Χημικές αντιδράσεις συμβαίνουν παντού γύρω μας συνεχώς—προφανές αν το καλοσκεφτείτε, αλλά πόσοι από εμάς το κάνουμε όταν βάζουμε μπροστά ένα αυτοκίνητο, βράζουμε ένα αυγό ή λιπάνουμε το γκαζόν μας;
Ο ειδικός στη χημική κατάλυση, Ρίτσαρντ Κονγκ, σκέφτεται τις χημικές αντιδράσεις. Στην εργασία του ως «επαγγελματίας συντονιστής», όπως το θέτει, δεν ενδιαφέρεται μόνο για τις αντιδράσεις που προκύπτουν από μόνες τους, αλλά και για τον εντοπισμό νέων αντιδράσεων.
Ως υπότροφος Klarman στη Χημεία και τη Χημική Βιολογία στο Κολλέγιο Τεχνών και Επιστημών, ο Kong εργάζεται για την ανάπτυξη καταλυτών που οδηγούν τις χημικές αντιδράσεις σε επιθυμητά αποτελέσματα, δημιουργώντας ασφαλή και ακόμη και προστιθέμενης αξίας προϊόντα, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που μπορούν να έχουν θετικό αντίκτυπο στην ανθρώπινη υγεία. Τετάρτη.
«Ένας σημαντικός αριθμός χημικών αντιδράσεων λαμβάνει χώρα χωρίς βοήθεια», είπε ο Κονγκ, αναφερόμενος στην απελευθέρωση διοξειδίου του άνθρακα όταν τα αυτοκίνητα καίνε ορυκτά καύσιμα. «Ωστόσο, οι όλο και πιο σύνθετες χημικές αντιδράσεις δεν συμβαίνουν αυτόματα. Εδώ είναι που μπαίνει στο παιχνίδι η χημική κατάλυση».
Ο Κονγκ και οι συνάδελφοί του ανέπτυξαν καταλύτες για να κατευθύνουν τις αντιδράσεις που ήθελαν να συμβούν. Για παράδειγμα, το διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να μετατραπεί σε μυρμηκικό οξύ, μεθανόλη ή φορμαλδεΰδη επιλέγοντας τον κατάλληλο καταλύτη και πειραματιζόμενοι με τις συνθήκες αντίδρασης.
Σύμφωνα με τον Kyle Lancaster, καθηγητή Χημείας και Χημικής Βιολογίας (A&S) και συντονιστή του Kong, η προσέγγιση του Kong ταιριάζει απόλυτα με την προσέγγιση «με γνώμονα την ανακάλυψη» του εργαστηρίου του Lancaster. «Ο Richard είχε την ιδέα να χρησιμοποιήσει κασσίτερο για να βελτιώσει τη χημεία του, κάτι που δεν υπήρχε ποτέ στο σενάριό μου», είπε ο Lancaster. «Έχει έναν καταλύτη που μπορεί να μετατρέψει επιλεκτικά το διοξείδιο του άνθρακα, για το οποίο γίνεται πολύ λόγος στον τύπο, σε κάτι πιο πολύτιμο».
Ο Κονγκ και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν πρόσφατα ένα σύστημα που, υπό ορισμένες συνθήκες, μπορεί να μετατρέψει το διοξείδιο του άνθρακα σε μυρμηκικό οξύ.
«Ενώ δεν είμαστε ακόμη στην αιχμή της τεχνολογίας όσον αφορά την ανταπόκριση, το σύστημά μας είναι ιδιαίτερα προσαρμόσιμο», δήλωσε ο Κονγκ. «Με αυτόν τον τρόπο, μπορούμε να αρχίσουμε να κατανοούμε σε βάθος γιατί ορισμένοι καταλύτες λειτουργούν ταχύτερα από άλλους, γιατί ορισμένοι καταλύτες είναι εγγενώς καλύτεροι. Μπορούμε να τροποποιήσουμε τις παραμέτρους των καταλυτών και να προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε τι κάνει αυτά τα πράγματα να λειτουργούν πιο γρήγορα, επειδή όσο πιο γρήγορα λειτουργούν, τόσο καλύτερα λειτουργούν, τόσο πιο γρήγορα μπορείτε να δημιουργήσετε μόρια».
Ως υπότροφος Klarman, ο Kong εργάζεται επίσης για την απομάκρυνση των νιτρικών αλάτων, ενός κοινού λιπάσματος που διαρρέει τοξικά στις υδάτινες οδούς, από το περιβάλλον και τη μετατροπή τους σε πιο ακίνδυνες ουσίες, είπε.
Ο Κονγκ πειραματίστηκε χρησιμοποιώντας μέταλλα που βρίσκονται στη γη, όπως το αλουμίνιο και ο κασσίτερος, ως καταλύτες. Τα μέταλλα είναι φθηνά, μη τοξικά και άφθονα στον φλοιό της γης, επομένως η χρήση τους δεν θα δημιουργήσει προβλήματα βιωσιμότητας, είπε.
«Εργαζόμαστε επίσης πάνω στο πώς να κατασκευάσουμε καταλύτες όπου δύο μέταλλα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους», είπε ο Κονγκ. «Χρησιμοποιώντας δύο μέταλλα σε ένα πλαίσιο, ποιες αντιδράσεις και ενδιαφέρουσες χημικές διεργασίες μπορούμε να έχουμε από διμεταλλικά συστήματα;»
Τα δάση είναι το χημικό περιβάλλον που περιέχει αυτά τα μέταλλα – είναι κρίσιμα για την αξιοποίηση των δυνατοτήτων αυτών των μετάλλων ώστε να κάνουν τη δουλειά τους, όπως ακριβώς χρειάζεστε τα κατάλληλα ρούχα για τον κατάλληλο καιρό, είπε ο Κονγκ.
Τα τελευταία 70 χρόνια, το πρότυπο ήταν η χρήση ενός μόνο μεταλλικού κέντρου για την επίτευξη χημικών μεταβάσεων, αλλά την τελευταία δεκαετία περίπου, οι χημικοί στον τομέα έχουν αρχίσει να διερευνούν την ένωση δύο μετάλλων, είτε χημικά είτε σε κοντινή απόσταση. Πρώτον, λέει ο Κονγκ, «Σας δίνει περισσότερους βαθμούς ελευθερίας».
Αυτοί οι διμεταλλικοί καταλύτες δίνουν στους χημικούς τη δυνατότητα να συνδυάζουν μεταλλικούς καταλύτες με βάση τα δυνατά και τα αδύνατα σημεία τους, λέει ο Κονγκ. Για παράδειγμα, ένα μεταλλικό κέντρο που συνδέεται ελάχιστα με τα υποστρώματα αλλά διασπά τους δεσμούς καλά μπορεί να λειτουργήσει με ένα άλλο μεταλλικό κέντρο που διασπά τους δεσμούς ελάχιστα αλλά συνδέεται καλά με τα υποστρώματα. Η παρουσία του δεύτερου μετάλλου επηρεάζει επίσης τις ιδιότητες του πρώτου μετάλλου.
«Μπορείτε να αρχίσετε να παρατηρείτε αυτό που ονομάζουμε συνεργιστικό αποτέλεσμα μεταξύ των δύο μεταλλικών κέντρων», είπε ο Κονγκ. «Ο τομέας της διμεταλλικής κατάλυσης αρχίζει ήδη να δείχνει κάποια πραγματικά μοναδική και υπέροχη αντιδραστικότητα».
Ο Κονγκ είπε ότι εξακολουθούν να υπάρχουν πολλές ασάφειες σχετικά με το πώς συνδέονται τα μέταλλα μεταξύ τους στις μοριακές ενώσεις. Ενθουσιάστηκε τόσο από την ομορφιά της ίδιας της χημείας όσο και από τα αποτελέσματα. Ο Κονγκ μεταφέρθηκε στα Εργαστήρια του Λάνκαστερ για την εξειδίκευσή τους στη φασματοσκοπία ακτίνων Χ.
«Είναι μια συμβίωση», είπε ο Λάνκαστερ. «Η φασματοσκοπία ακτίνων Χ βοήθησε τον Ρίτσαρντ να καταλάβει τι συνέβαινε στο παρασκήνιο και τι κάνει τον κασσίτερο ιδιαίτερα αντιδραστικό και ικανό για αυτή τη χημική αντίδραση. Επωφεληθήκαμε από την εκτεταμένη γνώση του για τη χημεία των κύριων ομάδων, η οποία άνοιξε την πόρτα για την ομάδα σε έναν νέο τομέα».
Όλα καταλήγουν στη βασική χημεία και την έρευνα, λέει ο Κονγκ, και αυτή η προσέγγιση καθίσταται δυνατή χάρη σε μια υποτροφία Open Klarman.
«Μια τυπική μέρα, μπορώ να κάνω αντιδράσεις στο εργαστήριο ή να κάθομαι μπροστά σε έναν υπολογιστή που προσομοιώνει μόρια», είπε. «Προσπαθούμε να έχουμε μια όσο το δυνατόν πιο ολοκληρωμένη εικόνα της χημικής δραστηριότητας».