Światło z czarnej masy. Opowieść o cząsteczce, która rozsławiła Opole

Co robi świecąca cząsteczka na scenie opolskiego amfiteatru? Odpowiedź prowadzi z opolskiego laboratorium prosto na okładkę „Chemical Communications” — jednego z prestiżowych czasopism Royal Society of Chemistry.

Zaczęło się od serii nieudanych reakcji, czarnej masy w laboratoryjnym szkle i naukowej niezgody dra hab. inż. Dawida Zycha, prof. UO,  na to, że „się nie da”. Skończyło się odkryciem nowej drogi do zmodyfikowania 2,7-diazapirenu, zgłoszeniem patentowym i cząsteczką będącą substratem do materiałów, które świecą tak obiecująco, że mogą w przyszłości inspirować rozwój sensorów, materiałów cienkowarstwowych i elektroniki organicznej. A że badania powstały w Opolu, ich bohaterka wyszła na scenę właśnie tutaj — w amfiteatrze, w świetle reflektorów, jak gwiazda, która z czarnego osadu przedostała się do światowej chemii.

Noc. Opolski amfiteatr. Na jego deskach, w centralnym miejscu, tam, gdzie zwykle staje artysta czekający na pierwszy dźwięk orkiestry — cząsteczka. Rozpięta w świetle niczym partytura zapisana językiem atomów, jak bohaterka wieczoru, która nie potrzebuje mikrofonu, bo w swej strukturze jest już dostatecznie wymowna, dumnie pręży swoje ramiona, oznajmiając historię naukowego zacietrzewienia i niezgody na niemożliwe.

Tak można by opisać okładkę 41. numeru „Chemical Communications” – prestiżowego czasopisma Royal Society of Chemistry, na którą trafiła praca prof. Dawida Zycha, zastępcy dziekana Wydziału Chemii i Farmacji UO. W świecie chemii taka okładka jest czymś więcej niż graficznym dodatkiem do publikacji. Jest sygnałem, że wynik zauważono, że uznano go za wart pokazania szerzej, że za technicznym tytułem naukowego komunikatu kryje się odkrycie z własną fascynującą historią. Historią badacza, który nie chciał pogodzić się z milczeniem materii, cząsteczki, która długo odmawiała współpracy, serii prób kończących się chemicznym fiaskiem, aktu naukowej złości, w którym sprawdzone metody musiały ustąpić intuicji, i wreszcie światła, które pojawiło się w miejscu, gdzie wcześniej istniała tylko czarna masa.

Bo czy można sobie wyobrazić lepszą metaforę nauki niż właśnie tę, gdy coś, co wydaje się porażką, nagle olśniewa blaskiem?

Cząsteczka, która stawiała opór

Dawid Zych od kilku lat pracuje nad azapirenami — związkami, które dla odbiorcy spoza laboratorium mogą brzmieć jak tajemnicze zaklęcia, dla chemików zaś oznaczają cząsteczki podobne do pirenu, ale zmienione bardzo precyzyjnie, bo w ich strukturze wybrane atomy węgla zastępują atomy azotu. W chemii taka pozornie niewielka zamiana potrafi odmienić cały charakter związku, podobnie jak jeden przesunięty akord potrafi zmienić nastrój utworu.

– Azapireny mogą wyglądać jak bliscy krewni pirenu, ale chemicznie nie są jego posłuszną kopią. Wystarczy wprowadzić do tej struktury atom azotu, a cały znany porządek zaczyna się przesuwać. Strategie, które działają dla pirenu, tutaj przestają być oczywiste. To właśnie było dla mnie najciekawsze: wejść w obszar, który w literaturze był właściwie ledwie uchylony, i sprawdzić, czy da się otworzyć go od zupełnie innej strony – mówi prof. Dawid Zych.

Projekt Sonata, finansowany przez Narodowe Centrum Nauki kwotą około 1,5 mln zł, pozwolił opolskiemu badaczowi wejść właśnie w ów obszar słabo opisany w literaturze. Interesował go 2,7-diazapiren — związek obiecujący, ale niepokorny; taki, który przypomina znaną konstrukcję, a jednocześnie wymyka się prostym analogiom. Chemik miał więc przed sobą coś w rodzaju precyzyjnie zamkniętego mechanizmu: pięknego w budowie, kuszącego zawartością, ale pozbawionego kodu dostępu.

Aby z takim związkiem pracować dalej, trzeba go najpierw zmodyfikować — nadać mu chemiczne „uchwyty”, do których będzie można przyłączać kolejne fragmenty i budować nowe pochodne. Pierwszym logicznym krokiem wydawało się bromowanie. Prof. Zych próbował więc kolejnych metod, sięgał po procedury znane z chemii pokrewnych układów, sprawdzał, modyfikował, powtarzał reakcje. Cząsteczka nie była jednak skora do współpracy — w szkle, zamiast oczekiwanego produktu, z uporem pojawiała się wyłącznie czarna masa.

– Przeszedłem przez metody, które znałem z chemii pirenu, i za każdym razem dostawałem tę samą odpowiedź: nic. Brom nie chciał wejść do cząsteczki, reakcje nie prowadziły tam, gdzie powinny, a w szkle zostawała czarna masa. W pewnym momencie naprawdę można było pomyśleć, że tej cząsteczki nie da się zmodyfikować – wspomina badacz.

Oleum, czyli ścieżka wysokiego ryzyka

Kiedy zawodzą metody oczywiste, nauka zaczyna wymagać zacięcia i charyzmy. Można zaniechać dalszych prac, opisać ograniczenia, uznać, że związek nie poddaje się planowanej reakcji. Można też, mając w ręku wiedzę i doświadczenie, zaryzykować.

Prof. Zych sięgnął po oleum — mieszaninę stężonego kwasu siarkowego i tlenku siarki, substancję niebezpieczną, agresywną, wymagającą laboratoryjnej rozwagi i respektu. Dla wielu związków organicznych takie środowisko jest jak ogień dla papieru: zamiast subtelnej przemiany grozi całkowity rozpad. Użycie oleum wobec delikatnej, upartej cząsteczki miało więc w sobie coś z ryzykownej prowokacji, generującej szansę na „rozkodowanie” cząsteczki.

– Kiedy zawiodły wszystkie rozsądniejsze drogi, wróciłem do bardzo starej, surowej chemii. Oleum nie jest delikatnym środowiskiem dla związku organicznego; wiele cząsteczek w takich warunkach po prostu się rozpada. Dlatego nie miałem pewności, że cokolwiek z tego ocaleje. A jednak spróbowałem — trochę z przekory, trochę z bezsilności, ale też z przekonania, że jeśli ta cząsteczka ma gdzieś ukryte przejście, to zachowawcze metody już go nie pokażą – opowiada prof. Zych.

W badaczu, który przez długi czas widzi same niepowodzenia, mieszają się: napięcie, irytacja, zmęczenie, czasem upór pomieszany z przekorą. Ale gdy te emocje są poparte solidnym warsztatem, mogą stać się twórcze. Wtedy złość przestaje być chaosem, a zaczyna działać jak odczynnik: przyspiesza decyzję, popycha do sprawdzenia drogi, której wcześniej nikt rozsądny nie postawiłby na pierwszym miejscu.

Reakcja znów dała czarny proszek. Z zewnątrz mogło to wyglądać jak powtórka porażki, ale Dawid Zych znał już te związki wystarczająco dobrze, by nie ufać pierwszemu wrażeniu. Wykonał kolejny krok, próbując sprawdzić, czy w tej niepozornej materii nie ukryło się coś, co dopiero później pokaże swoje właściwości.

I wtedy cząsteczka rozbłysła.

To zdanie ma siłę metafory, ale w tej historii jest również najzupełniej dosłowne. Powstała pochodna zaczęła świecić, a światło stało się pierwszym znakiem, że w czarnej masie nie było końca eksperymentu, lecz początek odkrycia.

Ukryte drzwi w molekularnej architekturze

– Najbardziej zaskoczyło mnie nie tylko to, że reakcja w ogóle zaszła, ale gdzie zaszła. Spodziewałem się innych miejsc w cząsteczce, tymczasem brom pojawił się w rejonie jak dotąd niedostępnym, nieopisanym, nieprzepracowanym, takim, który w chemii pokrewnego pirenu nie poddaje się łatwo podobnym zabiegom. To było tak, jakby cząsteczka nagle otworzyła drzwi do budynku, który wcześniej uważałem za zamknięty – tłumaczy prof. Zych.

Tytuł publikacji, „Selective K-region bromination unlocks 2,7-diazapyrene functionalization”, brzmi niezwykle technicznie. Po przełożeniu na język bardziej przyjazny laikom oznacza jednak coś bardzo konkretnego: udało się znaleźć sposób, by selektywnie zmienić cząsteczkę w miejscu, które otwiera drogę do tworzenia jej nowych pochodnych. Prof. Zych uruchomił więc ścieżkę, którą mogą potoczyć się kolejne badania.

Na drugim końcu tej ścieżki zaczęły pojawiać się właściwości szczególnie obiecujące. Nowe pochodne świeciły mocnym, fluorescencyjnym światłem przy bardzo niskich stężeniach, reagowały na zmianę środowiska, zmieniały zachowanie pod wpływem wody czy różnej kwasowości. Były jak maleńkie latarnie molekularne, czułe na otoczenie i gotowe odpowiadać światłem na bodźce, których ludzkie oko samo nigdy by nie dostrzegło.

– Szukam związków, które świecą mocno, wydajnie i przy naprawdę minimalnych ilościach. Nie mówimy o miligramach, ale o tysięcznych częściach miligrama, o bardzo rozcieńczonych roztworach, o cienkich warstwach. Właśnie dlatego takie cząsteczki są interesujące: mogą stać się bardzo czułymi detektorami zmian środowiska. Jeśli związek inaczej świeci po zmianie kwasowości, po dodaniu wody albo pod wpływem innego bodźca, to światło zaczyna być informacją – wyjaśnia badacz.

Czy z takich cząsteczek mogą kiedyś powstać nowe sensory, materiały cienkowarstwowe, elementy elektroniki organicznej albo rozwiązania przydatne w przemyśle? Odpowiedzialny naukowiec nie obiecuje gotowej technologii tuż po publikacji. Ale właśnie tak zaczynają się kierunki, które po latach potrafią zmienić praktykę: od niewielkiej próbki, od nieoczywistej reakcji, od związku, który świeci mocniej, czulej albo inaczej niż poprzednie.

Badania podstawowe bywają niesprawiedliwie cierpliwe. Długo nie widać ich skutków, długo nie da się opowiedzieć ich językiem natychmiastowej korzyści, długo wydają się pracą wykonywaną w cieniu. A jednak to one dopisują do świata nowe alfabety — takie, którymi później inżynierowie, technolodzy i przemysł uczą się pisać praktyczne rozwiązania.

Pięć stron, dwieście punktów i międzynarodowe uznanie

Wynik przeprowadzonych badań był na tyle mocny, że Dawid Zych zdecydował się opisać go nie w formie artykułu, lecz komunikatu naukowego. To forma krótka, dobitna, wymagająca, pozbawiona miejsca na długie wprowadzenia. Komunikat przypomina destylat z wielu miesięcy pracy: wszystko, co zbędne, musi odparować, a na końcu zostaje esencja.

Praca trafiła do „Chemical Communications” — jednego z najbardziej rozpoznawalnych na świecie czasopism chemicznych, wydawanego przez Royal Society of Chemistry, klasyfikowanego w pierwszym kwartylu SCImago i obecnego w międzynarodowym obiegu nauki od dekad. Jego publikacje są czytane przez chemików, materiałoznawców i badaczy nowych technologii na całym świecie, a sam tytuł należy do tych miejsc, w których nie wystarczy opisać poprawnego wyniku — trzeba pokazać coś świeżego, istotnego i wartego szybkiego zakomunikowania środowisku.

Publikacja przyniosła jeszcze jedną istotną korzyść. W Polsce czasopisma naukowe ujęte są w ministerialnym wykazie i mają przypisaną punktację, wykorzystywaną m.in. przy ocenie dorobku badaczy oraz działalności naukowej uczelni i instytutów. Najwyższy pułap tej skali to 200 punktów — i właśnie tyle przypisuje się publikacjom w „Chemical Communications”. Dla laika może to być tylko liczba z urzędowej tabeli. Dla chemika oznacza jednak coś znacznie bardziej konkretnego: praca przeszła przez drzwi prowadzące do jednego z najbardziej wymagających obiegów naukowych, gdzie liczy się świeżość wyniku, precyzja dowodu i znaczenie dla międzynarodowej rozmowy o przyszłości chemii.

Cząsteczka na opolskiej scenie

W czasopismach tej rangi pierwsza, tytułowa strona ma osobny ciężar: jest miejscem dodatkowej ekspozycji, wizualnym wyróżnieniem pracy, którą redakcja uznaje za wartą pokazania szerzej niż tylko w spisie treści i naukowym abstrakcie. Nie zastępuje recenzji, punktacji ani samej wartości publikacji, ale nadaje wynikowi twarz — pozwala mu wyjść z języka schematów i reakcji ku obrazowi, który można zapamiętać.

Okładka z opolską cząsteczką w roli głównej mogła wyglądać klasycznie: struktura chemiczna na ciemnym tle, abstrakcyjny schemat, efektowny układ pierścieni i atomów bromu. Dawid Zych postanowił jednak, że skoro wynik narodził się w Opolu, to także wizualna opowieść o nim powinna mieć opolski adres. Wybrał symboliczny amfiteatr, bo doskonale pasował do historii cząsteczki, która z czarnego proszku rozbłysła światłem niczym wschodząca gwiazda w blasku scenicznych reflektorów.

Dzięki temu naukowy komunikat zyskał drugi plan znaczeń — prestiż publikacji spotyka się z lokalnym symbolem miasta, a odkrycie z Opola zostaje pokazane w światowym obiegu chemii nie tylko jako wynik, lecz także jako opowieść o miejscu, z którego wyrasta.

Na końcu zostaje więc obraz niemal festiwalowy: nocne Opole, amfiteatr, światło reflektorów i cząsteczka stojąca w centrum sceny. Widzimy ją w chwili triumfu, ale ten triumf pamięta wcześniejszą ciemność. Bez czarnej masy w laboratoryjnym szkle nie byłoby światła na okładce. Bez frustracji nie byłoby decyzji o sięgnięciu po ryzykowne metody. Bez uporu nie byłoby drogi przez recenzje, publikację i zgłoszenie patentowe. Bez przywiązania do miejsca amfiteatr pozostałby poza kadrem.

– W tej pracy jest dużo przypadku, ale jeszcze więcej uporu. Czasem człowiek przez tygodnie widzi, że coś nie wychodzi, zaczyna kombinować w sposób, którego wcześniej zdroworozsądkowo by nie wybrał, i nagle okazuje się, że właśnie tam była droga. To jest żmudna praca, ale warto ja podejmować, bo w końcu znajduje się coś, co rozświetla naukowy mrok tak skutecznie, że wynagradza wszelkie wysiłki – podsumowuje Dawid Zych.

Iwona Święch- Olender

---

Źródło: Czas na Opole