La "sbagliata" chimica che in realtà ha funzionato

Ok, devo ammetterlo: quando ho letto per la prima volta questa ricerca, ho dovuto rileggerla due volte perché qualcosa non tornava.

Gli scienziati stavano cercando di produrre determinati prodotti chimici di valore utilizzando l'elettricità (una tecnica chiamata elettrosintesi organica, se vogliamo usare il termine tecnico). Avevano preparato tutto alla perfezione: il voltaggio giusto, i materiali degli elettrodi giusti, la soluzione giusta. Ma i loro risultati continuavano a essere deludenti. Ottenevano solo circa il 16% del prodotto desiderato.

Sedici percenti. È praticamente un voto insufficiente.

Ma è qui che la cosa si fa interessante. I ricercatori — guidati dalla professoressa Jaeyune Ryu e dal suo team della Seoul National University — non si sono limitati ad accettare questi risultati deludenti. Invece, hanno iniziato a chiedersi cosa potesse mancare.

E, ragazzi, hanno trovato qualcosa.

Introducendo alcune modifiche relativamente semplici al design del loro reattore — nello specifico, controllando la spaziatura tra gli elettrodi e il modo in cui il liquido scorreva nel sistema — sono riusciti a far salire quel tasso di successo da un misero 16% fino al 97%.

Novanta. Sette. Percentuali.

Non si tratta di un miglioramento incrementale. Si passa dal "forse dovremmo provare un approccio diverso" al "brevettiamo questo immediatamente".

Quindi, qual era il problema fin dall'inizio?

Ecco l'elemento che mi fa sorridere (e anche grattare la testa): la soluzione si nascondeva proprio sotto gli occhi di tutti. Letteralmente a pochi centimetri da dove stava accadendo tutta l'azione.

Il fattore chiave che hanno scoperto è chiamato "pH locale" — e prima che i vostri occhi inizino a girare a vuoto, lasciatemi spiegare perché questo è importante in un modo che potrebbe sorprendervi.

Probabilmente sapete che il pH misura quanto una sostanza sia acida o alcalina. Il caffè è leggermente acido (circa pH 5), mentre il bicarbonato di sodio è alcalino (circa pH 9). I nostri corpi lavorano sodo per mantenere un pH piuttosto stabile intorno a 7,4.

Ora, nelle reazioni chimiche che coinvolgono l'elettricità, gli ioni idrogeno (chiamati anche protoni) vengono costantemente prodotti o consumati sugli elettrodi. Ed ecco il punto: questi protoni non possono muoversi istantaneamente attraverso il liquido. Quindi, mentre la soluzione complessiva potrebbe sembrare perfettamente neutra in una provetta, proprio accanto alla superficie dell'elettrodo, le cose possono sbilanciarsi completamente.

I ricercatori hanno calcolato che, vicino a un elettrodo, il pH potrebbe salire fino a circa 11 (fortemente alcalino). Vicino all'altro, potrebbe crollare a circa 2,5 (fortemente acido).

È come la differenza tra bicarbonato di sodio e succo di limone — tutto ciò accade in una regione più sottile di un capello umano.

Perché dovrebbe interessarvi?

Buona domanda. Perché, onestamente, la maggior parte di noi non passa le giornate a pensare alle superfici degli elettrodi o ai gradienti di pH.

Ma ecco il punto: i prodotti chimici su cui si concentra questa ricerca non sono oscure curiosità di laboratorio. Parliamo di lattoni ed epossidi — composti che costituiscono i mattoni fondamentali per:

• Plastiche biodegradabili (perché ne abbiamo disperatamente bisogno)
• Poliuretani (si trovano in tutto, dai cuscini dei mobili all'isolamento)
• Adesivi e rivestimenti protettivi
• Resine epossidiche (usate nell'elettronica)
• Prodotti farmaceutici

È una lista piuttosto impressionante di cose che compaiono nella vita quotidiana.

E la tecnica stessa? Utilizza ossigeno ed elettricità per guidare le reazioni, il che significa che i produttori potrebbero essere in grado di ridurre la loro dipendenza da agenti ossidanti chimici aggressivi. Alcuni di questi agenti non sono solo pericolosi da maneggiare, ma generano anche scarti problematici.

In altre parole, non si tratta solo di rendere la chimica più efficiente. Potrebbe renderla anche più sicura e più pulita.

Il momento dell'"Oops" nella scienza

Ciò che trovo più delizioso di questa storia è l'entità della svista.

Il team non si è limitato a testare le proprie reazioni. Sono tornati indietro e hanno analizzato oltre 600 articoli scientifici sull'elettrosintesi organica pubblicati dal 2010. Ed ecco cosa hanno scoperto:

Circa l'89% di quegli studi coinvolgeva reazioni in cui venivano trasferiti sugli elettrodi sia gli elettroni che i protoni.

In parole povere: la maggior parte delle reazioni elettrochimiche ha probabilmente questo problema di pH locale. I ricercatori sono andati avanti a tentativi, chiedendosi perché i loro risultati fossero incoerenti, quando il colpevole si nascondeva proprio sulla superficie dell'elettrodo per tutto il tempo.

Questo mi fa pensare a tutte le altre scoperte "ovvie a posteriori" che aspettano di essere trovate. A volte le più grandi innovazioni non consistono nell'inventare qualcosa di completamente nuovo, ma nel notare ciò che è sempre stato lì.

Cosa succederà ora?

Il team della professoressa Ryu ha pubblicato i propri risultati sul Journal of the American Chemical Society, il che è un grande traguardo. Non è una rivista oscura: è una delle pubblicazioni chimiche più rispettate al mondo.

Ora, ci vorrà del tempo affinché questa conoscenza si traduca in applicazioni industriali. Ma le implicazioni sono piuttosto entusiasmanti. I produttori chimici potrebbero potenzialmente riprogettare i loro processi per tenere conto degli effetti del pH locale, portando a rese più elevate, meno scarti e meno ingredienti pericolosi.

E per gli scienziati, questo apre una whole nuova variabile da considerare. Quando si progetta un esperimento elettrochimico, non si tratta più solo di voltaggio e materiali degli elettrodi: potrebbe essere necessario pensare molto attentamente a ciò che accade in quel minuscolo e trascurato strato limite.

A volte il fattore più importante in una ricetta non sono gli ingredienti principali. È quel singolo dettaglio sottile che hai trascurato.

Per decenni, i chimici di tutto il mondo hanno modificato i voltaggi, scambiato materiali degli elettrodi e regolato le composizioni delle soluzioni — tutto mentre il vero colpevole (il pH locale) aspettava pazientemente proprio sulla superficie.

Ora che sappiamo cosa cercare, chissà quali altri "fattori nascosti" stanno solo aspettando di essere scoperti?

Una cosa è certa: la chimica è appena diventata molto più interessante.

Fonte: ScienceDaily