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 ηχολήπτης», όπως το θέτει ο ίδιος, ενδιαφέρεται όχι μόνο για τις αντιδράσεις που προκύπτουν στον εαυτό του, αλλά και για την πρόκληση νέων.
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 σχεδίασαν έναν καταλύτη για να κατευθύνουν την αντίδραση που ήθελαν, και αυτό συνέβη. 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 καθηγητή του Κονγκ, η προσέγγιση του Κονγκ ταιριάζει απόλυτα με την προσέγγιση «με γνώμονα την ανακάλυψη» του εργαστηρίου του Λάνκαστερ. «Ο Richard είχε την ιδέα να χρησιμοποιήσει κασσίτερο για να βελτιώσει τη χημεία του, κάτι που δεν ήταν ποτέ στο σενάριό μου», είπε ο Lancaster. «Είναι ένας καταλύτης για την επιλεκτική μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε κάτι πιο πολύτιμο, και το διοξείδιο του άνθρακα δέχεται πολλές αρνητικές κριτικές».
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 προς το παρόν δεν βρισκόμαστε κοντά στην πλέον σύγχρονη αντιδραστικότητα, το σύστημά μας είναι ιδιαίτερα διαμορφώσιμο», δήλωσε ο Κονγκ. «Έτσι, μπορούμε να αρχίσουμε να κατανοούμε σε βάθος γιατί ορισμένοι καταλύτες λειτουργούν ταχύτερα από άλλους, γιατί ορισμένοι καταλύτες είναι εγγενώς καλύτεροι. Μπορούμε να ρυθμίσουμε τις παραμέτρους των καταλυτών και να προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε τι κάνει αυτά τα πράγματα να λειτουργούν ταχύτερα, επειδή όσο πιο γρήγορα λειτουργούν, τόσο το καλύτερο - μπορείτε να δημιουργήσετε μόρια πιο γρήγορα».
Ως υπότροφος Klarman, ο Kong εργάζεται επίσης για τη μετατροπή των νιτρικών αλάτων, κοινών λιπασμάτων που διαρρέουν τοξικά στις υδάτινες οδούς, από το περιβάλλον σε κάτι ακίνδυνο, λέει.
Ο Κονγκ πειραματίστηκε με κοινά μέταλλα γαιών 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.
«Επίσης, προσπαθούμε να βρούμε πώς να φτιάξουμε καταλύτες όπου δύο από αυτά τα μέταλλα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους», είπε ο Κονγκ. «Χρησιμοποιώντας δύο μέταλλα στο πλαίσιο, τι είδους αντιδράσεις και ενδιαφέροντα ερωτήματα μπορούμε να λάβουμε από διμεταλλικά συστήματα;» «χημική αντίδραση;»
Σύμφωνα με τον Κονγκ, η σκαλωσιά είναι το χημικό περιβάλλον στο οποίο βρίσκονται αυτά τα μέταλλα.
Τα τελευταία 70 χρόνια, ο κανόνας ήταν να χρησιμοποιείται ένα μόνο μεταλλικό κέντρο για την επίτευξη χημικών μετασχηματισμών, αλλά την τελευταία δεκαετία περίπου, οι χημικοί στον τομέα έχουν αρχίσει να διερευνούν συνεργιστικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ δύο χημικά συνδεδεμένων ή συνεχόμενων μετάλλων. Ο Κονγκ είπε: «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 καλά τους δεσμούς μπορεί να λειτουργήσει με ένα άλλο μεταλλικό κέντρο που διασπά ελάχιστα τους δεσμούς 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 συνεργιστική επίδραση μεταξύ των δύο μεταλλικών κέντρων», είπε ο Κονγκ. «Μερικές πραγματικά μοναδικές και υπέροχες αντιδράσεις αρχίζουν να εμφανίζονται στον τομέα της διμεταλλικής κατάλυσης».
Ο Κονγκ είπε ότι εξακολουθεί να υπάρχει μεγάλη αβεβαιότητα σχετικά με το πώς τα μέταλλα συνδέονται μεταξύ τους σε μοριακές μορφές. Ενθουσιάστηκε τόσο από την ομορφιά της ίδιας της χημείας όσο και από τα αποτελέσματα. Ο Κονγκ μεταφέρθηκε στο εργαστήριο του Λάνκαστερ για την εξειδίκευσή του στη φασματοσκοπία ακτίνων Χ.
«Είναι μια συμβίωση», είπε ο Λάνκαστερ. «Η φασματοσκοπία ακτίνων Χ βοήθησε τον Ρίτσαρντ να καταλάβει τι κρυβόταν κάτω από την κουκούλα και τι έκανε τον κασσίτερο ιδιαίτερα αντιδραστικό και ικανό για αυτή τη χημική αντίδραση. Επωφελούμαστε από την εκτεταμένη γνώση του για τη χημεία των κύριων ομάδων, η οποία έχει ανοίξει νέους ορίζοντες σε έναν νέο τομέα».
Όλα καταλήγουν στη βασική χημεία και την έρευνα, μια προσέγγιση που κατέστη δυνατή χάρη στην Ανοιχτή Υποτροφία Klarman, είπε ο Κονγκ.
«Συνήθως μπορώ να εκτελέσω την αντίδραση στο εργαστήριο ή να καθίσω μπροστά στον υπολογιστή και να προσομοιώσω το μόριο», είπε. «Προσπαθούμε να έχουμε μια όσο το δυνατόν πιο ολοκληρωμένη εικόνα της χημικής δραστηριότητας».