W ciągu ostatnich kilku dekad w informatyce doszło do dwóch fundamentalnych zmian paradygmatu. Pierwsza dotyczy sztucznych sieci neuronowych, które okazały się niezwykle skuteczne w zadaniach tak różnorodnych jak rozpoznawanie języka, diagnostyka medyczna, wysokorozwinięta automatyzacja i najbardziej zaawansowane algorytmy sztucznej inteligencji. Druga zmiana jest związana z  obliczaniem kwantowym, wykorzystującym unikalne cechy kwantowe (m. in. superpozycję i splątanie) do poszukiwania rozwiązań problemów, które do tej pory uznawane były za nierozwiązywalne.

prof. Magdalena Stobińska, fot. Michał Łepecki Projekt ten ma na celu wykorzystanie zalet miniaturowych, fotonicznych, kwantowych czipów, zbudowanych z laserowo wypalonych ścieżek i elementów optycznych do połączenia dwóch paradygmatów: demonstracji kwantowych sieci neuronowych, które wykorzystują nowatorskie kwantowe urządzenia memrystorowe do wprowadzenia sterowalnych nieliniowych operacji bramkowych i pamięci krótkotrwałej. Zintegrowany procesor fotoniczny zostanie zrealizowany na szklanym podłożu za pomocą ultraprecyzyjnego wypalania laserem, czyli techniki, która zapewnia wyjątkowe zalety, takie jak: łatwa realizacja różnych skomplikowanych sieci połączeń, niskie straty, szybkie prototypowanie i możliwość realizacji trójwymiarowego układu ścieżek, z których wszystkie mają kluczowe znaczenie dla powodzenia projektu. Procesor kwantowy będzie w stanie wykonywać programowalne, skończone i dyskretne transformacje matematyczne. Memrystory są natomiast elementami układów fotonicznych lub elektronicznych, które charakteryzują się pamięcią, i są przedmiotem szerokich badań naukowych. Łącząc uzupełniającą się wiedzę z zakresu obliczeń kwantowych, budowy fotonicznych układów kwantowych i kwantowej teorii informacji, stworzymy  przestrajalną,  fotoniczną, kwantową sieć memrystorową. Wszechstronność tego nieliniowego procesora zostanie pokazana poprzez zademonstrowanie rzeczywistych zastosowań kwantowo ulepszonych rezerwuarów kwantowych, sięgających od rozpoznawania mowy do identyfikacji obrazu, przyspieszonych przez architektury obliczeniowe.

Cele tego projektu położą podwaliny pod nową technologię kwantową, opartą na szczególnych cechach memrystorów kwantowych. Nasze interdyscyplinarne konsorcjum i metodologia pracy dają nam najlepsze warunki do sprostania wyzwaniom koncepcyjnym i technologicznym, a tym samym pozwalają na  stworzenie pierwszej generacji kwantowego neuromorficznego sprzętu obliczeniowego opartego na kwantowej platformie fotonicznej.

Celem projektu jest zrozumienie i opisanie zjawiska tworzenia się aktywnych katalitycznie nanocząstek na ziarnach materiałów anodowych do tlenkowych ogniw paliwowych (SOFC) zasilanych ekopaliwami (np. bioetanol, biogaz, LPG). Ogniwa SOFC są urządzeniami zdolnymi do przekształcenia energii chemicznej dostarczanego paliwa oraz utleniacza bezpośrednio na energię elektryczną. Dzięki temu, że mogą funkcjonować praktycznie wszędzie, gdzie dostępne jest paliwo, doskonale wpisują się w koncepcję energetyki rozproszonej (opierającej się o małe jednostki produkcyjne dla użytku lokalnego i korzystającej ze źródeł odnawialnych). Niestety komercyjne ogniwa ze standardową anodą kompozytową (cermet Ni-YSZ) są zoptymalizowane do pracy z wodorem jako paliwem, zaś stosowanie paliw alternatywnych (np. ekopaliw) powoduje szereg problemów, np. osadzanie węgla i zatruwanie anody zanieczyszczeniami obecnymi w paliwie. Wobec tego konieczne jest poszukiwanie nowych materiałów anodowych, zdolnych do długotrwałej i stabilnej pracy w tych warunkach.

dr hab. inż. Beata Bochentyn, fot. Michał Łepecki Wśród materiałów intensywnie badanych w ostatnim czasie znaleźć można związki o tzw. krystalicznej strukturze perowskitu, tworzone na wzór minerałów zbudowanych z nieorganicznych związków chemicznych o ogólnym wzorze ABO3. Mimo że pod wieloma względami są atrakcyjnymi kandydatami na anody SOFC, to charakteryzują się niską aktywnością katalityczną względem procesu elektrochemicznego utleniania paliwa. W celu zwiększenia wydajności i szybkości tego procesu na powierzchni ziaren perowskitów można osadzać nanocząstki metali, np. niklu czy kobaltu. Jednakże nanoszenie nanocząstek „z zewnątrz” wiąże się z ograniczoną kontrolą ich rozmiaru i dystrybucji oraz skłonnością do aglomeracji, czyli łączenia się tych nanocząstek w wysokich temperaturach w większe struktury, co zmniejsza ich właściwości katalityczne. Z tego powodu coraz większym zainteresowaniem cieszy się otrzymywanie nanometrycznych wytrąceń in situ ze struktury perowskitu poprzez proces eksolucji, który zachodzi w warunkach redukujących i skutkuje powstawaniem równomiernie rozłożonych, małych struktur. Nanocząstki powstałe w ten sposób są silniej związane z podłożem oraz mniej podatne na aglomerację. Co więcej, możliwość tworzenia stopów wieloskładnikowych lub związków międzymetalicznych dodatkowo poprawia parametry materiałów, gdy stosuje się je jako anody w SOFC. Prezentują one wyższą aktywność katalityczną oraz odporność na osadzanie węgla i zatruwanie zanieczyszczeniami obecnymi w paliwie, np. związkami siarki.

dr hab. inż. Beata Bochentyn, fot. Michał Łepecki Interesującą metodą tworzenia wieloskładnikowych nanocząstek, badaną w niniejszym projekcie, jest otrzymywanie stopów za pomocą eksolucji z topotaktyczną wymianą jonów, podczas której wydzielany ze struktury metal tworzy stop z metalem naniesionym na powierzchnię. Otrzymane materiały poddaje się badaniom strukturalnym, elektrycznym i katalitycznym, a finalnie testuje się je jako materiały anodowe w ogniwach zasilanych ekopaliwami. Oprócz badań eksperymentalnych prowadzone są także obliczenia DFT, mające na celu określenie możliwości zachodzenia eksolucji nanocząstek i ich stopów z wybranych struktur, co w przyszłości ułatwi projektowanie nowych, aktywnych katalitycznie anod do tlenkowych ogniw paliwowych.

Realizacja projektu uzupełni istniejący stan wiedzy na temat ogniw SOFC zasilanych bezpośrednio ekopaliwami i pomoże znaleźć alternatywne, oczekiwanie lepsze niż komercyjnie stosowane materiały anodowe dla tych ogniw.

Współcześnie ekosystemy morskie są narażone na liczne problemy związane z działalnością człowieka, zmianą klimatu i innymi czynnikami, które mają negatywny wpływ na ich zdrowie i funkcjonowanie. Nie inaczej jest w przypadku Morza Bałtyckiego. Specyficzna charakterystyka geograficzna i hydrologiczna Bałtyku decyduje o jego wyjątkowej wrażliwości na różnego rodzaju presje związane z działalnością człowieka.

prof. dr hab. Ksenia Pazdro, fot. Michał Łepecki Bałtyk jest półzamkniętym akwenem o słonawych wodach i stosunkowo niskiej różnorodności organizmów. Jest zlokalizowany w gęsto zaludnionym obszarze, a w jego zlewni mamy do czynienia z intensywnym rolnictwem i działalnością przemysłową. Ponadto na jego wodach odbywa się około 15% światowego transportu morskiego. Zanieczyszczenia chemiczne stanowią zatem jedno z głównych zagrożeń dla Bałtyku, negatywnie wpływając na stan zdrowia jego fauny i flory, a w konsekwencji zagrażając jego różnorodności biologicznej. Dotychczas podjęte działania, zarówno te w skali krajowej, regionalnej oraz na poziomie Unii Europejskiej, znacznie poprawiły stan Bałtyku. Udało się zmniejszyć ilość substancji niebezpiecznych doprowadzanych do morza, jednak w dalszym ciągu są one obecne w ekosystemie. Zjawiska ekstremalne, w tym sztormy, mogą zwiększać ryzyko ponownego uwolnienia do wód Bałtyku zanieczyszczeń. Na uwagę zasługuje też nowa grupa związków tzw. mikrozanieczyszczenia (np. pozostałości farmaceutyków, plastyfikatory, detergenty, środki ochrony osobistej). Mikrozanieczyszczenia są w różnym stopniu usuwane podczas oczyszczania ścieków, niewiele wiemy o ich oddziaływaniu na organizmy. Utrzymanie w dobrej kondycji tak wrażliwego ekosystemu, jakim jest Morze Bałtyckie, wymaga więc dalszych zdecydowanych działań instytucji odpowiedzialnych za ochronę ekosystemów morskich. Do tego potrzebne są jednak nowoczesne, miarodajne i użyteczne narzędzia. Obecne badania monitoringowe kondycji Bałtyku przebiegają dwutorowo, uwzględniając badania stanu chemicznego środowiska oraz ocenę kondycji organizmów morskich. Co więcej, badania prowadzone dotychczas uwzględniały jedynie wpływ pojedynczych, wybranych substancji, a nie „koktajlu” pierwiastków i związków chemicznych, który jest obecny w wodach Bałtyku.

prof. dr hab. Ksenia Pazdro, fot. Michał Łepecki W ramach projektu Detect2Protect proponujemy zmianę podejścia do ochrony Bałtyku na bardziej holistyczną i skupiającą się na efektach oddziaływań zanieczyszczeń (ang. effect-based methods, EBM). Coraz więcej dowodów wskazuje, że metody oparte na efektach biologicznych mogą stanowić narzędzie umożliwiające odróżnienie toksyczności chemicznej od innych możliwych przyczyn spadku różnorodności biologicznej i służyć jako narzędzie wczesnego ostrzegania o potencjalnych zagrożeniach. Celem projektu jest lepsze zrozumienie związków przyczynowo-skutkowych między zanieczyszczeniem środowiska, a zmianami w różnorodności biologicznej oraz dostarczenie narzędzi do oceny ryzyka środowiskowego w różnych rejonach Bałtyku. W tym celu wykorzystane zostaną tzw. biomarkery, czyli biochemiczne wskaźniki oddziaływania zanieczyszczeń na organizmy morskie. Zharmonizowane badania zostaną przeprowadzone przez naukowców z morskich instytucji badawczych z Finlandii, Estonii, Łotwy, Litwy, Szwecji, Polski i Włoch. Projekt zakłada śledzenie związków między zanieczyszczeniem chemicznym Bałtyku a potencjalną utratą bioróżnorodności, wykorzystując istniejące dane z monitoringu dotyczące zanieczyszczeń chemicznych oraz dane biologiczne. Przeprowadzimy również wspólne badania terenowe w obszarach przybrzeżnych Polski, Łotwy, Litwy, Estonii, Szwecji i Finlandii porównując w każdym z nich miejsca zanieczyszczone z miejscami referencyjnymi. Badania obejmą pomiary stężeń zanieczyszczeń chemicznych w różnych elementach środowiska oraz pomiary efektów biologicznych w reprezentatywnych dla każdego rejonu gatunkach mięczaków, skorupiaków, wieloszczetów i ryb. Do oceny różnorodności biologicznej zostanie wykorzystane metabarkodowanie eDNA. Aby stworzyć odpowiednie narzędzia do modelowania predykcyjnego, potrzebna będzie obszerna analiza zebranych danych i ich integracja.

Mamy nadzieję, że uzyskane wyniki pozwolą na zdefiniowanie relacji pomiędzy zanieczyszczeniem wód Bałtyku, a reakcją organizmów na poziomie biochemicznym oraz wyodrębnienie odpowiednich organizmów i biomarkerów wskaźnikowych dla badanych rejonów morza, stanowiąc jednocześnie przyczynek do ochrony jego bioróżnorodności. Wyniki badań, w tym sprawdzony zestaw wskaźników biologicznych (jako narzędzie wczesnego ostrzegania) i zalecenia dotyczące zastosowania w różnych regionach Morza Bałtyckiego, przedstawimy zainteresowanym instytucjom takim jak HELCOM. Podzielimy się też zdobytą wiedzą z szerokim gronem odbiorców, tak aby podnieść świadomość społeczną dotyczącą wpływu mieszanin chemikaliów na możliwą utratę bioróżnorodności w Morzu Bałtyckim.

Wirus SARS-CoV-2, odpowiedzialny za wybuch pandemii COVID-19 w 2020 roku, wywarł ogromny wpływ na światowe systemy ochrony zdrowia. Początkowo uważany był za czynnik zakażeń układu oddechowego, ale okazało się, że jest także przyczyną poważnych uszkodzeń ośrodkowego układu nerwowego (OUN). Aż 40% zakażonych pacjentów doświadcza przewlekłych objawów neurologicznych, popularnie nazywanych „mgłą covidową”. Chociaż niektóre z tych objawów, (np. zawroty głowy) są stosunkowo łagodne, to u niektórych pacjentów dochodzi do poważnych następstw, takich jak udar czy encefalopatia (uszkodzenie mózgowia). Wobec ciągle toczącej się pandemii SARS-CoV-2, kluczowe jest zrozumienie mechanizmu tych uszkodzeń i opracowanie skutecznych metod ich leczenia. Łukasz Suprewicz, fot. Michał Łepecki

Sposób, w jaki SARS-CoV-2 wpływa na mózg pozostaje nadal przedmiotem intensywnych badań. Jedna z hipotez mówi o nadmiernym wydzielaniu mediatorów zapalnych, określanym jako „burza cytokinowa”, oraz o bezpośrednim wpływie białka S, które wirus wykorzystuje do wniknięcia do naszych komórek. Te procesy są łączone z uszkodzeniem bariery między krwią a strukturami mózgu (tzw. bariery krew-mózg). Jej przerwanie prowadzi do zwiększonego przenikania do mózgu szkodliwych substancji, m.in. wirusów i czynników zapalnych.

W tym kontekście pojawia się rola wimentyny ‒ białka, które buduje cytoszkielet większości komórek, gdzie odgrywa kluczową rolę w procesach takich jak podział komórkowy, migracja oraz ochrona jądra komórkowego przed uszkodzeniem mechanicznym. Wimentyna może być wydzielana do krwi przez komórki układu immunologicznego w odpowiedzi na stan zapalny i nazywamy ją wówczas wimentyną zewnątrzkomórkową. Wyróżniamy dwie formy zewnątrzkomórkowej wimentyny: związaną z powierzchnią komórki oraz niezwiązaną. W jednej z wcześniejszych prac wykazaliśmy, że zewnątrzkomórkowa wimentyna pełni rolę koreceptora dla SARS-CoV-2, a więc jest niezbędna do skutecznej infekcji komórek (Suprewicz et. al. Small 2022).

Łukasz Suprewicz, fot. Michał Łepecki Celem projektu jest poznanie roli zewnątrzkomórkowej wimentyny w procesie zapalnym w OUN towarzyszącym zakażeniu SARS-CoV-2. Badamy mechanizm wpływu zewnątrzkomórkowej  wimentyny na różne rodzaje komórek występujących w obrębie mózgu, takich jak komórki śródbłonka i astrocyty.  Wykorzystujemy trójwymiarowy model bariery krew-mózg w przepływie, aby ocenić przepuszczalność i integralność komórek śródbłonka, a także adhezję i migrację komórek immunologicznych w obecności wimentyny oraz białka SARS-CoV-2. W kolejnym etapie badań ocenimy wpływ badanych substancji na stan zapalny poprzez analizę wydzielania mediatorów zapalnych. Ostatecznie, na poziomie molekularnym, zbadane zostaną szlaki sygnałowe charakterystyczne dla infekcji SARS-CoV-2 oraz uszkodzenia naczyń krwionośnych.

Wyniki uzyskane w ramach tego projektu mogą znacząco rozszerzyć naszą wiedzę na temat wpływu zewnątrzkomórkowej wimentyny i jej modyfikacji na interakcję komórek śródbłonka i komórek immunologicznych podczas zakażenia SARS-CoV-2. To może przyczynić się do skuteczniejszego leczenia pacjentów z COVID-19, w szczególności tych, którzy doświadczają powikłań neurologicznych. Praca może także wskazać nowe cele terapeutyczne, które pomogą w walce z ewentualnymi, kolejnymi globalnymi pandemiami, biorąc pod uwagę, że rola zewnątrzkomórkowej wimentyny jako koreceptora nie jest ograniczona jedynie do SARS-CoV-2 lecz dotyczy również innych zakażeń, w tym bakteryjnych.

Diapedeza ludzkich neutrofilów nietraktowanych lub stymulowanych wimentyną (Vim), cytrulinowaną wimentyną (CitVim) lub lipopolisacharydem (LPS) w model 3D naczyń krwionośnych. Elastaza neutrofilowa (zielony), aktyna (czerwony), DNA (niebieski).