Chimia „greșită” care, de fapt, a funcționat

Ok, trebuie să recunosc — când am citit prima dată despre această cercetare, a trebuit să citesc de două ori pentru că ceva nu se lega.

Cercetătorii încercau să producă anumiți substanțe chimice valoroase folosind electricitatea (o tehnică numită electrosinteză organică, dacă vrei termenul sofisticat). Ar aranjat totul perfect: voltajul corect, materialele de електrod corecte, soluția corectă. Însă rezultatele lor erau mereu dezamăgitoare. Obțineau doar aproximativ 16% din produsul dorit.

Șaisprezece la sută. Asta este, practic, o notă de picat.

Dar aici devine interesant. Cercetătorii — conduși de profesorul Jaeyune Ryu și echipa ei de la Universitatea Națională din Seul — nu au acceptat pur și simplu aceste rezultate dezamăgitoare. În schimb, au început să se întrebe ce le lipsește.

Și, ce să mai spun, au găsit ceva.

Prin aplicarea unor modificări relativ simple modului în care era proiectat reactorul lor — mai exact, controlând distanța dintre electrozi și modul în care lichidul curgea prin sistem — au reușit să crească acea rată de succes de la un prăpăstos 16% până la impresionantele 97%.

Nouă.zeci. șapte. la sută.

Aceasta nu este o îmbunătățire incrementală. Este trecerea de la „poate ar trebui să încercăm o altă abordare” la „hai să patentăm asta imediat”.

Deci, care a fost problema de tot?

Iată lucrul care mă face să zâmbesc (și să mă scărp în cap): soluția era ascunsă la vedere. La doar câțiva centimetri de locul unde se desfășura toată acțiunea.

Factorul cheie pe care l-au descoperit este ceva numit „pH local” — și înainte să ți se înnebunească privirea, lasă-mă să explic de ce acest lucru contează într-un mod care te-ar putea surprinde.

Probabil știi că pH-ul măsoară cât de acid sau alcalin este ceva. Cafeaua este ușor acidă (în jur de pH 5), în timp ce bicarbonatul de sodiu este alcalin (în jur de pH 9). Corpurile noastre depun eforturi pentru a menține un pH destul de stabil, în jurul valorii de 7,4.

Acum, în reacțiile chimice care implică electricitatea, ionii de hidrogen (numiți și protoni) sunt constanți produși sau consumați la electrozi. Și iată ceva: acești protoni nu se pot mișca instantaneu prin lichid. Așadar, deși soluția în ansamblu poate părea perfect neutră într-un tub de probă, chiar lângă suprafața electrodului, lucrurile se pot dezechilibra serios.

Cercetătorii au calculat că, lângă un electrod, pH-ul ar putea crește până la aproximativ 11 (foarte alcalin). Lângă celălalt, ar putea scădea până la aproximativ 2,5 (foarte acid).

Este ca diferența dintre bicarbonatul de sodiu și sucul de lămâie — totul se întâmplă într-o zonă mai subțire decât un fir de păr uman.

De ce ar trebui să te intereseze?

Bună întrebare. Pentru că, sincer vorbind, majoritatea dintre noi nu ne petrec zilele gândindu-ne la suprafețele electrodilor sau la gradienții de pH.

Dar iată problema: substanțele chimice pe care se concentrează această cercetare nu sunt curiozități obscure de laborator. Vorbim despre lactone și epoxizi — compuși care formează elementele de bază pentru:

• Plastice biodegradabile (deoarece avem nevoie disperată de mai multe)
• Poliuuretan (găsit în orice, de la pernele de la mobilier la izolație)
• Adezivi și straturi protectoare
• Rășini epoxidice (folosite în electronică)
• Produse farmaceutice

Aceasta este o listă destul de impresionantă de lucruri care apar în viața de zi cu zi.

Iar tehnica în sine? Folosește oxigenul și electricitatea pentru a susține reacțiile, ceea ce înseamnă că producătorii ar putea reduce dependența de agenți oxidanți chimici agresivi. Unii dintre acești agenți nu sunt doar periculoși de manevrat, ci generează și produse de reziduu problematice.

Cu alte cuvinte, nu este vorba doar despre a face chimia mai eficientă. Ar putea face-o și mai sigură și mai curată.

Momentul „Oops” din știință

Ceea ce mi se pare cel mai încântător în această poveste este amploarea omisiunii.

Echipa nu a testat doar propriile reacții. Ei s-au întors și au analizat peste 600 de lucruri științifice despre electrosinteza organică publicate din 2010. Și iată ce au descoperit:

Aproximativ 89% dintre acele studii implicau reacții în care atât electronii, cât și protonii erau transferați la electrozi.

Pe înțelesul tuturor: majoritatea reacțiilor electrochimice au probabil această problemă de pH local. Cercetătorii au fost de multă vreme rătăcind, întrebându-se de ce rezultatele lor sunt inconsistente, când vinovatul se ascundea chiar la suprafața electrodului.

Acest lucru mă face să mă gândesc la toate celelalte descoperiri de tipul „evidente în retrospectivă” care așteaptă să fie găsite. Uneori, cele mai mari descoperiri nu sunt despre a inventa ceva complet nou — ci despre a observa ceea ce a fost acolo întotdeaurea.

Ce urmează?

Echipa profesorului Ryu și-a publicat descoperirile în Journal of the American Chemical Society, ceea ce este un lucru important. Nu este o revistă obscură — este una dintre cele mai respectate publicații de chimie din lume.

Acum, va dura un timp până când această cunoaștere va ajunge la aplicațiile industriale. Dar implicațiile sunt destul de incitante. Producătorii de substanțe chimice ar putea, potențial, să își proiecteze procesele pentru a ține cont de efectele pH-ului local, ceea ce ar duce la randamente mai mari, mai puține deșeuri și mai puține ingrediente periculoase.

Iar pentru oamenii de știință, acest lucru deschide o nouă variabilă de luat în considerare. Când proiectați un experiment electrochimic, nu mai este vorba doar de voltaj și materiale de електrod — s-ar putea să fie nevoie să gândiți foarte atent la ceea ce se întâmplă în acel strat limită minuscul și trecut cu vederea.

Uneori, cel mai important factor dintr-o rețetă nu sunt ingredientele principale. Este acel detaliu subtil pe care l-ai ignorat.

Timp de decenii, chimiștii din întreaga lume au ajustat voltajele, au schimbat materialele electrodilor și au modificat compoziția soluțiilor — totul în timp ce adevăratul vinovat (pH-ul local) aștepta cu răbdare chiar la suprafață.

Acum că știm ce să căutăm, cine știe ce alte „factori ascunși” mai așteaptă să fie descoperiți?

Un lucru este sigur: chimia tocmai a devenit mult mai interesantă.

Sursă: ScienceDaily