Planck-Institut für Polymerforschung w Niemczech, ale prowadził także grupę badawczą w Katedrze Fizyki Molekularnej na Wydziale Chemicznym PŁ. Jego współpracownicy i wychowankowie: Piotr Polanowski, Jarosław Jung i Krzysztof Hałagan, wraz z zespołem elektroników kierowanym przez prof. Andrzeja Napieralskiego z Wydziału Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki PŁ i firmą FOREL kierowaną przez dr. Witolda Zatorskiego zaprojektowali ARUZa, który powstał w łódzkim BioNanoParku. W budowie ARUZa uczestniczyła firma Ericpol, a także szereg małych i średnich przedsiębiorstw z regionu łódzkiego, co świadczy o olbrzymim potencjale w lokalnym przemyśle do wdrażania trudnych, nowatorskich rozwiązań.

Rzeczywiste materiały składają się z olbrzymiej liczby cząsteczek i atomów. ARUZ zawiera kilka milionów jednostek obliczeniowych. Specjalnie dla tej maszyny na uczelni opracowano zaawansowaną technologię równoległego przetwarzania danych, która umożliwia wykonywanie efektywnych analiz w niezwykle krótkim czasie. ARUZ jest w stanie bardzo szybko przewidzieć, w jaki sposób powstają i jak się zmieniają w czasie nanoobiekty o rozgałęzionej budowie. Dzięki temu w projekcie badawczym udało się opisać syntezę gwiazd posiadających nawet 48 ramion i przewidzieć, jak będą się zachowywały w rozpuszczalniku.

– To osiągnięcie pozwala zaprojektować kolejną generację gwiazd i zoptymalizować ich właściwości. Aby to osiągnąć bez modelowania z wykorzystaniem ARUZ-a, konieczne byłoby przeprowadzenie bardzo wielu kosztownych i czasochłonnych reakcji chemicznych – mówi prof. Matyjaszewski.

Lepszy od superkomputerów

ARUZ jest jedyną tego typu maszyną na świecie. Zawiera 26 tys. programowalnych układów logicznych najnowszej generacji. Umieszczone są w przestrzennej sieci i mogą zawierać do ok. 3 mln komórek przeznaczonych do jednoczesnego przetwarzania danych. To powoduje, że w wielu przypadkach urządzenie to stanowi alternatywę dla istniejących najwydajniejszych systemów superkomputerowych. Zaletą maszyny jest również jej duża sprawność energetyczna.

– W porównaniu na przykład z jednym z największych obecnie superkomputerów – chińskim Tianhe-2, jego energochłonność jest około 80 razy mniejsza – podkreśla dr Rafał Kiełbik, jeden z twórców ARUZ-a.

Obecnie zespoły naukowców z Politechniki Łódzkiej, Uniwersytetu Warszawskiego i Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu opracowują kolejne projekty mające na celu wykorzystanie ARUZ-a do rozwiązywania złożonych problemów z innych dziedzin nauki i techniki.

ARUZ W LICZBACH

* 40 ton wagi

* 4 metry wysokości

* 14 metrów średnicy

* 10 lat badań

* 6 ton kabli

* 100 km połączeń elektronicznych

* 26 tys. układów FPGA

* 0,5 megawata poboru mocy

NAGRODY

Najważniejsze nagrody i wyróżnienia zdobyte w ostatnich latach przez prof. Krzysztofa Matyjaszewskiego.

2017 Benjamin Franklin Medal in Chemistry

2015 The Dreyfus Prize in Chemical Sciences

2015 Overberger Prize (American Chemical Society)

2014 Award of Japan National Institute of Materials Science

2014 National Academy of Inventors

2013 ACS Akzo Nobel North America Science Award

2011 The Wolf Prize in Chemistry Doktor Honoris Causa wielu uczelni na całym świecie, w tym także Politechniki Łódzkiej.

* Prof. Jacek Ulański jest kierownikiem Katedry Fizyki Molekularnej na Wydziale Chemicznym Politechniki Łódzkiej

Artykuł otwarty w ramach bezpłatnego limitu

Wypróbuj prenumeratę cyfrową Wyborczej

Nieograniczony dostęp do serwisów informacyjnych, biznesowych,
lokalnych i wszystkich magazynów Wyborczej.