Dla mnie aerozol to substancja zamknięta pod ciśnieniem w puszce. Czy tym się Pan zajmuje?

– Aerozol powstaje wtedy, gdy cząstki jakiegokolwiek materiału w postaci kropel czy rozdrobnionej fazy stałej przechodzą do powietrza i zawieszone są w nim w miarę trwale, to znaczy nie opadają zbyt szybko. Łatwo sobie wyobrazić sytuację, gdy pył wzbudzony wiatrem wzlatuje w powietrze, ale gdy wiatr ucichnie, natychmiast opada, separuje się. Są jednak tak drobne cząstki, które w gazie zawieszone są w sposób trwały. Czas ich sedymentacji, czyli opadania, jest bardzo długi. Taki układ składa się z dwóch faz: ciągłej, czyli powietrza oraz rozproszonej, czyli cząstek trwale rozmieszczonych w gazie. To jest aerozol.

Dlaczego zainteresowały Pana aerozole?

– Aerozole powstają samoczynnie przy silnych ruchach powietrza – cząstki fazy stałej są porywane lub rozpraszane w powietrzu. Dym jest formą aerozolu. W zasadzie cały czas jesteśmy zanurzeni w aerozolu, bo przecież powietrze, które nas otacza, nie jest czystą mieszaniną gazów. Chcielibyśmy być w sposób naturalny zanurzeni w czystym powietrzu, jako źródle tlenu dostarczanego do płuc, a potem do krwi, do hemoglobiny, aby ją utlenowić. Jednak na skutek działalności natury i człowieka powietrze wypełnione jest mnóstwem małych cząstek – największe z nich widzimy czasami w strumieniu światła, które wpada do pomieszczenia przez szparę w drzwiach czy oknie.

Najpierw zajmował się Pan cieczami. Do aerozoli przeszedł Pan w Ameryce podczas stypendium podoktorskiego. Tam zrodziło się odkrycie, które po latach stało się podstawą zbudowania filtrów do silników z zapłonem samoczynnym.

– W Ameryce na „postdoku” zająłem się separacją tych układów, czyli rozdzielaniem cząstek, które zawieszone są w powietrzu, od gazu. Celem takiej operacji może być zebranie cennych cząstek bądź oczyszczenie z nich powietrza. Trzeba zatem stworzyć przegrodę, przez którą przepuścimy aerozol. Musi ona z jednej strony zatrzymać cząstki, a z drugiej strony wypuścić czyste powietrze. Taki jest cel filtracji.

Wtedy pojawia się nazwa „dendryty”?

– Gdy w 1978 r. przyjechałem do Houston, zaczęto mówić o nanostrukturach. Już wówczas interesowaliśmy się cząstkami o wymiarach nanometrycznych. Tak czystego środowiska wymagały wysokie technologie. Problem stanowiło wówczas identyfikowanie zwłaszcza niewielkich cząstek w układach rzeczywistych, czyli gdy zawieszone są w gazie. Nie było do tego przyrządów. Gdyby te cząstki zostały wyłapane, można by je było zbadać pod mikroskopem elektronowym. Założyliśmy, że chcemy zbadać cząstki submikronowe w aerozolach. Dotychczas w sposób wiarygodny za pomocą przyrządów optycznych, na przykład laserowych liczników cząstek, obserwuje się cząstki o wielkości powyżej 0,3 mikrometra. To jest odległość współmierna do długości fali świetlnej. Mówi się, że jak czegoś nie widać, to tego nie ma. Tymczasem może to być jedynie wynikiem niedoskonałości naszych narzędzi pomiarowych. Powstały nowe techniki pomiarowe, tak zwane liczniki kondensacyjne. Ich praca polega na tym, że małe cząstki nanometryczne w sposób kontrolowany, czyli przy zdefiniowanych warunkach termodynamicznych, wprowadza się do układu, w którym znajduje się para nasycona jakiegoś związku. Cząstka, przechodząc przez warstwę pary nasyconej powoduje, że ta para na niej kondensuje. Cząstka rośnie. Czekamy aż będzie tak duża, by można ją zmierzyć licznikiem optycznym. A ponieważ znamy dobrze proces kondensacji i substancję, która się kondensowała na cząstce, możemy, idąc niejako do tyłu, obliczyć pierwotną wielkość nanocząstki.

A skąd dendryty?

– Już do tego dochodzimy. Na ogół obiektem zatrzymującym cząstki w strukturze filtra jest włókno. Obserwowaliśmy, jak cząstki się na nim deponują. Cząstka, osadzając się na włóknie, zmienia lokalnie warunki geometrii. Przyczepiają się do niej kolejne cząstki z aerozolu. Staje się ona zarodkiem wzrostu swoistych odgałęzień, czyli struktury dendrytycznej.

Po co nam znajomość kształtów, jakie przybierają zanieczyszczenia w filtrze?

– Na początku chcieliśmy określić dynamikę wzrostu takich „drzewek” oraz ich przestrzenną rozbudowę. Optymalizując strukturę filtra, bierzemy pod uwagę trzy parametry: sprawność w czasie, opory przepływu, czyli spadek ciśnienia przy przejściu gazu przez filtr, oraz czas życia filtra, gdyż obładowany filtr ma coraz mniejszą przestrzeń na przepływ gazów i pomału się zapycha. Jeśli ten filtr jest maską, to człowiek nie może oddychać, jeśli zaś jest filtrem technologicznym, to wentylacja jest coraz bardziej obciążona. Rzecz w tym, aby czas życia filtra był jak najdłuższy. Znajomość tego, co dzieje się w filtrze w czasie filtracji, jest kluczowa.

Rozumiem, że to były jeszcze badania podstawowe?

– Tak. Aplikacjami zająłem się później, już w Polsce. Wtedy miałem jakieś wyobrażenie o procesie i stworzyliśmy model matematyczny, obrazujący dynamikę wzrostu struktur dendrytycznych.

Czy matematykę traktuje Pan wyłącznie użytkowo, jako narzędzie do rozwiązywania problemów inżynierskich?

– Przede wszystkim. Często jest tak, że ci, którzy zajmują się modelowaniem matematycznym, nie mają wykształcenia matematycznego. Wystarczy im znajomość pewnych dziedzin matematyki. Natomiast zdarza się, że na styku dyscyplin, którymi się zajmujemy, powstają zupełnie nowe rozwiązania, nowa wiedza. W takim przypadku pomaga znajomość matematyki jako dyscypliny naukowej z jej wszystkimi aspektami.

Przykład z Pana dziedziny wiedzy?

– Układ oddechowy jest bardzo dobrą drogą wprowadzania do organizmu różnych substancji, zarówno szkodliwych, jak i leczniczych. Już samo drzewo oskrzelowe jest rodzajem filtra, bo jest to sekwencja rozgałęziających się rurek, aż do pęcherzyka płucnego. To bardzo dobrze filtruje powietrze. Ale płuco też by się zapchało, jak każdy filtr. Istnieje zatem mechanizm oczyszczający, tak zwany mechanizm śluzowo−rzęskowy, który usuwa wychwycone zanieczyszczenia. W dolnych drogach oddechowych nie ma śluzu, jest natomiast surfaktant płucny – substancja powierzchniowo czynna, której pierwotną rolą jest obniżanie napięcia powierzchniowego. Dzięki temu oddycha nam się łatwiej. Ta powierzchnia – u dorosłego człowieka około 90 m2 – jest sprężysta, w trakcie wdechów i wydechów zwiększa się i zmniejsza. To ułatwia przenikanie tlenu do krwi. Gdy nastąpi uszkodzenie tej substancji, mamy płytki oddech i człowiek się dusi. W badaniach in vitro odkryliśmy jeszcze jeden aspekt: surfaktant w cyklu oddechowym wytwarza siłę powierzchniową, wypychającą do oskrzeli cząstki, które deponują się w pęcherzykach. Ten mechanizm pokazuje, że w pęcherzykach zachodzi oczyszczanie. Surfaktant stymuluje działanie makrofagów płucnych, komórek, które wchłaniają i unieszkodliwiają ten depozyt, a poza tym powoduje wzmożenie transportu tlenu. Siły powierzchniowe powodują mieszanie cieczy wyściełającej pęcherzyk, a wtedy tlen łatwiej wnika do krwi.

A co ma do tego matematyka?

– Najpierw powstał model fizykochemiczny, czyli wyobrażenie tych zjawisk i zdefiniowanie sił oraz zależności ilościowych procesów, które tam zachodzą. W konsekwencji powstał system równań różniczkowych, który opisuje zjawiska zachodzące w płucach. Potem nastąpiła weryfikacja in vitro. Dostawaliśmy od lekarzy surfaktant naturalny z organizmów ludzkich i na przyrządzie, który tu mamy, odtwarzamy strukturę geometryczną pęcherzyka i analizujemy zjawiska transportowe, jakie zachodzą w płucach. To była pierwsza weryfikacja modelu.

Mówiliśmy o badaniach podstawowych. Jednak Pan stworzył szereg pomysłów wdrożonych do produkcji. Łatwo nawiązać kontakt z biznesem?

– Nie. Mógłbym powiedzieć, że paradoksalnie moje kontakty z przedsiębiorcami zaczęły się w 1982 roku od znajomości z profesorem Janem Rudnikiem, ówczesnym dyrektorem Instytutu Matki i Dziecka w Rabce. Po konferencji na temat aerozoli prof. Rudnik zapytał: „A może by się pan zajął aerozolami leczniczymi?” Inhalacje są podstawową terapią w leczeniu astmy. To mnie skłoniło do studiów nad funkcją płuca – stąd wszystkie odkrycia z tego zakresu. Ale prof. Rudnik mówi: „Nam nie chodzi o wyjaśnienie, jak to się dzieje. Dzieci przyjeżdżają na jeden dzień przez całą Polskę, potrzebują urządzeń terapeutycznych, a te się ciągle psują”. Pomoc tym dzieciom to było prawdziwe wyzwanie. Najpierw nauczyliśmy się naprawiać stare inhalatory, których używano w Rabce. Trochę poprawiliśmy je. Rozpoznaliśmy mechanizmy, jakie kierują deponowaniem i transportem leków w płucach – to u dzieci w różnym wieku się zmienia. Zrobiliśmy pierwsze badania nad ultradźwiękowym inhalatorem przenośnym, który można było mieć w domu, bo był stosunkowo tani. Zbudowaliśmy w politechnice prototyp i zawieźliśmy do Rabki na międzynarodowe sympozjum na temat astmy. Uczestnikom spodobała się prosta konstrukcja i prof. Rudnik dał przyzwolenie na wypróbowanie urządzenia. Produkcją zajęła się firma Thomex, która obecnie ma brytyjskiego właściciela. Prof. Rudnik zmarł w 1986 roku, ale jego wpływ na tę problematykę był naprawdę inspirujący.

A jak to się stało, że od inhalatorów przeszedł Pan do filtrów do silników Diesla?

– W obu przypadkach mamy do czynienia z aerozolami. Właściwie przed filtrami do Diesla stosowane były zwykłe maseczki przeciwpyłowe. W Thomeksie pracował Jacek Bodasiński. Cieszę się, że spotkałem go na swojej drodze. Naukowcowi bardzo trudno znaleźć przedsiębiorcę, który rozumie, że ważna jest innowacyjność, że warto w nią inwestować. To człowiek, który te sprawy rozumie. Interesował się moimi, a właściwie całego mojego zespołu, pracami dotyczącymi filtrowania. Założył firmę Microspun Products zajmującą się wytwarzaniem systemów filtracyjnych.

Jakie filtry produkowała?

– Pewnie się pan zdziwi, ale zwykłe maseczki przeciwpyłowe.

Co w nich było z wysokich technologii? Co było takiego, że powalało odbiorcę? Zdobyliście nimi rynek?

– Wcześniej produkowane maski miały dość wysoką sprawność początkową, ale bardzo szybko się zapychały. Po prostu utrudniały oddychanie i ludzie, choć zdawali sobie sprawę ze szkodliwości pracy bez zabezpieczenia, zdejmowali je lub wcale nie nakładali. Nasze maski dość długo utrzymują wysoką wydajność. Faktycznie zawojowaliśmy rynek.

Bodasiński tak po prostu zobaczył Pański wynalazek i krzyknął: „No, to buduję fabrykę”?

– Najpierw trzeba było pokazać, że możemy to zrobić na skalę większą niż laboratoryjna. Trzeba było stworzyć do tego zaplecze techniczne. Mieliśmy tu miejsce – teren Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej jest dość duży. Całe nasze zaplecze badawcze zaoferowaliśmy na usługi przedsiębiorcy. On zainwestował w budowę maszyn i technologie. Tak powstał park technologiczny. Wyprodukowaliśmy maski o bardzo wysokiej sprawności. Zgodnie z umową, główna część pieniędzy szła na uczelnię, jako opłaty licencyjne. Firma wybudowała potem swoją linię technologiczną na warszawskiej Pradze.

Jest takich parków technologicznych w Polsce wiele i chyba nie działają zbyt dobrze.

– Niestety, to prawda. U nas nie ma jeszcze właściwego przemysłu. Mamy, z jednej strony, kapitalizm państwowy, który nie jest zainteresowany nowościami, bo to mu przerywa rutynowe prace i wykonanie planu. Gdy w związku z jakimiś przepisami musi dać pieniądze na innowacje i badania, daje nie tam, gdzie trzeba i te środki w dużej mierze się marnują. Z drugiej strony jest słaby przemysł prywatny. Przeważa u nas kapitalizm oligarchiczny. W działaniu przedsiębiorcy nie ma miejsca na innowacyjność, na ryzyko. A innowacyjność jest kluczem do postępu technicznego. Efekt osiąga się wtedy, gdy przedsiębiorca zainwestuje własne pieniądze.

Na Zachodzie jest inaczej? Odczuł to Pan na własnej skórze?

– Najbardziej akurat na Wschodzie, w Japonii, w grudniu 2001 roku. Budowaliśmy nanocząstki do transportu leków. Dostałem do pomocy trzech studentów, którzy podeszli do tego z niezwykłym entuzjazmem. Praca trwała 24 godziny na dobę. Wyznaczałem parametry procesu, współpracownicy natychmiast zadawali je urządzeniom. Szedłem spać o pierwszej w nocy, a za kilka godzin był telefon, że już są rezultaty. Nie spodziewałem się, że podczas sześciotygodniowej wizyty osiągniemy cokolwiek znaczącego, jednak się udało. Wyobrażam sobie, że podobne napięcie i emocje mogą towarzyszyć artyście podczas pracy twórczej.

U nas podobnie szybkie rozwiązywanie problemów naukowych i technicznych nie jest możliwe?

– U nas droga od pomysłu do jego realizacji, a potem sprawdzenia, jest bardzo długa. Trzeba zbudować aparaturę, gdy czegoś zabraknie, to znów starać się o środki, a czasami po prostu trudno jest coś na miejscu kupić. Na sprawdzenie wyników czeka się niekiedy miesiącami. Tam było wszystko na miejscu, na zawołanie. Żadnych problemów z przyrządami, badaniami, pieniędzmi. A jeszcze ta ich gotowość do pracy, napięcie twórcze. Oni chcieli pracować po nocach, żeby tylko osiągnąć wynik. Miałem gabinet obok prof. Okuyamy, który był szefem laboratorium. Co chwila wchodził do niego przedstawiciel innej firmy – oni tylko czekali na nowe pomysły, żeby je brać do wdrożenia. Przemysł naciskał na naukę, żeby wymyślała nowe rozwiązania. W Ameryce obserwowałem podobne tempo i napięcie tylko podczas krótkiego pobytu w MIT.

Dlaczego nie wyjechał Pan za granicę?

– Miałem kilka intratnych propozycji. Nie chciałbym używać wielkich słów. Człowiek chce coś zrobić dla własnego kraju. Chodzi mi zwłaszcza o znakomity intelektualnie zespół. Stworzyłem go i trudno mi go teraz opuścić. Koledzy jeżdżą za granicę. Atmosfera intelektualna jest tutaj taka, że chcą wracać. Praca z zespołem w politechnice, ale też współpraca z ludźmi z Akademii Medycznej czy Instytutu Ochrony Pracy, jest niezastąpiona. Trudno by mi było budować takie kontakty za granicą, nie znając uwarunkowań zewnętrznych, których nie jesteśmy świadomi, ale które przecież wszędzie istnieją. Pieniądze nie są najważniejsze.

Gdy tu rozmawiamy przez te dwie godziny zaglądają Włosi, Irakijczycy, dzwonią Brytyjczycy – wszyscy od Pana czegoś chcą. Jak w Japonii u Okuyamy.

– Włosi i Brytyjczycy chcą produkować inhalatory naszej konstrukcji, a Irakijczycy zainteresowani są zakupem kontenerowych mobilnych stacji uzdatniania wody, które skonstruowaliśmy z prof. Wojciechem Piątkiewiczem.

No i jeszcze filtry do silników Diesla, które zbudował Pan dla Cumminsa...

– To nie był wynik tych dwóch czy trzech lat pracy, tylko doświadczenia i wielu lat badań podstawowych. Można powiedzieć, że myśmy już przed opracowaniem tych filtrów i inhalatorów wiedzieli wszystko, co do tego było potrzebne. Teraz pozostało tylko tę wiedzę zaaplikować do konkretnych uwarunkowań, wydarzeń technologicznych.

Pańskie inspiracje?

– Konkretne potrzeby ludzi... A widzi pan, co leży na moim biurku? Biblia i Liberalizm von Missesa. Wartości konserwatywne pomagają zachowywać się przyzwoicie i wykonywać pracę rzetelnie. Biblia daje podstawy moralne, światopoglądowe, bardzo uczonemu potrzebne. W tym obszarze intelektualnym i etycznym się poruszam.