„Błędna” chemia, która w rzeczywistości zadziałała

Muszę to przyznać – kiedy po raz pierwszy przeczytałem o tym badaniu, musiałem przeczytać je dwa razy, bo coś mi się nie zgadzało.

Naukowcy próbowali wytworzyć pewne wartościowe związki chemiczne przy użyciu elektryczności (jeśli chcecie użyć fachowego określenia, to jest to elektrosynteza organiczna). Wszystko przygotowali idealnie: odpowiednie napięcie, odpowiednie materiały elektrod, odpowiedni roztwór. Jednak ich wyniki wciąż były rozczarowujące. Uzyskiwali zaledwie około 16% pożądanego produktu.

Szesnaście procent. To w zasadzie ocena niedostateczna.

Ale tutaj zaczyna się robić ciekawie. Badacze – pod przewodnictwem profesor Jaeyune Ryu i jej zespołu z Uniwersytetu Narodowego w Seulu – nie zaakceptowali tych rozczarowujących wyników. Zamiast tego zaczęli zastanawiać się, czego mogą nie zauważać.

I cóż, znaleźli coś istotnego.

Wprowadzając kilka stosunkowo prostych zmian w konstrukcji reaktora – konkretnie kontrolując odstęp między elektrodami oraz sposób przepływu cieczy przez system – udało im się podnieść wskaźnik sukcesu z marnych 16% aż do 97%.

Dziewięć.dziesiąt. Siedem. Procent.

To nie jest drobna poprawa. To przejście od poziomu „może powinniśmy spróbować innego podejścia” do „zarejestrujmy to natychmiast”.

Więc w czym tkwił problem?

Oto rzecz, która sprawia, że się uśmiecham (i jednocześnie drapię w głowę): rozwiązanie kryło się na widoku. Dosłownie kilka centymetrów od miejsca, gdzie działo się wszystko.

Kluczowym czynnikiem, który odkryli, jest coś, co nazywa się „lokalnym pH” – i zanim Wasze oczy zaszły mgłą, pozwolę sobie wyjaśnić, dlaczego ma to znaczenie, które może Was zaskoczyć.

Prawdopodobnie wiecie, że pH mierzy, jak bardzo coś jest kwasowe lub zasadowe. Kawa jest lekko kwasowa (około pH 5), podczas gdy soda oczyszczona jest zasadowa (około pH 9). Nasze organizmy pracują ciężko, aby utrzymać dość stabilne pH na poziomie około 7,4.

W reakcjach chemicznych wykorzystujących elektryczność jony wodoru (nazywane również protonami) są stale wytwarzane lub zużywane na elektrodach. I tu pojawia się problem: te protony nie mogą przemieszczać się przez ciecz natychmiastowo. Zatem podczas gdy cały roztwór w probówce może wydawać się idealnie obojętny, tuż przy powierzchni elektrody sytuacja może stać się całkowicie nierównoważna.

Badacze obliczyli, że w pobliżu jednej elektrody pH może wzrosnąć do około 11 (silnie zasadowe). W pobliżu drugiej może spaść do około 2,5 (silnie kwasowe).

To tak, jakby porównać sodę oczyszczoną do soku z cytryny – a wszystko to dzieje się w obszarze cieńszym niż ludzki włos.

Dlaczego powinno Cię to obchodzić?

Dobre pytanie. Ponieważ szczerze mówiąc, większość z nas nie spędza dni na myśleniu o powierzchniach elektrod czy gradientach pH.

Ale sprawa wygląda tak: związki chemiczne, na których skupiają się te badania, to nie są jakieś obscure laboratoryjne ciekawostki. Mówimy o laktonach i epoksydach – związkach, które stanowią budulec dla:

• Biodegradowalnych tworzyw sztucznych (bo desperacko potrzebujemy ich więcej)
• Poliuretanów (znajdujących się we wszystkim, od poduszek meblowych po izolację)
• Adhesywów i powłok ochronnych
• Żywic epoksydowych (używanych w elektronice)
• Farmaceutyków

To całkiem imponująca lista rzeczy, które pojawiają się w codziennym życiu.

A sama technika? Wykorzystuje ona tlen i elektryczność do napędzania reakcji, co oznacza, że producenci mogą zyskać możliwość zmniejszenia zależności od silnych chemicznych czynników utleniających. Niektóre z tych czynników są nie tylko trudne w obsłudze, ale także generują problematyczne produkty odpadowe.

Innymi słowy, nie chodzi tylko o to, by chemia była bardziej wydajna. Może sprawić, że będzie też bezpieczniejsza i czystsza.

Moment „Ups!” w nauce

To, co uważam za najbardziej uroczy w tej historii, to skala przeoczenia.

Zespół nie ograniczył się tylko do testowania własnych reakcji. Przeanalizowali ponad 600 prac naukowych na temat elektrosyntezy organicznej opublikowanych od 2010 roku. I oto co odkryli:

Około 89% tych badań dotyczyło reakcji, w których na elektrodach przenoszone były zarówno elektrony, jak i protony.

Mówiąc prostym językiem: większość reakcji elektrochemicznych prawdopodobnie ma ten sam problem z lokalnym pH. Naukowcy błądzili po omacku, zastanawiając się, dlaczego ich wyniki są niespójne, podczas gdy winowajca przez cały czas krył się tuż przy powierzchni elektrody.

To sprawia, że myślę o wszystkich innych odkryciach typu „oczywiste, gdy już się je zna”, które wciąż czekają na znalezienie. Czasami największe przełomy nie polegają na wynalezieniu czegoś zupełnie nowego – polegają na zauważeniu tego, co było tam od zawsze.

Co dalej?

Zespół profesor Ryu opublikował swoje wyniki w Journal of the American Chemical Society, co jest wielkim wydarzeniem. To nie jest jakaś mało znana czasopismo – to jedna z najbardziej szanowanych publikacji chemicznych na świecie.

Teraz zajmie trochę czasu, zanim ta wiedza przeniknie do zastosowań przemysłowych. Ale implikacje są bardzo ekscytujące. Producenci chemiczni mogliby potencjalnie przeprojektować swoje procesy tak, aby uwzględniały efekty lokalnego pH, co prowadziłoby do wyższych wydajności, mniejszej ilości odpadów i mniejszej liczby niebezpiecznych składników.

A dla naukowców otwiera to zupełnie nową zmienną do rozważenia. Projektując eksperyment elektrochemiczny, nie chodzi już tylko o napięcie i materiały elektrod – trzeba będzie również bardzo uważnie pomyśleć o tym, co dzieje się w tej maleńkiej, często pomijanej warstwie granicznej.

Czasami najważniejszym czynnikiem w przepisie nie są główne składniki. To ten jeden subtelny szczegół, który przeoczyliście.

Przez dziesięciolecia chemicy na całym świecie modyfikowali napięcia, wymieniali materiały elektrod i dostosowywali składy roztworów – podczas gdy prawdziwy winowajca (lokalne pH) cierpliwie czekał tuż przy powierzchni.

Skoro już wiemy, czego szukać, kto wie, jakie inne „ukryte czynniki” tylko czekają na odkrycie?

Jedno jest pewne: chemia stała się właśnie znacznie ciekawsza.

Źródło: ScienceDaily