Kémiai reakciók zajlanak körülöttünk folyamatosan – nyilvánvaló, ha belegondolunk, de vajon hányan tesszük ezt, amikor beindítjuk az autót, megfőzzük a tojást, vagy trágyázzuk a gyepet?
Richard Kong kémiai katalízis szakértő régóta gondolkodik a kémiai reakciókon. „Profi hangmérnökként” végzett munkájában, ahogy ő maga fogalmaz, nemcsak a benne lejátszódó reakciók érdeklik, hanem az újak kiváltása is.
A Bölcsészettudományi Kar Kémia és Kémiai Biológia szakos Klarman ösztöndíjasaként Kong olyan katalizátorok fejlesztésén dolgozik, amelyek a kémiai reakciókat a kívánt eredményekhez vezetik, biztonságos, sőt hozzáadott értékű termékeket hozva létre, beleértve azokat is, amelyek pozitív hatással lehetnek az emberi egészségre. Szerda.
„Jelentős mennyiségű kémiai reakció megy végbe segítség nélkül” – mondta Kong, utalva a szén-dioxid kibocsátására, amikor az autók fosszilis tüzelőanyagokat égetnek el. „De a bonyolultabb és összetettebb kémiai reakciók nem mennek végbe automatikusan. Itt jön képbe a kémiai katalízis.”
Kong és kollégái katalizátort terveztek a kívánt reakció irányítására, és az meg is történt. Például a szén-dioxid hangyasavvá, metanollá vagy formaldehiddé alakítható a megfelelő katalizátor kiválasztásával és a reakciókörülményekkel való kísérletezéssel.
Kyle Lancaster, a kémia és kémiai biológia (A&S) professzora, valamint a Kong Egyetem professzora szerint Kong megközelítése jól illeszkedik Lancaster laboratóriumának „felfedezésvezérelt” megközelítéséhez. „Richardnak az az ötlete támadt, hogy ónt használ a kémia fejlesztésére, ami soha nem szerepelt a forgatókönyvemben” – mondta Lancaster. „Ez katalizátorként működik a szén-dioxid szelektív átalakításában valami értékesebb anyaggá, és a szén-dioxid sok rossz sajtót kap.”
Kong és munkatársai nemrégiben felfedeztek egy olyan rendszert, amely bizonyos körülmények között képes a szén-dioxidot hangyasavvá alakítani.
„Bár jelenleg még nem tartunk közel a legmodernebb reaktivitáshoz, a rendszerünk nagymértékben konfigurálható” – mondta Kong. „Így elkezdhetjük mélyebben megérteni, hogy miért működnek egyes katalizátorok gyorsabban, mint mások, miért eredendően jobbak egyes katalizátorok. Hangolhatjuk a katalizátorok paramétereit, és megpróbálhatjuk megérteni, mitől működnek ezek a dolgok gyorsabban, mert minél gyorsabban működnek, annál jobb – gyorsabban lehet molekulákat létrehozni.”
Klarman-ösztöndíjasként Kong azon is dolgozik, hogy a nitrátokat, a vízi utakba mérgezően szivárgó gyakori műtrágyákat a környezetből ártalmatlanná alakítsa – mondja.
Kong olyan közönséges földfémekkel kísérletezett katalizátorként, mint az alumínium és az ón. A fémek olcsók, nem mérgezőek és bőségesen előfordulnak a földkéregben, így használatuk nem vet fel fenntarthatósági problémákat – mondta.
„Azt is kitaláljuk, hogyan lehet olyan katalizátorokat előállítani, ahol ezek közül a fémek közül két kölcsönhatásba lép egymással” – mondta Kong. „Két fém felhasználásával a keretrendszerben milyen reakciókat és érdekes kérdéseket kaphatunk a bimetálos rendszerekből?” „Kémiai reakció?”
Kong szerint az állványzat az a kémiai környezet, amelyben ezek a fémek találhatók.
Az elmúlt 70 évben a kémiai átalakulások eléréséhez egyetlen fémcentrum használata volt a norma, de az elmúlt évtizedben a terület vegyészei elkezdték felfedezni a két kémiailag kötött vagy szomszédos fém közötti szinergikus kölcsönhatásokat. Kong azt mondta: „Ez nagyobb szabadsági fokot biztosít.”
Kong szerint ezek a bimetál katalizátorok lehetővé teszik a vegyészek számára, hogy a fémkatalizátorokat erősségeik és gyengeségeik alapján kombinálják. Például egy olyan fémcentrum, amely rosszul kötődik az aljzatokhoz, de jól bontja a kötéseket, együttműködhet egy másik fémcentrummal, amely rosszul bontja a kötéseket, de jól kötődik az aljzatokhoz. A második fém jelenléte az első fém tulajdonságait is befolyásolja.
„Elkezdhetjük felfedezni az úgynevezett szinergikus hatást a két fémközpont között” – mondta Kong. „Néhány igazán egyedi és csodálatos reakció kezd kibontakozni a bimetál katalízis területén.”
Kong szerint még mindig sok a bizonytalanság azzal kapcsolatban, hogy a fémek hogyan kötődnek egymáshoz molekuláris formában. Ugyanolyan izgalommal töltötte el magát a kémia szépsége, mint az eredmények. Kongot a röntgenspektroszkópiában szerzett szakértelmük miatt hozták a Lancaster laboratóriumába.
„Ez egy szimbiózis” – mondta Lancaster. „A röntgenspektroszkópia segített Richardnak megérteni, mi rejlik a motorháztető alatt, és mi teszi az ónt különösen reaktívvá és képessé erre a kémiai reakcióra. Hasznunkra válik a főcsoportkémia terén szerzett széleskörű ismerete, amely egy új területen nyitott meg utat.”
Mindez az alapvető kémián és a kutatáson múlik, ezt a megközelítést az Open Klarman Fellowship tette lehetővé, mondta Kong.
„Általában lefuttathatom a reakciót a laborban, vagy leülhetek a számítógéphez, és szimulálhatom a molekulát” – mondta. „Megpróbálunk a lehető legteljesebb képet kapni a kémiai aktivitásról.”