Instytut Katalizy i Fizykochemii Powierzchniim. Jerzego Habera

Polskiej Akademii Nauk

Jedyna placówka w Polsce i jedna z ośmiu na świecie specjalizująca sięwyłącznie w badaniach zjawisk zachodzących na granicach faz.

• od 1968 r. działa jako samodzielna placówka - samodzielny Zakład Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN w Krakowie;• od 1978 r. Instytut Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN • od 1990 r. Instytut posiada prawa nadawania stopnia doktora w zakresie nauk chemicznych• od 2000 r. prawa do nadawania habilitacji

• 2010 r. Instytut Katalizy i Fizykochemii Powierzchniim. Jerzego Habera

Historia

Prof. Jerzy Haber – założyciel i Dyrektor

Instytutu w latach 1968 – 2002

Zatrudnienie: ok. 100 osób w tym ok. 60 pracowników R&D, 18 samodzielnych pracowników naukowych

1 –sza kategoria w rankingu Ministerstwa (2000, 2004, 2010)

2010 – 2–ga pozycja w rankingu wśród jednostek naukowych w grupieNauki chemiczna oraz inżynieria materiałowa, chemiczna i procesowa

2002 - 2005 European Centre of Excellence CATCOLL„Cracow Research Center of Molecular Catalysis and Soft Matter Chemistry”– 5 FP of European Commission

Udział w > 40 projektach Europejskich Programów Ramowych (IV-VII)

W ciągu roku realizowanych jest ~ 25 grantów krajowych MNiSW~ 25 - 30 grantów międzynarodowych~ 100 publikacji (lista filadelfijska)

Ranga Instytutu

Zakres prowadzonych badań• Fizykochemia zjawisk przebiegająąąących na granicach mięęęędzyfazowych:

gaz/ciałłłło stałłłłe, gaz/ciecz, ciecz/ciecz i ciecz/ciałłłło, w szczególności w zakresie: materiałów i procesów katalitycznych, fizyki powierzchni, nanocząstek i układów zdyspergowanych, adsorpcji i tworzenia nanometrycznych struktur powierzchniowych,fizykochemii powierzchni w ochronie środowiska i dziedzictwa kultury

Teoriai modelowanie

Badania doświadczalne

Badania podstawowe

Badania aplikacyjne

Główne kierunki badawcze

1. Nanotechnologia jako podstawa nowych materia łów katalitycznych

2. Procesy katalityczne dla zrównowa żonego rozwoju

3. Modelowanie procesów adsorpcji i katalizy

4. Dynamika ukł adów nanocz ąstek i koloidów

5. Struktury samoorganizuj ące i funkcjonalne warstwy powierzchniowe

6. Fizykochemia w ochronie dziedzictwa kultury

Wspólne i środowiskowe laboratoria

Laboratorium Powierzchni i Nanostruktur (IFiIS AGH)

Centrum Ekspertyz Zanieczyszczeń Środowiska CezaŚ

MLBKE - Międzyinstytutowe Laboratorium Biotechnologii i Katalizy

Enzymatycznej (IFR PAN)

SPINLAB Krajowe Centrum Nanostruktur Magnetycznych do zastosowań w elektronice spinowej (IFM PAN)

Krajowe sieci badawcze

SURUZ Surfaktanty i układy zdyspergowane w teorii i praktyce

PV-TECH Rozwój nowych technologii i technik badawczych w dziedziniekrzemowych fotoogniw

BIONAN Molekularne mechanizmy oddziaływań w nanoukładachbiologicznych oraz w układach aktywnych biologicznie modyfikowanych nanocząstkami

ARTMAG Nanostruktury magnetyczne do zastosowania w elektronicespinowej

Edukacja

Międzynarodowe Studium Doktoranckie (MSD), działające w porozumieniu z Wydziałem Inżynierii i Technologii Chemicznej Politechniki Krakowskiej i Wydziałem Chemicznym Politechniki Rzeszowskiej – budżet Instytutu.

Międzynarodowe Projekty Doktoranckie (MPD), "KrakowInterdisciplinary PhD-Project in Nanoscience and Nanostructures" w porozumieniu z Wydziałem Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademii Górniczo-Hutniczej – Fundacja na rzecz Nauki Polskiej.

Interdyscyplinarne Studia Doktoranckie (ISD):"Zaawansowane Materiały dla Nowoczesnych Technologii i Energetyki Przyszłości„ działających w porozumieniu z Wydziałem Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademii Górniczo-Hutniczej i Instytutem Fizyki Jądrowej PAN - EFS.

~30 doktorantów w skali roku

Laboratorium Powierzchni i Nanostruktur

Baza eksperymentalna : zaawansowane techniki preparatyki oraz charakteryzacji spektroskopowej i mikroskopowej w skali atomowej, n.p.

spektroskopia fotoelektronów (XPS); mikroskopia ze skanującą sondą (SPM:STM/AFM);spektroskopia jonów rozproszonych (ISS);dyfrakcja niskoenergetycznych elektronów (LEED);

Analiza składu powierzchni (np. materiałów dla implantów)

Dyfraktometr proszkowy D5005 (Bruker/AXS) współpracujący z:•wysokotemperaturową komorą reakcyjną XRK-900 (Anton Paar)•przystawką GIA do pomiarów w geometrii grazing incidence (Bruker)•bazą danych PDF-2

Laboratorium Dyfrakcji Rentgenowskiej i Termoanalizy

Badania strukturalne na bazie proszkowych danych dyfrakcyjnych

Laboratorium SEM

Wysokorozdzielczy elektronowy mikroskop skaningowy Jeol JSM-7500F z przystawką EDS-INCA PentaFETx3 oraz napylarka K575X Turbo Sputter Coater

Obrazowanie struktury, skład pierwiastkowy powierzchni

Badania z zakresu katalizy enzymatycznej o charakterze podstawowym oraz aplikacyjnym

Badamy głównie dwa układy enzymatyczne

Dehydrogenazę etylobenzenową (EBDH) Dehydrogenazę fenyloetanolową (PEDH)

Międzyinstytutowe Laboratorium Biotechnologii i Katalizy Enzymatycznej

kinetyka chromatografia QSAR

GO

kinetyka chromatografia QSAR

BST

RA

OW

EG

PEDH

KTR

UM

SU

BA

DA

NIE

SPE

K

Asp 223

O ON

Lys 450

H

EBDHPRZE

BA

NH

N+

His 192

HH

HH H

Mo

O+

O O-H

H

biosynteza DFT, QM:MM

• centra aktywne enzymów – katalizatorów bio-utleniania

• zdolność wiązania małych cząsteczek

kataliza homogeniczna, bio-kataliza

• ciekawe właściwości optyczne

biosensory optyczne

hem

Metaloporfiryny – katalizatory bioutleniania

kobalamina

Metody eksperymentalne

• możliwość preparatywnego oczyszczania białek na systemach FPLC

• analizy chromatograficzne GC, CE, LC i LC-MS z detekcją DAD, APCI i ESI (kwadrupol do 1500 m/z)

• analizy małych cząsteczek i białek w układzie odwróconych faz (RP-C18, -CN)

• chiralne analizy LC w układzie normalnych faz (Chiracel OB-H) i GC (Cyclodex)

• pomiary kinetyczne oparte o detekcję UV-vis i LC

Metody teoretyczne

• opracowanie modeli przewidujących aktywność biologiczną w oparciu o

metodykę QSAR, 3D-QSAR i nieliniowe sieci neuronowe

• dokowanie ligandów do centrów aktywnych(rigid, flexible, pharmacophor-assisted docking)

• modelowanie homologiczne struktur białek

• zastosowanie metod chemii kwantowej do wyjaśniania mechanizmów reakcji(modele klasterowe, obliczenia QM:MM)

�Zastosowanie dehydrogenazy fenyloetanolowej do biosyntezy optycznie czystych alkoholi jako substratów do syntezy nowych leków

�Opracowanie preparatów immobilizowanej dehyrogenazyetylobenzenowej i fenyloetanolowej i zastosowanie w biosyntezie optycznie czystych alkoholi drugorzędowych

Przykładowe zagadnienia

Synteza nano- i mikrocząstek, adsorpcja nano-, mikro-, biocząstek – zespół Koloidy I

Bakteriofag T4 Fibrynogen

Mikrocząstka

Powierzchnia Monowarstwa Monowarstwabiałka cząstek

Krok 1Adsorpcja

białka

Krok 2Detekcja Optyczna, potencjał

przepływu

Monodyspersyjny lateks polistyrenowy d = 500 nm

Metody eksperymentalne

•Mikroskop fluorescencyjny z analizą obrazu - Nikon;

•Mikroskop fluorescencyjny z funkcją TIRF, SARFUS i analizą obrazu

•Mikroskopy optyczne (Leica) z analizą obrazu;•Mikroskopy sił atomowych NT-MDT z mikroskopem optycznym firmy Olympus

•Zeta Sizer Nano ZS ZEN3500. wyposażony w "zielony" laser o długości fali 532nm.Zakres pomiarowy dla pomiaru wielkości cząstek: 0.6nm - 6 µm dla cząstek; 1-104kDa dla polimerów. Zakres pomiarowy dla pomiaru potencjału zeta: 3 nm - 10 µm.

•Zeta Potential Analyser - ZetaPals - Zakres pomiarowy dla pomiaru potencjału zeta 5nm-50 µm

•Pomiar potencjału przepływu

Przykładowe zagadnienia

Pomiary właściwości objętościowych białek oraz ich warstewek powierzchniowych jako możliwe narzędzie diagnostyki medycznej

Określenie mechanizmów oddziaływań immunoglobulin z immobilizowanymibiałkami (antygenami) - rozwinięcie efektywnych testów immunologicznych.

Funkcjonalne warstwy (filmy) powierzchniowe –zespół Koloidy II

Metoda LbL

PEI/Ag/(PAH/PSS)4PEI/PSS/(PAH/PSS)4

living cells dead cells

living cells

dead cells

PEI/Ag/(PAH/PSS)4PEI/PSS/(PAH/PSS)4

living cells dead cells

living cells

dead cells

Zastosowanie:

-sensory bio- elektrochemiczne;

-biokompatybilizacja powierzchni;

-anti-biofouling;

-powierzchnie „antybakteryjne” i samoczyszczące

• QCM-D Mikrowaga kwarcowa QS-E4

• Spektroskopowy Elipsometr obrazujący EP3- Nanofilm

• Mikroskop fluorescencyjny z funkcją TIRF, SARFUS i analiząobrazu

• Metody elektrochemiczne (CV, EIS)

• Spektrofluorymetr FluoroLog- Horiba Jobin-Yvon

• Tensjometr BPA-1S Sinterface do pomiaru dynamicznego napięcia powierzchniowego metodą maksymalnego ciśnienia w pęcherzyku..

• Zestaw do pomiaru napięcia powierzchniowego i kątów zwilżania metodą analizy kształtu kropli (Kruss DSA 100M)

Metody eksperymentalne

Nano- i mikroenkapsulacja

kropla emulsji, mikroczastka

Krzemionkowe sztywne powłoki kapsułek- modyfikowane polielektrolitami

pochodna silanowa

Polielektrolitowa miękka powłoka kapsułki otrzymana metodą nakładania warstwa po warstwie

syntetyczne i naturalne polielektrolity o różnoimiennych ładunkach elektrycznych – oddziaływania elektrostatyczne

Modyfikacja powłok kapsułek

„stelth effect”

biotyna streptawidyna przeciwciało związane z biotyną

Rozpoznawanie antygen-antyciało

Celowane dostarczanie leków

Nano- i mikroenkapsulacja

Nanokapsułki 60 – 200 nm

400 500 600 7000.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

Wavelength (nm)

Abs

orba

nce

β-Carotene

Empty capsules

400 500 600 7000.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

Wavelength (nm)

Abs

orba

nce

β-Carotene

Empty capsules

0

20

40

60

80

100

120

Contro

l

1:10

1:20

1:40

1:10

0

1:20

0

1:40

0

1:10

00

1:20

00

1:40

00

1:80

00

1:16

0001:

32000

1:64

000

rozcieńczenie

% w

sto

sunk

u do

kont

roli

0

20

40

60

80

100

120

Contro

l

1:10

1:20

1:40

1:10

0

1:20

0

1:40

0

1:10

00

1:20

00

1:40

00

1:80

00

1:16

0001:

32000

1:64

000

rozcieńczenie

% w

sto

sunk

u do

kont

roli

Testy cytotoksyczności

Enkapsulacja leków do terapii antynowotworowych

DZIDZIĘĘĘĘĘĘĘĘKUJKUJĘĘĘĘĘĘĘĘ ZA UWAGZA UWAGĘĘĘĘĘĘĘĘ !!

Fotokatalityczne utlenianie kwasów humusowych

TiO2 (Degussa P25) modyfikowany nanocząstkami srebra d < 5nm

3%

34%

4%

41%

4%

63%

3%

47%

2%

62%

Pho

toca

taly

st r

educ

ed b

yU

V

The

rmal

ly r

educ

ed p

hoto

cata

lyst

3%

34%

4%

41%

4%

63%

3%

47%

2%

62%

Pho

toca

taly

st r

educ

ed b

yU

V

The

rmal

ly r

educ

ed p

hoto

cata

lyst

Porous support

photocatalysts

Porous support

photocatalysts

Clean water

catalyst

membrane

Higher pressureCase A

HA