Ar milzu veiktspēju

Jaunā zinātnieka Andra Šutkas (34) izveidotajā RTU Funkcionālo materiālu tehnoloģiju zinātniskajā laboratorijā notiek pētījumi, kas var mainīt notikumu gaitu visā pasaulē. Viens no viņa atklājumiem — jauns materiāls, kas iznīcina baktērijas un vīrusus

Kad Andris Šutka stāsta par saviem pētījumiem, viņš izklausās kā 21. gadsimta burvis. Taču visburvīgākais ir tas, ka viņa un kolēģu izgudrojumi agri vai vēlu kļūs par īstenību. Rīgas Tehniskajā universitātē (RTU) viņam ar kolēģiem jau izdevies sintezēt jaunu savienojumu, kas spēj nogalināt baktērijas. Tikai vēl jāatrod, kā to iestrādāt materiālos, ar ko pārklāt virsmas, lai uz tām ietu bojā arī tādi vīrusi kā koronavīruss. 

Cits Andra vadītais pētījumu virziens ir saistīts ar viedajiem logiem, kas spētu kontrolēt saules infrasarkanā starojuma caurlaidību un ļautu ietaupīt milzum daudz elektrības, ko pašlaik stiklotās biroju ēkās tērē gaisa kondicionētāju darbināšanai.

Andra karjera ir galvu reibinoša. Viņam bija tikai 26 gadi, kad viņš RTU ieguva doktora grādu ķīmijas inženierzinātnēs. Pēc diviem gadiem, būdams jau Silikātu materiālu institūta vadošais pētnieks, ieguva titulu RTU Gada jaunais zinātnieks 2014. Vēl pēc trim gadiem Andris saņēma arī RTU izcilības grantu — 270 tūkstošus eiro, ko izmantoja, lai augstskolā izveidotu Funkcionālo materiālu tehnoloģiju laboratoriju. «Starp citu, manā zinātnieku grupā visi esam jaunieši,» par savu desmit cilvēku komandu saka Andris. Zinātniekus par jauniem uzskata līdz 35 gadu vecumam, bet, kā smiedamies saka Andris, par veciem viņus nesauc nekad, tikai par «pieredzējušiem».

Taču, izvērtējot zinātniskos sasniegumus, Andrim ir svarīgi nesasteigt notikumus un ievērot precizitāti. 

Tieši tāpēc viņš šogad ar latviešu un austrāliešu kolēģiem vienā no respektablākajiem žurnāliem pasaulē Advanced Materials publicēja rakstu, ar kuru norādīja uz kļūdu citu zinātnieku mērījumos. Šī labojuma jēga — nemaz ne tik drīz mēs staigāsim apģērbā, kas uzlādē mobilo tālruni.

Vīrusu iznīcinātājs

Ar Andri tiekamies laikā, kad koronavīruss Latvijā, tāpat kā daudzās citās valstīs, izplatās ar lielāku joni nekā pavasarī. Tāpēc Andris vispirms pastāsta par savu darbu valsts pētījumu programmā Covid-19 seku mazināšanai. Andra komanda pēta viņa atrasto aktīvo  antimikrobiālo savienojumu.

«Tas sastāv no nekaitīgiem joniem, no kalcija un dzelzs. Mijiedarbojoties ar gaisā esošo mitrumu un no tā saražojot radikāļus, tas spēj iznīcināt baktērijas un vīrusus,» skaidro Andris. Ceļš pie jaunā savienojuma sācies jau pirms desmit gadiem, kad viņš, gatavojot doktora disertāciju, sintezēja dzelzs oksīdu savienojumu nanodaļiņas. Vēlāk kopā ar kolēģiem Andris ieguva jaunus dzelzs oksīdu materiālus ar  fotokatalītiskām īpašībām, tātad tie gaismas iedarbībā ierosina ķīmisku reakciju. Pētījumu gaitā atklājās, ka Andra atrastajam materiālam piemīt arī spēcīga antimikrobiālā aktivitāte (arī tumsā), lai gan materiāls pats par sevi ir pilnīgi netoksisks. 

Pirmā ideja bija likt jaunajam savienojumam attīrīt dūņas, ko izmanto notekūdeņu attīrīšanai. Pašlaik dūņas nevar izmantot kā mēslojumu lauksaimniecībā, jo tajās sakrājies daudz baktēriju, kuras var izraisīt nopietnas infekcijas slimības. Lai patogēni ietu bojā, vajadzīgi gadi, bet jaunradītais pulveris spēj tos iznīcināt pusstundas laikā. «Paliek faktiski sterilas dūņas,» saka Andris.

Taču pandēmijas apstākļos radusies ideja par jaunu pielietojumu. «Mēģinām ātrā tempā šo materiālu uztaisīt tādu, lai radītu virsmu pārklājumu, uz kura gan mikrobi, gan vīrusi mirst,» saka Andris. Piemēram, publiskās ēkās un sabiedriskajā transportā rokturus varētu notīt ar šādām līmlentēm, kas visus vīrusus vienkārši nogalinātu. Iedomājieties, kā tas varētu samazināt Covid-19 un citu lipīgo slimību izplatību!

Izstrādā viedos logus

Vēl viens Andra komandas pētījuma virziens ir fotohromie materiāli, kas gaismas iedarbībā maina  krāsu. Pētnieku nolūks ir izstrādāt viedo logu ierīces, kas regulētu siltuma  un saules gaismas caurlaidību. Kā saka Andris, stiklotajos debesskrāpjos «kondicionētāju dēļ ir ārprātīgs elektrības patēriņš». Piemēram, ASV mājsaimniecības ik gadu par gaisa kondicionētāju patērēto elektrību samaksā gandrīz 26 miljardus eiro.  

Ideja par viedajiem logiem Andri aizrāvusi kā pēcdoktorantūras pētnieku Tartu Universitātē, kur viņš eksperimentējis ar siltuma un gaismas caurlaidīgumu. «Viskozā, tik biezā kā medus, vielā bija ievietoti maza izmēra stienīši, kuru diametrs ir tūkstoš reižu mazāks par mata diametru un kuru virzienu mēs mainījām elektriskā laukā. Ja stienīši bija haotiski izvietoti, gaisma cauri negāja. Taču, ja stienīšus orientēja elektriskajā laukā, vide kļuva gaismas caurlaidīga,» Andris atceras eksperimentus. «Kamēr dzīvoju Tartu, ballēties negāju. Pusotra gada laikā nebiju nevienu reizi līdz vecpilsētai aizgājis, dažreiz tikai blakus veikalā iegriezos un ar kolēģi pusdienās izgāju. Strādāju ļoti garas stundas, no pusastoņiem rītā līdz vienpadsmitiem, pusdivpadsmitiem vakarā. Konstanti šādā režīmā.»

Tā strādājot, Andris iedzīvojies bezmiegā. Toties tas bijis īpaši ražīgs laiks viņa jaunā zinātnieka karjerā — viens pats strādājot pie eksperimentiem, viņš gada laikā publicēja 13 zinātniskos rakstus, kas indeksēti Scopus datubāzē. Parasti pat pieredzējis un aktīvs zinātnieks gada laikā spēj sagatavot vienu publikāciju, kas iekļaujama Web of Science vai Scopus datubāzēs.

Pirms diviem gadiem vienā no 20 labākajiem materiālzinātņu žurnāliem Chemistry of Materials bija publicēts Andra un viņa Tartu Universitātes kolēģu raksts par fotohromiem materiāliem, kuriem mainās gaismas caurlaidība. Andra laboratorijā ir izdevies sintezēt ļoti mazas daļiņas, katru 10 000 reižu sīkāku par mata diametru. «Kad šīs vielas izkliedē šķidrumā, izskatās, ka tas ir tīrs ūdens. Bet īstenībā tur ir cietas oksīda daļiņas, katra no tām ir tik cieta kā akmens. Ja gaisma spīd virsū šim caurspīdīgajam ūdentiņam, tas kļūst piķa melns,» viņš stāsta.

Šādas nanodaļiņas, kas gaismas ietekmē maina krāsu, zināmas jau kopš 80. gadiem, taču Andra vadītajā laboratorijā sintezētās daļiņas ir ļoti aktīvas. Tās spēj nokrāsoties tumšas nevis stundas laikā, kā pirms pāris gadiem sintezētās, bet jau trijās minūtēs. «Šis atklājums būs pamats, lai veidotu gudros logus,» saka Andris.

Īpašs izaicinājums šajā zinātniskajā darbā ir panākt, lai logi aizturētu infrasarkano starojumu, tomēr paliktu gaismas caurlaidīgi. Jo cilvēki, kuri sēž stiklotajos birojos un dzīvo mājokļos ar lieliem logiem, nevēlas pārkarst, bet vienlaikus grib dienas gaismu. «To mēģinām dabūt gatavu, modificējot nanodaļiņas,» Andris saka, atzīstot, ka uzdevums ir grūts.

Nekādu kļūdu!

Vēl viens pētījumu virziens, ar ko Andris Šutka vismaz Latvijā jau kļuvis pazīstams, ir nanoģeneratori, kuri ļautu darbināt nelielas sensoru ierīces. Ar tiem daļēji varētu aizstāt baterijas, tādējādi samazinot šos bīstamos atkritumus un kaitējumu dabai. 

Nanoģeneratori ir jauna veida ierīces, kas ļauj mehānisko enerģiju (kustību, berzi, arī troksni) pārvērst elektriskajā. RTU zinātnieki savā laboratorijā sintezē un testē dažādus materiālus, kas šādi spēj ražot elektrību. Andris ar kolēģiem pēta triboelektrisko efektu — kā elektrība rodas, kad sakontaktējas un atraujas atsevišķas virsmas. Bet ir arī pjezoelektriskais efekts, kad elektriskā enerģija rodas materiāla tilpumā.

Andri nokaitinājis fakts, ka pēdējos gados pat augsta līmeņa zinātnes žurnālos triboelektriskais efekts uzdots par pjezoelektrisko un nepareizos mērījumos iegūti neiespējami dati par materiālu spēju ražot elektrisko enerģiju. «Ja būtu materiāli ar tādu veiktspēju, par kādu bija ziņots vairākos topa žurnālu rakstos, mums visiem jau vajadzētu staigāt apģērba gabalos, kuri lādē telefonus un citas portatīvās ierīces,» saka  Andris. Bet tā, protams, nav.

Šī gada februārī, pirms pandēmijas dēļ tika slēgtas robežas, Andris par šiem secinājumiem aprunājies kādā zinātniskajā konferencē Austrālijā. Iepazinies ar Melburnas Universitātes pētniekiem, kuri ierosinājuši kopīgi izstrādāt metodi, kā pareizi izmērīt pjezolādiņu, izslēdzot tribolādiņa efektu.

Trīs latviešu — Andra Šutkas, Linarda Lapčinska un Kaspara Mālnieka — un trīs austrāliešu zinātnieku pētījumu nupat augustā publicējis Advanded Materials, viens no ietekmīgākajiem materiālzinātņu žurnāliem pasaulē. «Mēs ar savu publikāciju norādām uz nepilnībām mērījumos un piedāvājam jaunu mērījumu metodiku. Vajadzētu būt tā, ka šis pētījumu virziens tagad tiktu pārstartēts,» saka Andris.

Pašlaik esot ļoti daudz zinātnieku, kas pēta, kā mehānisko enerģiju pārvērst elektriskajā, taču Andris ir skeptisks, vai tik drīz izdosies atrast veidu, kā, valkājot apģērbu vai kurpes, uzlādēt telefonu. «Enerģijas savākšanas efektivitāte ir pārāk maza,» viņš saka.

Stāstot par saviem pētījumiem, Andris atzīst, ka bija laiks, kad viņam nemitīgi pa galvu šaudījušās idejas, bijis grūti aizmigt. «Nevarēju pagulēt, tas bija briesmīgi,» viņš atzīst. «Bet 2016. gadā manā ģimenē piedzima meita Katrīna, un tad man pazuda domas naktīs. Ļoti interesants efekts. Dzīvē mainījās manas vērtības.» Pirms mēneša ģimenei pievienojies dēls Vestards. Andris par to ieminas cita starpā, bet smaida tik sirsnīgi, ka ir pilnīgi skaidrs — dēls ir viņa pēdējā laika brīnišķīgākais atklājums.

Šķidrums ar sīkiem metāla stienīšiem, kas maina gaismas caurlaidību elektriskā lauka ietekmē

Publikācija sagatavota ar Accenture finansiālu atbalstu