"Väärä" kemia toimiikin

Okei, minun on myönnettävä – kun luin tästä tutkimuksesta ensimmäisen kerran, jouduin lukemaan sen kahdesti, koska jokin ei täsmännyt.

Tieteilijät yrittivät valmistaa tiettyjä arvokkaita kemikaaleja sähkön avulla (hienompi termi on orgaaninen elektrosynteesi). He olivat säätäneet kaiken täydelliseksi: oikean jännitteen, oikeat elektrodimateriaalit ja oikean liuoksen. Mutta heidän tuloksensa olivat jatkuvasti pettymyksiä. He saivat vain noin 16 % haluamaansa tuotteesta.

Kuusitoista prosenttia. Se on periaatteessa hylsy.

Mutta tässä kohtaa se muuttuu mielenkiintoiseksi. Tutkijat – johtajanaan professori Jaeyune Ryu ja hänen tiiminsä Soul National Universityssa – eivät tyytyneet näihin pettymyksiin. Sen sijaan he alkoivat kysyä itseltään, mitä he olivat unohtaneet.

Ja perkele, he löysivät jotain.

Tekemällä muutamia suhteellisen yksinkertaisia muutoksia reaktorinsa rakenteeseen – tarkemmin sanottuna kontrolloimalla elektrodien välistä etäisyyttä ja nesteen virtausta järjestelmässä – he onnistuivat nostamaan onnistumisprosentin surkeasta 16 prosentista suoraan 97 prosenttiin.

Yhdeksänkymmentä. Seitsemän. Prosenttia.

Se ei ole vain pieni parannus. Se on siirtymistä tilanteesta "ehkä meidän pitäisi kokeilla eri lähestymistapaa" tilanteeseen "otetaan patentti heti".

Mikä oli ongelmana koko ajan?

Tämä on se asia, joka saa minut hymyilemään (ja myös raapimaan päätäni): ratkaisu oli piilossa aivan silmien edessä. Kirjaimellisesti vain muutaman tuuman päässä siitä, missä kaikki tapahtui.

Avaintekijä, jonka he löysivät, on niin kutsuttu "paikallinen pH" – ja ennen kuin silmäsi pyörähtävät ympäri, anna minun selittää, miksi tämä on itse asiassa tärkeää tavalla, joka saattaa yllättää sinut.

Tiedät varmasti, että pH mittaa, kuinka hapan tai emäksinen jokin on. Kahvi on hieman hapanta (noin pH 5), kun taas ruokasooda on emäksistä (noin pH 9). Kehomme tekee kovasti töitä pitääkseen pH-arvon vakaana noin 7,4:ssä.

Nyt, sähköä hyödyntävissä kemiallisissa reaktioissa elektrodeilla syntyy tai kulutetaan jatkuvasti vetyioneja (joita kutsutaan myös protoneiksi). Ja tässä on juttu: nämä protonit eivät liiku nesteen läpi välittömästi. Joten vaikka koko liuos näyttäisi koeputkessa täydellisen neutraalilta, aivan elektrodin pinnan tuntumassa asiat voivat mennä ihan epätasapainoon.

Tutkijat laskivat, että toisen elektrodin lähellä pH saattoi nousta noin 11:een (voimakkaasti emäksinen). Toisen elektrodin lähellä se saattoi laskea noin 2,5:een (voimakkaasti hapan).

Se on kuin ero ruokasoodan ja sitruunamehun välillä – ja kaikki tapahtuu alueella, joka on ohuempi kuin ihmisen hius.

Miksi sinun pitäisi välittää?

Hyvä kysymys. Koska rehellisesti sanottuna useimmat meistä eivät vietä päiväänsä miettien elektrodipintoja tai pH-gradientteja.

Mutta tässä on juttu: kemikaalit, joihin tämä tutkimus keskittyy, eivät ole mitään hämäriä laboratoriovirivettä. Puhumme laktoneista ja epoksidista – yhdisteistä, jotka muodostavat perusrakenteita seuraaville:

• Biohajoaville muoveille (koska niitä tarvitaan epätoivoisesti lisää)
• Polyuretaaneille (joita löytyy kaikesta huonekalujen pehmusteista eristeisiin)
• Liimoille ja suojapinnoitteille
• Epoksihartsille (joita käytetään elektroniikassa)
• Lääkeaineille

Se on aika vaikuttava lista asioita, jotka esiintyvät jokapäiväisessä elämässä.

Ja itse tekniikka? Se käyttää happea ja sähköä reaktioiden käynnistämiseen, mikä tarkoittaa, että valmistajat saattavat pystyä vähentämään riippuvuuttaan voimakkaista kemiallisista hapettimista. Jotkut näistä aineista eivät ole vain vaarallisia käsitellä, vaan ne tuottavat myös ongelmallisia sivutuotteita.

Toisin sanoen, tässä ei ole kyse vain kemian tehokkuuden lisäämisestä. Se voi tehdä siitä myös turvallisempaa ja puhtaampaa.

Tiede-maailman "Oops"-hetki

Mitä pidän tästä tarinasta kaikkein ihastuttavimpana, on se, kuinka suuri huomiotta jättämisen aste oli.

Tiimi ei testannut vain omia reaktioitaan. He palasivat alkuun ja analysoivat yli 600 tieteellistä julkaisua orgaanisesta elektrosynteesistä, jotka oli julkaistu vuoden 2010 jälkeen. Ja tässä on se, mitä he löysivät:

Noin 89 prosentissa näistä tutkimuksista oli reaktioita, joissa elektrodeilla siirtyi sekä elektroneja että protoneja.

Yksinkertaisella suomella: useimmat sähkökemialliset reaktiot kärsivät todenkö paikallisesta pH-ongelmasta. Tutkijat ovat vaeltaneet ympäriinsä ihmetellen, miksi heidän tuloksensa ovat epäjohdonmukaisia, vaikka syyllinen on koko ajan piiloutunut suoraan elektrodin pinnalle.

Tämä saa minut miettimään kaikkia muita "jälkikäteen ilmeisiä" löytöjä, jotka odottavat löytämistään. Joskus suurimmat läpimurrot eivät ole täysin uuden keksimistä – ne ovat sitä, että huomaa sen, mikä on ollut siinä koko ajan.

Mitä seuraavaksi tapahtuu?

Professor Ryu'n tiimi on julkaissut tuloksensa Journal of the American Chemical Society -lehdessä, mikä on iso juttu. Kyseessä ei ole mikään hämärä lehti – se on yksi maailman arvostetuimmista kemian julkaisuista.

Nyt kestää, ennen kuin tämä tieto siirtyy teollisiin sovelluksiin. Mutta seuraukset ovat aika jännittäviä. Kemikaalivalmistajat voisivat potentiaalisesti suunnitella prosessinsa uudelleen huomioimaan paikalliset pH-vaikutukset, mikä johtaisi suurempaan saantoon, vähemmän jätettä ja vähemmän vaarallisia ainesosia.

Ja tutkijoille tämä avaa täysin uuden muuttujan huomioitavaksi. Kun suunnittelet sähkökemiallista koetta, kyse ei ole enää vain jännitteestä ja elektrodimateriaaleista – sinun täytyy ehkä miettiä erittäin tarkasti, mitä tuolla pienellä, laiminlyödyllä rajapinnalla tapahtuu.

Joskus reseptin tärkein tekijä ei ole pääainesosat. Se on se yksi hienovarainen yksityiskohta, jota olet laiminlyönyt.

Vuosikymmenten ajan kemistit ympäri maailmaa säätivät jännitteitä, vaihtoivat elektrodimateriaaleja ja muuttivat liuosten koostumuksia – samalla kun todellinen syyllinen (paikallinen pH) odotti kärsivällisesti aivan pinnalla.

Nyt kun tiedämme, mitä etsiä, kuka tietää, mitä muita "piilotekijöitä" on vain odottamassa löytämistään?

Yksi asia on varma: kemia on juuri muuttunut paljon mielenkiintoisemmaksi.

Lähde: ScienceDaily