Nytænkning af fysik: Silvia Vignolini om at lykkes på grænsen mellem discipliner - Physics World

Nytænkning af fysik: Silvia Vignolini om at lykkes på grænsen mellem discipliner - Physics World

Tidsstempel: 26. september 2023 kl. 6

Silvia Vignolini, en fysiker, der studerer naturlige fotoniske strukturer, taler med Julianna Photopoulos om at arbejde på tværs af traditionelle videnskabelige grænser, være med til at stifte nystartede virksomheder og oprette en ny afdeling fra bunden

Silvia Vignolini
At bryde grænser Silvia Vignolini arbejder med "struktureret lys" i naturlige systemer, hvilket kræver en ekspertise inden for ikke kun fysik, men også kemi og biologi. (Med høflighed: Sebastian Rost Fotografie)

"Jeg har altid foretrukket naturvidenskab eller matematik frem for andre fag i skolen," siger Silvia Vignolini, "men jeg anede ikke, hvad en fysiker faktisk gjorde." Da hun voksede op i en lille by uden for Firenze, Italien, ønskede Vignolinis far faktisk, at hun skulle studere et emne, der ville føre til "et ordentligt job", og hendes vej ind i fysik skete ret tilfældigt. "Jeg havde en fantastisk kemilærer, som fik os til at læse naturvidenskabelige bøger og præsentere dem for klassen."

Som et resultat blev hendes interesse for emnet – og især astrofysik – vakt, efter Vignolini holdt et foredrag om Stephen Hawkings En kort tidshistorie. På trods af at hun ikke forstod meget af den videnskab, der blev diskuteret i bogen, nægtede hun at give op og henvendte sig til en ven, der studerede fysik, for at hjælpe hende med at forstå de ukendte begreber. Hun begyndte derefter at fortære andre videnskabelige bøger, herunder Bertolt Brechts biografi om Galileo.

Men som det viser sig, hvilede Vignolinis indtog i fysik også på en anden tilfældig kommentar. "Jeg var iført en stor trøje fra min mor og sorte bukser - jeg havde dette grunge-look - og nogen sagde, at jeg ville blive en rigtig god fysiker," husker hun med et grin. “Jeg tror ikke, jeg er et særligt geni, men jeg har aldrig stillet spørgsmålstegn ved min beslutning eller spurgt mig selv, om jeg ville være god nok. Jeg syntes det var fedt at studere fysik, så det var det, jeg gjorde.”

Jeg ville gerne lave astrofysik, men det var ikke så praktisk, som jeg troede, så jeg endte med at gå efter lys og optik.

Hun fortsatte med at studere fysik på University of Florence, opnår en bachelor- og kandidatgrad i faget. "Jeg ville gerne lave astrofysik, men det var ikke så praktisk, som jeg troede, så jeg endte med at gå efter lys og optik," forklarer Vignolini. Men som den første i hendes familie, der gik på universitetet, var hendes forældre ikke enige i hendes valg. Faktisk havde hendes far håbet, at hun ville lave økonomi og overtage økonomien i familiebutikken. "Han troede, at fysik ville være spild af tid, da jeg aldrig ville finde et job, og dengang kunne jeg ikke rigtig forklare, hvad fysikere gjorde."

I 2009 blev Vignolini tilbudt en ph.d. i optisk fysik på Europæisk laboratorium for ikke-lineær spektroskopi (LENS) ved universitetet i Firenze. "De fortalte mig, at det ville være ligesom min kandidatafhandling, men det ville være tre år og betalt" husker hun. "Så jeg sagde, 'hvorfor ikke?'" Tiltrukket af muligheden for at forske mere og gå til konferencer indrømmer Vignolini, at hun var temmelig naiv i forhold til, hvad en ph.d.-grad ville indebære. "Jeg var ikke som de ph.d.-studerende, jeg møder nu, hvor de ser det her som en karriere."

Nye møder

Efter sin ph.d. blev Vignolini opfordret til at tage til udlandet og endte med at lave en post-doc i Cavendish Laboratory ved University of Cambridge i Storbritannien. Arbejder med den bløde stof-fysiker Ullrich Steiner, begyndte hun at studere de optiske egenskaber af planter og dyr, hvis livlige farver ikke kommer fra pigmenter eller farvestoffer, men fra strukturer i nanoskala, der spreder lys. Men det var ikke nemt at skifte felt. "Jeg troede, jeg tog afsted, fordi laboratoriet ser rigtig fedt ud, men var ikke sikker på, om projektet ville fungere, så jeg insisterede sammen med min vejleder på at have et andet, mere fysikbaseret projekt, der involverede udvikling af nye optiske materialer."

Det viste sig, at flytningen til Storbritannien viste sig at være en stor succes, hjulpet af den anderledes tilgang til videnskab sammenlignet med derhjemme. "Jeg følte mig værdsat og enormt motiveret, da folk var taknemmelige for det [jeg gjorde]", siger hun. "I Italien skal man normalt være taknemmelig over for folk for at kunne arbejde." Hun anerkender også Cambridge for at have åbnet sit sind og ændret måden, hun laver videnskab på. "Nu ser jeg kun på spørgsmålet og de værktøjer og mennesker, jeg har brug for til at løse problemet."

I 2014, efter at have modtaget et Philip og Patricia Brown Next Generation Fellowship fra University of Cambridge, dannede Vignolini sin egen forskningsgruppe inden for Cambridges kemiafdeling. Hendes team satte sig for at bygge kunstige fotoniske strukturer ved hjælp af naturlige materialer med håbet om at skabe nye biologisk nedbrydelige materialer, der kunne erstatte traditionelle, potentielt farlige farvestoffer, der bruges i f.eks. kosmetik, tekstiler og sikkerhedsmærker. "Indtil videre har vi arbejdet intensivt på at lave mere bæredygtige pigmenter."

Som ny gruppeleder blev hun hjulpet ved at vinde et David Philip-stipendium fra Bioteknologisk og Biologisk Forskningsråd (BBSRC) i 2013 for at studere, hvordan planter producerer strukturelle farver. Hun vandt også en "startstipendium" fra Det Europæiske Forskningsråd i 2015. Vignolini erkender dog, at det var en udfordring at finde gruppemedlemmer, fordi forskningen er langsom og kræver videnskabsmænd, der kombinerer viden om fysik, kemi og biologi.

Nanoskala billeder af strukturelle farver
Alt det glitter Arbejdet udført af Silvia Vignolini og hendes kolleger med at kopiere cellulosens strukturelle farver har ført til, at et spin-off firma er blevet oprettet til at fremstille plantebaserede farvede pigmenter og glimmer. (Med høflighed: Droguet, BE, Liang, HL., Frka-Petesic, B. et al. Fremstilling i stor skala af strukturelt farvede cellulose nanokrystalfilm og effektpigmenter. (Nat. Mater. 21 352). doi.org/10.1038/s41563-021-01135-8)

At finde måder at replikere naturlige strukturelle farver har massivt kommercielt potentiale og miljømæssige fordele. "Vi tænker ofte ikke rigtigt over, hvordan farver produceres, men de kommer fra syntetiske pigmenter og farvestoffer og har store miljøomkostninger," siger Vignolini. "De har et højt forbrug af vand og energi, kan udnytte kritiske metaller eller inkludere kræftfremkaldende kemikalier, og masser af affaldsmateriale ender i spildevandet og vores hav."

Vignolini, der var ivrig efter at kommercialisere forskning udført i hendes laboratorium, var i 2022 med til at stifte to spin-out-virksomheder. Sparxell ledes af Benjamin Droguet – en af ​​Vignolinis tidligere ph.d.-studerende – og forsøger at kopiere cellulosens strukturelle farver i stor skala for at lave plantebaserede farvede pigmenter og glimmer (Nature Materials 21 352). Det andet selskab – Umulige materialer – bliver ledet af en tidligere post-doc i hendes gruppe, Lukas Schertel, og kommercialiserer de hvide pigmenter inspireret af det sydøstasiatiske Cyphochilus bille (ACS Nano 16 (5) 7373).

Cyphochilus bille
Naturligt vidunder Et andet firma udskilt fra Silvia Vignolis forskning forsøger at kommercialisere pigmenter inspireret af det sydøstasiatiske Cyphochilus bille, som er dækket af usædvanligt klare hvide skæl, der dækker hele eksoskeletet. (Med høflighed: iStock/Elisa Irmalia)

Vignolini er glad for, at hendes forskning er på vej ind i den virkelige verden, men hun er også stolt af, at hendes gruppes studerende og postdocs gør en indflydelse. "Jeg håber, at vores teknologi kan være positiv for planeten og problemet med global opvarmning, og for at fortsætte med at få det bedste ud af mennesker," siger hun. "Mentoring er den vigtigste del af mit job."

Ledelse af en afdeling

I januar 2023 var Vignolini udnævnt til direktør af en ny afdeling på Max Planck Institute of Colloids and Interfaces (MPICI) i Potsdam, Tyskland, dedikeret til bæredygtige og bio-inspirerede materialer. Hun er den første kvindelige direktør ved MPICI og rejser i øjeblikket frem og tilbage mellem Storbritannien og Tyskland, mens hun også opdrager to småbørn. ”Jeg havde ikke forventet, at jobbet ville blive anderledes, men det er det faktisk. I min forskergruppe aktiverede jeg andre mennesker, og her er det at bygge noget for andre,” siger hun.

Naturvidenskabelige discipliner behøver ikke at have adskilte grænser, de er alle sammenflettet, og du skal holde et åbent sind

Mens hun stadig var i de tidlige stadier af sin karriere i Tyskland, bygger Vignolini et elektronmikroskoprum fra bunden og leder efter et nyt hold. ”Det tager tid at finde de rigtige mennesker. Nogle medlemmer af Cambridge-gruppen flytter hertil fra september, og andre leder efter andre stillinger,” forklarer Vignolini. "Planen er at flytte 100 % hertil, men jeg er ved at afslutte nogle projekter i Cambridge og vejleder stadig studerende."

I Tyskland vil Vignolini også udvikle et andet forskningsfelt kaldet "sym-bionisk stof", som går ud på at se på, hvordan organismer samarbejder om at høste og manipulere lys. Der er f.eks. én art af grøn havsnegl, som binder levende kloroplaster fra algen, den spiser, så fotosyntesen kan fortsætte inde i sneglens celler. "Videnskabelige discipliner behøver ikke at have særskilte grænser, faktisk er de alle sammenflettet, og du skal holde et åbent sind," siger hun. ”Jeg kan ikke rigtig se, hvad kemi eller fysik eller biologi er længere; Jeg anlægger en bredere tilgang og tror på, at det er sådan, videnskabelig viden udvikler sig."

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden