Zastosowanie adsorbentów węglowych do immobilizacji zanieczyszczeń organicznych i obniżenia toksyczności zanieczyszczonych gleb.

Zakłady wytwórni mas bitumicznych, czy koksownie mogą emitować zanieczyszczenia organiczne, takie jak wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA). Związki te mogą akumulować się w glebach a następnie migrować do wód powierzchniowych prowadząc do stopniowej degradacji środowiska. Podjęto badania dotyczące zastosowania adsorbentów węglowych takich jak węgiel aktywny (AC) oraz biowęgiel (BC) w celu remediacji zanieczyszczonych gleb. W badaniach tych wykorzystuje się zasadę, że nie całkowita zawartość zanieczyszczeń występujących w glebie jest szkodliwa, a tylko pewna jej część (tzw. frakcja biodostępna), którą można związać przez adsorbent. Badania laboratoryjne potwierdziły wysoką skuteczność zastosowania adsorbentów w celu związania WWA obecnych w glebach. Bardziej efektywnym okazał się AC, niemniej jednak wykorzystanie BC jest znacznie tańsze, a jak pokazały badania polowe pozytywnie wpływa na właściwości gleb. Dodatkowo w celu zwiększenia skuteczności BC poddano go różnym metodom modyfikacji, które znacząco podniosły skuteczność BC. Badania pokazały również że, efektywność remediacji przy zastosowaniu różnych adsorbentów jest zależna od rodzaju gleby, a przede wszystkim powinowactwa zanieczyszczeń do danej gleby. Badania laboratoryjne zweryfikowano w ramach eksperymentu polowego, który był pierwszą taką próbą, w której porównywano efektywności wiązania biodostępnych WWA przez AC lub BC w perspektywie długiego ich oddziaływania. Projekt realizowano w ramach Polsko-Szwajcarskiej współpracy naukowej. W ramach badań opublikowano około 20 artykułów w czasopismach o zasięgu międzynarodowym i wysokim IF.

Opracowanie modeli siatkowych samoorganizacji cząsteczek w organicznych i metaloorganicznych warstwach zaadsorbowanych.

Samoorganizacja cząsteczek organicznych na powierzchniach krystalicznych grafitu czy metali szlachetnych jest zjawiskiem złożonym, o dużym znaczeniu praktycznym w otrzymywaniu nanostruktur molekularnych (polimerów, sieci, matryc itp.) o programowalnych właściwościach fizykochemicznych. Do projektowania struktur tego typu wykorzystuje się symulacje komputerowe, które mogą znacząco zredukować czas i koszty związane z syntezą testowych bloków budulcowych. Zaproponowane rozwiązanie teoretyczne polegało na wykorzystaniu techniki Monte Carlo w połączeniu z dyskretną reprezentacją cząsteczek o liniowej i nieliniowej strukturze, w tym gwieździstej geometrii. Pominięcie detali modelowanych układów na poziomie kwantowym z jednoczesnym uwzględnieniem najważniejszych parametrów strukturalnych pozwoliło na konstrukcję wydajnych programów obliczeniowych. Udało się odtworzyć szereg obserwowanych doświadczalnie struktur molekularnych stabilizowanych przez oddziaływania wodorowe, oddziaływania van der Waalsa oraz połączenia metalo-organiczne. Nasze podejście teoretyczne umożliwiło też przewidywanie nowych nieznanych dotąd architektur molekularnych. Na szczególną uwagę zasługuje tu pierwszy w literaturze światowej sposób konstrukcji molekularnych agregatów fraktalnych o budowie trójkąta Sierpińskiego powstających w zaadsorbowanych układach jednoskładnikowych i w warstwach metalo-organicznych. Pomysł ten został w ostatnich latach wielokrotnie pomyślnie zweryfikowany eksperymentalnie i przyczynił się znacznie do rozwoju badań nad układami tego typu (opublikowane artykuły w J. Am. Chem. Soc., ACS Nano, Nanoscale, Chem. Comm).

Opracowanie technologii światłowodów wielordzeniowych.

Na Wydziale Chemii UMCS rozwijane są technologie fotoniczne, a w szczególności technologie światłowodowe. W ramach prowadzonych badań opracowano technologię pasywnych i aktywnych światłowodów wielordzeniowych, która wkrótce będzie wdrożona w jednej ze współpracujących z Wydziałem Chemii firm. Tego typu światłowody stanowią podstawowe medium transmisyjne w nowej generacji systemach telekomunikacyjnych wykorzystujących zwielokrotnienie przestrzenne (tzw. space division multiplexing). Ważną zaletą opracowanej konstrukcji światłowodu wielordzeniowego jest kompatybilność z obecnie wykorzystywanymi w telekomunikacji światłowodami jednomodowymi. Dzięki temu wykorzystanie włókien wielordzeniowych nie będzie się wiązało z koniecznością wymiany obecnie istniejących sieci telekomunikacyjnych. Opracowano również szereg technologii mikrostrukturalnych światłowodów specjalnych, wśród których na szczególną uwagę zasługują włókna do nowej generacji czujników optycznych wykorzystujących tzw. rocking filters. Tego typu światłowody, a tym samym i czujniki wykazują ok. dwa razy większą czułość na wybrane parametry fizyczne (ciśnienie, temperatura, naprężenie itp.) w porównaniu z obecnie znanymi konstrukcjami. Ponadto opracowano technologie specjalnych światłowodów mikrostrukturalnych wykorzystywanych w źródłach światła nowej generacji. Dzięki odpowiedniej mikrostrukturze udało się w tego typu włóknach uzyskać poszerzenie impulsu światła o centralnej długości 1550 nm (tzw. efekt supercontinuum) aż do 2100 nm, a przy użyciu specjalnego lasera pompującego aż do 2600 nm. Dotychczas w technice generacja tak szerokiego spektrum w światłowodach ze szkła krzemionkowego nie była znana.

Opracowanie układu HS-SPME do szybkiej analizy skriningowej mieszanin lotnych związków organicznych.

W dobie coraz większej dbałości o środowisko szczególnie dużym zainteresowaniem cieszy się bezrozpuszczalnikowa metoda przygotowania próbki do analizy jaką jest mikroekstrakcja do fazy stałej (Solid Phase Microextraction – SPME) stosowana rutynowo w analizie fazy nadpowierzchniowej (Head-Space – HS) lotnych związków organicznych znajdujących się w złożonych matrycach – tzw. technika HS-SPME. Zasadniczym jej ograniczeniem jest bardzo żmudna i trudna kalibracja wykorzystywanego układu jeżeli prowadzona jest analiza ilościowa złożonej mieszaniny związków lotnych. Wprowadzona na naszym Wydziale modyfikacja układu HS-SPME polega na wykorzystaniu zawiesiny badanej próbki w cieczy o podobnym charakterze fizykochemicznym co charakter zastosowanego włókna SPME. Zaproponowana modyfikacja pozwala na wyeliminowanie procesu czasochłonnej kalibracji układu HS-SPME i znacznie skraca czas analitycznej procedury z wykorzystaniem tej techniki. Ta nowatorska i oryginalna nowelizacja powszechnie stosowanej metody HS-SPME przyczynia się tym samym do zwiększenia analitycznej efektywności laboratoriów badawczych. Zmodyfikowana metoda została zweryfikowana praktycznie, a wyniki badań zostały opublikowane w renomowanych analitycznych zagranicznych periodykach o wysokim IF. Za znaczeniem opracowanego układu HS-SPME do szybkiej analizy skriningowej mieszanin lotnych związków organicznych przemawia zainteresowanie praktycznym wykorzystaniem go przez laboratoria zajmujące się oceną olejkodajnych roślin.

Stereochemia związków heterocyklicznych wykazujących aktywność biologiczną.

Badania stereochemii metodami rentgenowskiej analizy strukturalnej są wykorzystywane do określania relacji struktura – aktywność. Prace interdyscyplinarne prowadzone są we współpracy m.in. z zespołami chemików organików z Uniwersytetu Medycznego w Warszawie i w Lublinie. W ramach współpracy syntezowane są nowe grupy związków o obiecujących własnościach biologicznych, a testy wykazują ich aktywność mikrobiologiczną (w tym przeciwgruźliczą), przeciwwirusową (HIV-1), przeciwnowotworową itp. Wśród badanych pochodnych są związki zwierające układy arylopiperazyny, sukcynimidu, triazolu, kumaryny, benzofuranu, indoloetylu, iminoimidazolidyny, imidazopirymidyny, imidazotriazyny, a także związki pochodne N,N’-dipodstawionego tiomocznika. Badania zostały opisane w 15 oryginalnych publikacjach o zasięgu międzynarodowym. Dwie z nich to prace przeglądowe analizujące modele farmakoforów dla receptorów serotoninowych 5-HT1A, 5-HT2A i 5-HT7. Syntezowano też kompleksy z jonami miedzi lub cynku, stosując jako ligandy cząsteczki wybrane spośród wyżej wymienionych. Reakcje prowadzono w sposób nieklasyczny, z wykorzystaniem metod elektrochemicznych i bezpośrednich (reagentem była metaliczna miedź). Ponieważ aktywność biologiczna zależy od sposobu oddziaływań niekowalencyjnych, wstępne rozwiązanie tego problemu można osiągnąć, analizując sposób kontaktów międzycząsteczkowych w kryształach molekularnych. W pracach wykazano jaką rolę w stabilizacji sieci krystalicznej pełnią zarówno “klasyczne” wiązania wodorowe, słabe oddziaływania typu C-H…X, jak i staking układów aromatycznych. Badania takie służą jako baza strukturalna do projektowania nowych potencjalnych leków.

Laboratorium certyfikowane – Laboratorium Analityczne Wydziału Chemii

Zrealizowane projekty infrastrukturalne

W latach 2009-2015 Wydział Chemii UMCS pozyskał duże wsparcie finansowe z Unii Europejskiej w ramach kilku programów operacyjnych. Wynikiem tego wsparcia jest zmodernizowana infrastruktura badawcza i dydaktyczna Wydziału. Utworzone zostały nowe laboratoria oraz zmodernizowane już istniejące. Rozbudowaliśmy bazę aparaturową o nowe techniki pomiarowe poszerzając znacząco nasze możliwości badawcze w kierunku zwiększenia potencjału innowacyjnego, ukierunkowania na praktyczne wykorzystanie wyników badań i wdrażanie nowo opracowanych technologii. Rozszerzenie bazy aparaturowej pozwala na rozwój naszego potencjału badawczego m.in. w kierunku zwiększenia możliwości otrzymywania i badania nowych związków, materiałów, substancji aktywnych biologicznie oraz próbek środowiskowych.

1. „Wzrost potencjału badawczo-rozwojowego Wydziałów Chemii i Biologii i Nauk o Ziemi UMCS w Lublinie” (Program Operacyjny Rozwój Polski Wschodniej) (33 mln PLN, w tym dla WCh ponad 20mln, wkład własny pokryty z dotacji ministerialnej)
2. „Modernizacja i wyposażenie obiektów dydaktyczno-badawczych Wydziałów Biologii i Nauk o Ziemi, Matematyki, Fizyki i Informatyki i Chemii UMCS w Lublinie” (Regionalny Program Operacyjny) (16,36 mln PLN, w tym dla WCh 5 mln PLN, wkład własny 25%)
3. „Rozwój i modernizacja bazy dydaktyczno-naukowej na kierunkach priorytetowych Wydziału Chemii, Biologii i Nauk o Ziemi oraz Matematyki, Fizyki i Informatyki Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie” (Program Operacyjny Infrastruktura i Środowisko) (wspólny projekt Wydziałów Chemii, MFI oraz Biologii i Nauk o Ziemi) (64 mln PLN, w tym dla WCh 24 mln, 0% wkładu własnego)
4. „Wyposażenie laboratoriów Wydziałów Biologii i Biotechnologii, Matematyki, Fizyki i Informatyki oraz Wydziału Chemii pod kątem badań substancji o aktywności biologicznej i próbek środowiskowych” (Program Operacyjny Rozwój Polski Wschodniej) (31 mln PLN, w tym dla WCh 10 mln PLN, 10% wkładu własnego) (złożony wniosek)
5. „Centrum Nanomateriałów Funkcjonalnych” (Program Operacyjny Innowacyjna Gospodarka) (45 mln PLN, 0% wkładu własnego)

Organizowanie konferencji o zasięgu międzynarodowym

Ważnym czynnikiem rozpoznawalności WCh UMCS są organizowane międzynarodowe konferencje naukowe, wśród nich dwie konferencje cykliczne. Pierwsza to międzynarodowe sympozjum organizowane we współpracy z PTChem „Surface Heterogeneity Effects in Adsorption and Catalysis on Solids” (ISSHAC), organizowane od 1992 roku co trzy lata, (ostatnio w 2015). Jego tematyka koresponduje z badaniami w dziedzinie fizykochemii zjawisk międzyfazowych, zwłaszcza adsorpcji i katalizy. W każdym sympozjum uczestniczyło od 120 do 180 naukowców z ponad dwudziestu krajów, przy czym naukowcy z zagranicy stanowili 60-70% ogółu uczestników. Prace prezentowane na sympozjum były publikowane w wydaniach specjalnych czołowych czasopism międzynarodowych z wysokim IF: Langmuir, Applied Surface Science oraz Adsorption. Druga konferencja to polsko-ukraińskie sympozjum: „Theoretical and Experimental Studies of Interfacial Phenomena and Their Technological Applications” ściśle związane z ponad 30-letnią współpracą naukową w dziedzinie fizykochemii zjawisk powierzchniowych pomiędzy Wydziałem Chemii UMCS a Narodową Akademią Nauk Ukrainy. Sympozja odbywają się na przemian w Polsce i na Ukrainie, ostatnie (XV) odbyło się we Lwowie w roku 2016. Sympozja gromadzą ok. 100-120 uczestników (po połowie z każdego kraju). Prace prezentowane na sympozjach były publikowane w czasopismach z IF (Polish Journal of Chemistry, Journal of Applied Surface Science, Journal of Adsorption Science&Technology). W 2015 roku Wydział organizował 12th Conference of Thermal Analysis and Calorimetry (CCTA12) z 250 uczestnikami z kraju i zagranicy. Wybrane artykuły pokonferencyjne ukazały się w specjalnym wydaniu Journal of Thermal Analysis and Calorimetry.