Ta „špatná“ chemie ve skutečnosti fungovala

Dobrá, musím to uznat – když jsem si o tomto výzkumu poprvé přečetl, musel jsem si ho přečíst dvakrát, protože mi v něm něco nesedělo.

Vědci se pokoušeli vyrobit určité cenné chemikálie pomocí elektřiny (technika nazývaná organická elektrosyntéza, pokud chcete použít odborný termín). Všechno nastavili dokonale: správné napětí, správné materiály elektrod, správný roztok. Ale výsledky byly neustále zklamávající. Dostávali jen asi 16 % požadovaného produktu.

Šestnaáct procent. To je v podstatě známka nedostatečná.

Ale tady to začíná být zajímavé. Výzkumníci – vedení profesorkou Jaeyune Ryu a jejím týmem z Seulské univerzity – tyto zklamávající výsledky jen tak neuznali. Místo toho se začali ptát, co jim uniká.

A jo, našli to.

Tím, že provedli několik relativně jednoduchých změn v konstrukci svého reaktoru – konkrétně ovládli vzdálenost mezi elektrodami a způsob, jakým tekutina protéká systémem – se jim podařilo zvýšit míru úspěšnosti z žalostných 16 % až na celých 97 %.

Devadesát. Sedm. Procent.

To není jen mírné zlepšení. To je posun od „možná bychom měli zkusit jiný přístup“ až po „pojďme to okamžitě zapatentovat“.

Tak v čem tedy byl celý čas ten problém?

Tady je ta věc, která mě rozesměje (a zároveň mě donutí se poškrábat na hlavě): řešení se skrývalo přímo před očima. Doslova jen pár centimetrů od místa, kde se dělo všechno nejdůležitější.

Klíčový faktor, který objevili, se nazývá „lokální pH“ – a než vám začnou padat oči, dovolte mi vysvětlit, proč je to ve skutečnosti tak důležité, což vás možná překvapí.

Pravděpodobně víte, že pH měří, jak je něco kyselé nebo zásadité. Káva je mírně kyselá (kolem pH 5), zatímco jedlá soda je zásnitá (kolem pH 9). Naše těla pracují náročně, aby udržovaly poměrně stabilní pH kolem 7,4.

Nyní, v chemických reakcích zahrnujících elektřinu se na elektrodách neustále produkují nebo spotřebovávají vodíkové ionty (označované také jako protony). A tady je ten háček: tyto protony se tekutinou nemohou pohybovat okamžitě. Takže zatímco celkový roztok může v probávce vypadat dokonale neutrálně, přímo u povrchu elektrody se věci mohou dostat hodně z rovnováhy.

Výzkumníci vypočítali, že v blízkosti jedné elektrody může pH vystoupat až na přibližně 11 (silně zásnovité). V blízkosti druhé může klesnout až na přibližně 2,5 (silně kyselé).

Je to jako rozdíl mezi jedlou sodou a citronovou šťávou – a všechno se to děje v oblasti tenké než lidské vlas.

Proč by vás to mělo zajímat?

Dobrá otázka. Protože upřímně, většina z nás netráví dny přemýšláním o povrchách elektrod nebo pH gradientech.

Ale je tu ještě jedna věc: chemikálie, na které se tento výzkum zaměřuje, nejsou nějaké nejasné laboratorní kuriozity. Mluvíme o laktonech a epoxidech – sloučeninách, které tvoří stavební kameny pro:

• Biodegradovatelné plasty (protože je zoufale potřebujeme víc)
• Polyuretan (najdeme ho všude od polštářů nábytku až po izolaci)
• Adheziva a ochranné nátěry
• Epoxidové pryskyřice (používané v elektronice)
• Farmaceutika

To je docela působivý seznam věcí, které se objevují v každodenním životě.

A samotná technika? Využívá kyslík a elektřinu k pohánění reakcí, což znamená, že výrobci by mohli snížit svou závislost na drsných chemických oxidačních činidlech. Některá z těchto činidel jsou nejen náročná na manipulaci, ale také generují problematické odpadní produkty.

Jinými slovy, nejde jen o to, aby chemie byla efektivnější. Mohla by být také bezpečnější a čistší.

Moment „Ups“ ve vědě

To, co považuji za nejnadějnější na tomto příběhu, je rozsah toho přehlédnutí.

Tým nezkoušel jen své vlastní reakce. Vrátil se zpět a analyzoval více než 600 vědeckých prací o organické elektrosyntéze publikovaných od roku 2010. A tohle zjistili:

Přibližně 89 % těchto studií zahrnovalo reakce, kde docházelo k přenosu jak elektronů, tak protonů na elektrodách.

Mluvíme-li česky: většina elektrochemických reakcí má pravděpodobně tento problém s lokálním pH. Výzkumníci dlouho bloudili a přemýšleli, proč jsou jejich výsledky nekonzistentní, zatímco viník se po celou dobu skrýval přímo na povrchu elektrody.

To mě přináší na myšlenku všech těch dalších objevů typu „v retrospektivě to bylo obvious“ (obezřetné), které čekají na odhalení. Někdy největší průlom není o vynalez forgotten něčeho zcela nového – je o všímání si toho, co tam bylo celou dobu.

Co bude dál?

Tým profesorky Ryu publikoval své zjištění v Journal of the American Chemical Society, což je velká věc. Nejde o nějaký neznámý časopis – je to jedna z nejuznávanějších chemických publikací na světě.

Nyní bude trvat nějaký čas, než tato znalost pronikne do průmyslových aplikací. Ale důsledky jsou docela vzrušující. Chemičáři by teoreticky mohli přepracovat své procesy tak, aby zohlednili efekty lokálního pH, což by vedlo k vyšším výtěžkům, méně odpadu a méně nebezpečných ingrediencí.

A pro vědce tam venku to otevírá zcela novou proměnnou, kterou je třeba zvážit. Když navrhujete elektrochemický experiment, už to není jen o napětí a materiálech elektrod – možná budete muset velmi pečlivě přemýšlet i o tom, co se děje v té malé, přehlédnuté mezní vrstvě.

Někdy nejdůležitější složkou receptu nejsou hlavní ingredience. Je to ta jedna jemná detailní věc, kterou jste přehlédli.

Desetiletí chemici po celém světě upravovali napětí, měnili materiály elektrod a upravovali složení roztoků – zatímco skutečný viník (lokální pH) trpělivě čekal přímo na povrchu.

Teď, když už víme, na co se máme dívat, kdo ví, jaké další „skryté faktory“ jen čekají na odhalení?

Jedno je jisté: chemie právě стала mnohem zajímavější.

Zdroj: ScienceDaily