Moksle nutinka, jog kai kurie atradimai gerokai pralenkia laiką. Kartais tiek, kad net nebūna susiformavę terminai galų gale suprastiems reiškiniams įvardyti. Šitaip atsitiko ir vokiečių kilmės Lietuvos mokslininkui C. J. D. Theodorui von Grotthussui, kai jis 1806-aisias suformulavo pirmąją pasaulyje elektrolizės teoriją. O visai neseniai savo mokslinį darbą, glaudžiai besisiejantį su Grotthusso teorija, prestižiniame mokslo žurnale “Nature Chemistry” publikavo lietuvis mokslininkas dr. Linas Vilčiauskas.
2012-ųjų metų balandžio 22-ą dieną prestižiniame žurnale “Nature Chemistry” pasirodė mokslinis straipsnis “Protonų laidumo mechanizmas fosforo rūgštyje” (“The mechanism of proton conduction in phosphoric acid”), kurio pagrindinis autorius – dr. Linas Vilčiauskas iš Maxo Plancko instituto (MPI) Štutgarte. Šiame straipsnyje dr. L. Vilčiauskas, kartu su bendradarbiais iš Vokietijos ir JAV, teoriniais skaičiavimais nustatė, kad protonų laidumas fosforo rūgštyje yra labai panašus į tą, kurį 1806-aisias postulavo Grotthussas. Šio straipsnio pasirodymo proga pakalbinau Liną, kuris sėkmingai apgynė daktaro disertaciją šių metų vasario mėnesį ir – kaip ir Grotthussas – yra kilęs iš šiaurės Lietuvos.
- Visų pirma – sveikinu daktaro laipsnio suteikimo proga. Linai, papasakok trumpai apie save: kur baigei mokyklą, universitetą.
- Gimiau Joniškyje, kuris iš tiesų yra visai netoli Grotthusso tėviškės Pakruojo rajone. Baigęs Mato Slančiausko gimnaziją įstojau į Vilniaus universiteto chemijos fakultetą, kuriame dar bestudijuodamas susidomėjau moksliniais tyrimais. Įgijęs bakalauro laipsnį ir gavęs Vokietijos akademinių mainų tarnybos stipendiją, studijas nusprendžiau tęsti Vokietijoje. Po dvejų metų Ulmo universitete baigiau magistro studijas ir 2008-aisias pradėjau doktorantūrą MPI Štutgarte. Nors jau prieš pradėdamas dirbti šioje srityje buvau girdėjęs apie Grotthusso darbus, geografinis ryšys buvo tik malonus sutapimas.
Paaiškink DELFI skaitytojams pagrindinį savo naujausio straipsnio rezultatą. Kuo svarbus šis darbas?
- Mūsų tyrimų grupę jau seniai domino labai įdomios fosforo rūgšties fizikinės savybės. Grynas vanduo, pavyzdžiui, yra labai prastas laidininkas, ir tik pridėjus šiek tiek rūgšties arba šarmo protonų laidumas padidėja. Tuo tarpu fosforo rūgštis ir gryna yra labai laidi elektros srovei. Tai neįprasta, nes kambario temperatūroje ši rūgštis yra stingstantis, labai klampus skystis. Tokie skysčiai paprastai būna prasti jonų laidininkai.
Vienas mano bendradarbių, pagrindinis idėjos autorius, dr. K. D. Kreueris iš MPI dar 1993-aisiais metais eksperimentais įrodė, kad būtent protonų judėjimas yra atsakingas už elektrinį laidumą. Tačiau tikslus šio laidumo mechanizmas taip ir liko neatskleistas. Tokius molekulinius procesus nėra lengva tyrinėti, nes jie vyksta mikropsaulyje ir yra labai labai greiti. Dėl to nuo pat pradžių šiai užduočiai nusprendėme pasitelkti šiuolaikinius kompiuterinio modeliavimo ir kvantinės chemijos metodus. Tokie tyrimai tik labai neseniai tapo įmanomi sparčios kompiuterių pažangos dėka.
Po kelerių metų intensyvaus darbo kartu su vienu geriausių šios srities specialistų pasaulyje, profesoriumi M. Tuckermanu iš Niujorko universiteto (JAV), pasiūlėme naują mechanizmą šiam reiškiniui paaiškinti. Didžiausias netikėtumas buvo tas, kad skirtingai nuo vandeninių tirpalų, fosfororo rūgštyje protonai šokinėja nuo vienos molekulės ant kitos molekulių grandinėse labai panašiose, į tas, kurias įsivaizdavo Grotthussas. Tą lemia cheminių jungčių tarp fosforo rūgšties molekulių savybės.
Kitas labai įdomus mūsų pasiūlyto mechanizmo aspektas yra tas, kaip šios grandinės, o taip pat truputis netvarkos, susidarančios šiame keistame skystyje, gali stipriai paveikti elektros laidumą.
Šio darbo rezultatai labai svarbūs tiek tyrėjams besidomintiems skysčių ir jonų judėjimu, tiek mokslininkams ir inžinieriams kuriantiems ir gaminantiems naujus energijos šaltinius – vandenilio kuro elementus. Būtent tokiems įrenginiams reikalingos specialios protonams laidžios membranos, o fosforo rūgštis jau dabar plačiai naudojama naujų, taip vadinamų „sausų“ (t.y. bevandenių) polimerinių membranų gamyboje.
- Paaiškink, kas yra Tavo minėti kvantinės chemijos metodai.
- Praėjusio amžiaus pradžioje tapo aišku, kad fizikos dėsniai, aprašantys makroskopinį pasaulį, yra visiškai netinkami aprašyti mikroskopinį pasaulį, t.y. elektronų, atomų ir molekulių sandarą ir judėjimą. Taip atsirado nauja fizikos sritis, šiandien vadinama kvantine mechanika, kuri iš esmės pakeitė mūsų supratimą apie pasaulio sandarą ir dėsnius.
Kvantinės mechanikos metodų taikymas realiai egzistuojančioms molekulėms ir cheminiams junginiams aprašyti ir tyrinėti paprastai vadinamas kvantine chemija. Didžiausias kliūtis yra ta, kad net ir pačias paprasčiausias molekules aprašančios kvantinės mechanikos lygtys yra tokios sudėtingos, kad pieštuku ant popieriaus jų išspręsti neįmanoma – tam reikia kompiuterių pagalbos. Dėl to tikroji kvantinė chemija pradėjo vystytis tik atsiradus šiuolaikiniams kompiuteriams, o jos ateitis glaudžiai susijusi su informacinių technologijų pažanga. Taigi kvantinės chemijos specialistas turi turėti ne tik fizikos ir chemijos, bet ir matematikos bei informatikos žinių.
- Kokie artimiausi Tavo karjeros žingsniai?
- Per praėjusius metus man pavyko sukaupti gana nemažai žinių ir patirties šioje įdomioje srityje. Artimiausius kelerius metus planuoju stažuotis vienoje iš labai stiprių panašioje srityje bedirbančių mokslinių grupių vakarų Europoje arba Jungtinėse Valstijose. Tokios, podaktarinės stažuotės skirtingose mokslinėse grupėse ir šalyse yra neišvengiama ir būtina kiekvieno mokslininko karjeros dalis.
- Kokie moksliniai uždaviniai Tau pačiam dabar įdomiausi?
- Šiuo metu mane labai domina įvairios teorinės fizikinės chemijos problemos, ypač susijusios su jonų, protonų ir elektronų pernaša įvairiose medžiagose bei jų kompiuterinis modeliavimas. Kaip minėjau, tokie modeliai ypač svarbūs, pvz., naujų elektrocheminių srovės šaltinių kūrime ir gamyboje. Elektrocheminiai srovės šaltiniai - tai ir baterijos, be kurių neturėtumėme nei nešiojamųjų kompiuterių, nei išmaniųjų telefonų, ir kuro elementai, kurie taip pat, manoma, bus be galo svarbūs ateities energetikai. Taip pat planuoju daugiau dėmesio skirti ne tik esamų kvantinės chemijos metodų taikymui naujoms užduotims spręsti, bet ir naujų metodų kūrimui ir jų įdiegimui kompiuterinėse programose.
- Ko Tavo nuomone reikėtų, kad Lietuva tiksliuosiuose moksluose būtų dar konkurencingesnė, nei yra dabar? Kiek esi susipažinęs su su moksliniais tyrimais Lietuvoje? Kokios jų stipriosios pusės?
- Tai sunkus klausimas, į kurį vienareikšmiško atsakymo turbūt nežino niekas. Nors prasidėjusi aukštojo mokslo reforma ir turi keletą trūkumų, tačiau ji yra svarbus žingsnis į priekį. Mokslo konkurencingumo didinimas yra visų bendras reikalas, ir čia stipriai pasigendu universitetų ir mokslo institutų savivaldos, o ypač verslo indėlio.
Nors Europos Sąjungoje ir pirmaujame pagal aukštųjų mokyklų absolventų skaičių, tačiau esame vieni paskutiniųjų pagal lėšas skiriamas vienam studentui. Taigi toks aukštojo mokslo vardo devalvavimas prie tarptautinio Lietuvos konkurencingumo ar ekonomikos stiprinimo tikrai neprisideda.
Antra, pastaraisiais metais stipriai pagerėjo mokslo įstaigų techninė bazė, bet susidaro įspūdis, kad užmiršta apie žmogiškuosius resursus. Į akis krenta tai, kad universitetuose ir mokslo institutuose praktiškai netaikomi naujų kadrų paieškos ir kaitos principai, įprasti Vakarų Europoje, JAV ir sparčiai besivystančiose Azijos valstybėse. Šiuolaikinėje globalioje mokslo ir tyrimų rinkoje tokioms valstybėms kaip Lietuva jau nebeužtenka bandyti pasivyti senąsias žaidėjas, bet tenka konkuruoti ir su sparčiai besivystančiomis naujokėmis. Kiekvienas pavėluotas ar neteisingas žingsnis stumia Lietuvą į šios kovos užribį. Akivaizdų šios problemos įrodymą galima pamatyti, pavyzdžiui, palyginus šiandieninį Lietuvos ir Estijos mokslo potencialą. Už tai didelę atsakomybę turėtų prisiimti ir pati akademinė visuomenė.
Be abejo, Lietuva dėl geriausių pasaulio protų negali konkuruoti kaip lygus su lygiu netgi su atskirais JAV universitetais. Šiuo požiūriu net tokia valstybė kaip Vokietija dažnai vadinama protų eksportuotoja. Todėl, ko gero, vienintelė išeitis yra stengtis pritraukti talentingus žmones, turinčius tiesioginį ar netiesioginį ryšį su Lietuva. Deja, mokslo institucijų vadovybė negali naiviai tikėtis, kad gabūs mokslininkai tik iš patriotiškų paskatų mes turimą karjerą ir už nepatrauklų atlygį grįžę sėkmingai įsilies į universitetų struktūrą, praktiškai nepakitusią nuo sovietmečio. Būtina sukurti specialią grantų ir nuolatinių darbo sutarčių (angl. “tenure-track”) sistemą, prižiūrimą nepriklausomų tarptautinių ekspertų.
Esu gana neblogai susipažinęs su Lietuvos mokslu, nes čia ir pradėjau savo karjerą. Be abejonės, aiškūs Lietuvos mokslo lyderiai yra lazerių fizikos, biochemijos ir biotechnologijos specialistai, kurie sugebėjo išvystyti ir šių sričių pramonę. Labai gaila, kad Lietuvoje yra vos keletas grupių, taikančių kompiuterinio modeliavimo metodus įvairioms chemijos ir fizikos problemoms spręsti. Tai labai perspektyvi ir sąlyginai nedidelių investicijų reikalaujanti sritis.
- Kaip žmogus, ką tik sėkmingai apgynęs daktaro disertaciją, ar rekomenduotum doktorantūrą studentams, dar tik svarstantiems apie tokią galimybę? Juk būta turbūt ir nelengvų akimirkų?
Žmogus, bebaigiantis studijas, turi tvirtai žinoti, ko nori ir siekia. Besiruošiantiems doktorantūros studijoms patarčiau daug dėmesio skirti darbo temos ir vadovo pasirinkimui, nors pastaruosius dažnai lemia atsitiktinumai. Šiame etape ir prasideda mokslininko karjera. Doktorantūros metu visiems tenka pereiti ir per nuosmukius, ir per pakilimus, ir per „Eureka!“ momentus.
Dėkui už pokalbį ir sėkmės!
Šiek tiek istorijos: C. J. D. Theodoras von Grotthussas ir jo moksliniai darbai
Grotthussas gimė 1785-aisiais Leipcige, o augo Gedučių dvare (dabartinis Pakruojo rajonas), tuometinėje Rusijos imperijos Kuršo gubernijoje, jau po Lietuvos-Lenkijos valstybės padalijimo. Vėliau studijavo Vokietijoje, Prancūzijoje ir Italijoje. Pagrindinius eksperimentus elektrolizės srityje atliko gyvendamas Paryžiuje, Romoje ir Neapolyje (1805-1806). Savo žymųjį mokslinį darbą “Apie vandens ir vandens tirpale esančių kūnų disociaciją galvaninės elektros pagalba” (“Sur la décomposition de l'eau et des corps qu'elle tient en dissolution à l'aide de l'électricité galvanique”) išspausdino prancūziškame mokslo žurnale “Annales de Chimie”. 1807-aisiais Grotthussas grįžo į mamos dvarą šiaurinėje Lietuvoje, kur ir gyveno iki pat ankstyvos mirties 1822- aisiais. Grotthusso biografiją “Pralenkęs laiką”, pačią išsamiausią knygą apie mokslininką, parašė prof. J. A. Krikštopaitis (Pradai, Vilnius, 2001).
Grotthussas 1806-ųjų metų straipsnyje bandė įminti elektrolizės mįslę – kodėl elektros srovei tekant vandeniu prie neigiamojo elektrodo išsiskiria vandenilio, o prie teigiamojo – deguonies dujos? Mokslininkas išvedė analogiją tarp kasdienio, matomo ir pačiupinėjame pasaulio, ir nematomo mikropasaulio. Jei Voltos elektros baterija (tuomet – dar visai šviežias išradimas) turi du elektrodus, mąstė jis, tai, vadinasi, ir sudedamoji vandens dalelytė turi turėti du elektrodus – teigiamąjį vandenilio ir neigiamąjį deguonies. Šį įžvalga buvo geniali jau vien dėl to, kad turbūt pirmą kartą mokslo istorijoje buvo iškelta hipotezė, kad molekulės (naudojant šių dienų terminologiją) sudarytos iš skirtingus efektyvius krūvius turinčių atomų. Reikia pabrėžti, kad tik po penkerių metų, 1811-aisiais, italų mokslininkas Amadeo Avogadro nustatė tikrąją vandens cheminę formulę, H2O, o ne HO, kaip manyta tuomet, kai Grotthussas rašė savo straipsnį.
Grotthussas postulavo, kad tarp vandenilio ir deguonies egzistuoja trintis (dabar sakytume elektrostatinės jėgos), kuri traukia vieną atomą prie kito. Tačiau kai vandeniu teka srovė, išoriniai laukai gali suardyti molekulę, nes deguonis ir vandenilis traukiami prie skirtingų elektrodų. Grotthussas samprotavo, kad judėdama vandenilio dalelė gali sutikti priešinga kryptimi judančią deguonies dalelę, laikinai sudaryti naują vandens molekulę, kuri ir vėl gali būti suardyta išorinių laikų. Ir taip daugybę kartų. Tokiu būdu elektros srovė teka dalelėms (jonams) šokinėjant nuo vienos molekulės prie kitos. Toks elektrinio laidumo būdas dabar vadinamas Grotthusso mechanizmu.
Nors ir su kai kuriais netikslumais, Grotthusso teiginiai buvo iš esmės teisingi. Bet turbūt dėl to, kad mokslininkų domėjimosi sritys sparčiai kito, suformuluoti principai nebuvo plačiai žinomai XIX-ame amžiuje. Ir tik praėjus beveik šimtmečiui Grotthusso darbus aprašė ir išpopuliarino iš Baltijos vokiečių šeimos kilęs Nobelio premijos laureatas chemikas W. Ostwaldas, gimęs ir užaugęs Rygoje. Dar labiau Grotthusso idėjas suaktualino vokiečių mokslininkas V. H. Danneelas, kuomet jas pritaikė norėdamas paaiškinti neįprastai didelį protonų (jonizuotų vandenilio atomų) judrį vandens tirpaluose. Nors pats Grotthussas vienodai apibūdino tiek vandenilio, tiek deguonies pernašą, iš naujo peržiūrint Grotthusso mechanizmą buvo prieita išvada, kad jis aprašo būtent protonų judėjimą.
Dabar, po 200 metų, mokslininkai daug giliau supranta kaip elektros srovė teka vandens tirpaluose (o juk tai svarbu mums visiems – iki septyniasdešimties nuošimčių žmogaus kūno sudaro vanduo). Chemikai beveik vieningai sutaria, kad Grotthussas teisingai nuspėjo protono šokinėjimą nuo vienos molekulės prie kitos. Tačiau kita Grotthusso idėja, kad protonai juda tiesia linija kaip karietos keliu (arba automobiliai automagistrale), pasirodė gerokai per paprasta aprašyti tai, kas iš tiesų vyksta gamtoje. Išties, kryptingas vandenilio jonų judėjimas vandenyje nebūtų įmanomas be visų aplinkinių vandens molekulių bendro veikimo. Tad mokslininkai iškėlė klausimą: o ar yra gamtoje medžiaga, kurioje protonų laidumas būtų dar artimesnis tam, kurį aprašė Grotthussas? Ar yra terpė, kuriai dar labiau nei vandeniui tiktų Grotthusso teorija, kuri kaip tik ir buvo sukurta vandens tirpalams? Būtent į šį klausimą ir atsakė dr. L. Vilčiausko mokslinis darbas.
