A „rossz” kémia valójában működött

Oké, el kell adnom – amikor először elolvastam erről a kutatásról, kétszer kellett újraolvansom, mert valami nem telt össze.

A tudósok bizonyos értékes vegyszineket próbáltak előállítani elektromossággal (ezt a technológiát organikus elektroszintézisnek hívják, ha a finom kifejezést akarják használni). Mindenkorig minden tökéletesen beállították: a megfelelő feszültséget, a megfelelő elektrodamaterálokat, a megfelelő oldatot. De az eredményeik folyamatosan csalódást keltőek voltak. Csak a kívánt termék kb. 16%-át tudták elnyerni.

Tizenhat százalék. Ez gyakorlatilgyi jelentésében elégosztályos.

De itt jön a fordulat. A kutatók – Jaeyune Ryu professzor és csapata vezetésével a Szöul Nemzeti Egyetemen – nemcsak elfogadták ezeket a csalódott eredményeket. Ehelyett azt kezdték kérdezgetni maguktól, mit vesztek el.

És hát, tényleg találtak valamit.

A reaktor kialakításánan végzett néhány viszonylag egyszerű változtatás révén – pontosabban az elektrodák közötti távolság szabályozásával és a folyadék rendszeren keresztüli áramlásának irányításával – sikerült a sikerratazt a gyenge 16%-ról egészen 97%-ra emelniük.

Kilencven. Hat. Százalék.

Ez nem csak egy apróbb javulás. Ez olyan, mint a „talán meg kellene próbálnunk egy másik módszert” állapotról a „gyaloglózzuk le és patenteljük azonnal” állapotba.

Nos, mi volt a probléma eddig?

Ez az a rész, ami elmosolyztat (és egyúttal megkérkeztet): a megoldás a szemünk előtt volt rejtőzködött. Szó szerint csak néhány centiméterre ott volt, ahol a folyamat zajlott.

A felfedezett kulcsfontosságú tényező az úgynevezett „helyi pH” – és mielőtt elszállna a tekintetem a bonyolult kifejezéstől, engedjék meg, hogy elmagyarázzam, miért is számít ez valójában, és az talán meglepetésként éri Önt.

Valószínűleg tudja, hogy a pH-érték azt méri, mennyire savas vagy lúgos valami. A kávé enyhén savas (kb. pH 5), míg a szódabikafő (szódabikafő/szódabikafő – nátrium-bikarbonát) lúgos (kb. pH 9). Testünk keményen dolgozik azért, hogy elég stabil, kb. 7,4-es pH-t tartsunk fenn.

Most pedig: az elektromossággal végzett kémiai reakcióknál a hidrogénionok (úgynevezett protonok) folyamatosan keletkeznek vagy fogyóznak az elektrodáknál. És itt jön a lényeg: ezek a protonok nem tudnak azonnal átmozogni a folyadékon. Így míg az összkeverék egy probatüvegben tökéletesen semlegesnek tűnhet, közvetlenül az elektroda felületén a dolgok elég messze elmozdulhatnak az egyensúlytól.

A kutatók úgy számolták, hogy az egyik elektrodánál a pH felmehet a 11-es köré (erősen lúgos). A másiknál pedig leeshet a 2,5-ös köré (erősen savas).

Ez olyan, mint a különbség a szódabikafő és a citromlé között – az egész folyamat pedig egy emberi hajszálvékony rétegen zajlik.

Miért kell, hogy ez érdekessen?

Jó kérdés. Mert őszintén szólva, a legtöbbünk nem tölti a napját elektrodafelületek vagy pH-gradientek gondolgatásával.

De itt a lényeg: a kutatás tárgyát képező vegyszerek nem apró laboratóriumi érdekességek. Laktonekről és epoxidekről beszélünk – ezek olyan vegyületek, amelyek a következőket alkotják:

• Biodegradálható műanyagok (mert kéne belőlünk rengeteg)
• Poliuretánok (mindenben megtalálhatóak, a bútorpárnáktól az szigetelésig)
• Ragasztók és védőbevonatok
• Epoxi gyangarcsák (elektronikában használják)
• Gyógyszerek

Ez egy elég lenyűgöző lista a mindennapi életben felbukkanó dolgokról.

És maga a technika? Oxigént és elektromosságot használ a reakciók elősegítésére, ami azt jelenti, hogy a gyártók képesek lehetnek csökkenteni a durva kémiai oxidálószerekre való szükségességüket. Ezek egy része nemcsak kezelésük nehézkes, hanem problémás hulladékot is termel.

Más szóssal: ez nem csak a kémia hatékonyságának növeléséről szól. Ez a folyamatot biztonságosabbá és tisztábbá is teheti.

A tudomány „Hoppá!” pillanata

Amit a legszebbnek találok ebben a történetben, az az elhanyagolás mértéke.

A csapat nemcsak a saját reakcióikat tesztelték. Visszamenőleg elemelték a 2010 óta megjelent több mint 600 tudományos publikációt az organikus elektroszintézisről. És itt van, amit felfedeztek:

A tanulmányok körülbelül 89%-ában olyan reakciók voltak, amelyeknél az elektrodákon egyszerre történtek elektron- és protonátváltások.

Egyszerűen megfogalmazva: a legtöbb elektrokémiai reakción valószínűleg ez a helyi pH-probléma van jelen. A kutatók csak tűnődtek, hogy miért nem követik be az eredményeik az elméletet, miközben a bűnös egész időben az elektroda felületén rejtőzött.

Ez arra késztet, hogy gondolkodjok az összes többi „visszatekintésre egyértelmű” felfedezésre, amely csak arra vár, hogy megtalálják őket. Néha a legnagyobb áttörések nem egy teljesen új dolog feltalálásából fakadnak – hanem abból, hogy észrevesszük, mi volt ott már az egész időben.

Mi történik ezután?

Ryu professzor csapata közzétette eredményeiket a Journal of the American Chemical Society-ben, ami nagy dolog. Ez nem valamilyen elhanyagolt szaklap – ez a világ egyik legmeghatározóbb kémiai folyóiratából.

Most még idő kell rá, amíg ez a tudás bekerül az ipari alkalmazásokba. De a következmények elég izgalmasak. A vegyi anyagok gyártói potenciálisan átalakíthatják folyamataikat úgy, hogy figyelembe vennék a helyi pH-hatásokat, ami nagyobb hozalmat, kevesebb hulladékot és kevesebb veszélyes összetevőt eredményezne.

A tudósok számára pedig egy teljesen új változó jelenik meg a számításokba. Amikor elektrokémiai kísérletet tervezünk, már nem csak a feszültségre és az elektrodamaterálokra kell koncentrálnunk – nagyon alaposan el kell gondolnunk arról, mi történik azon a apró, gyakran elhanyagolt határrétegen.

Néha egy recept legfontosabb tényezője nem a fő összetevők. Hanem az az apró részlet, amit eddig figyelmen kívül hagytál.

Több évtizedig a világ egészén a kémikusok feszültséget állítottak, elektrodákat cseréltek és oldatösszetételt módosítottak – miközben a valódi bűnös (a helyi pH) türelmesen az éledén várakozott.

Most, hogy tudjuk, mire kell figyelni, ki tudja, milyen más „rejtett tényezők” várnak csak felfedezésre?

Egy dolog biztos: a kémia sokkal érdekesebb lett.

Forrás: ScienceDaily