الكيمياء "الخاطئة" التي نجحت بالفعل

حسناً، يجب أن أعترف—عندما قرأت عن هذا البحث لأول مرة، اضطررت لإعادة قراءته مرتين لأن هناك شيئاً ما لم يكن منطقياً.

كان العلماء يحاولون إنتاج مواد كيميائية قيمة معينة باستخدام الكهرباء (وهي تقنية تسمى "التخليق الكهربائي العضوي"، إذا أردت المصطلح العلمي الفاخر). لقد أعدوا كل شيء بشكل مثالي: الجهد الكهربائي المناسب، مواد الأقطاب الكهربائية المناسبة، والمحلول المناسب. لكن نتائجهم كانت تستمر في الظهور مخيبة للآمال؛ حيث لم يكونوا يحصلون إلا على حوالي 16% فقط من المنتج الذي يريدونه.

ستة عشر بالمئة. هذه في الأساس درجة رسوب.

لكن هنا يصبح الأمر مثيراً للاهتمام. الباحثون—بقيادة البروفيسورة "جايون ريو" وفريقها في جامعة سيول الوطنية—لم يكتفوا بقبول هذه النتائج المخيبة للآمال. بدلاً من ذلك، بدأوا يسألون أنفسهم عما قد يكون فاتهم.

ويا للهول، لقد وجدوا شيئاً ما.

من خلال إجراء بعض التغييرات البسيطة نسبياً على تصميم المفاعل الخاص بهم—تحديداً، التحكم في المسافة بين الأقطاب الكهربائية وكيفية تدفق السائل عبر النظام—تمكنوا من رفع معدل النجاح هذا من نسبة 16% المحبطة إلى 97% كاملة.

تسعة. وسبعون. بالمئة.

هذا ليس مجرد تحسن تدريجي. هذا انتقال من مرحلة "ربما يجب أن نجرب نهجاً مختلفاً" إلى مرحلة "لنقم بتسجيل براءة اختراع لهذا فوراً".

إذاً، ما هي المشكلة طوال الوقت؟

إليك الشيء الذي يجعلني أبتسم (ويجعلني أحك رأسي أيضاً): الحل كان يختبئ أمام أعيننا مباشرة. على بعد بوصات قليلة من حيث كان كل شيء يحدث.

العامل الرئيسي الذي اكتشفوه هو شيء يسمى "الرقم الهيدروجيني المحلي" (local pH)—وقبل أن تشعر بالملل، دعني أشرح لك لماذا يهم هذا الأمر فعلياً بطريقة قد تفاجئك.

ربما تعرف أن الرقم الهيدروجيني (pH) يقيس مدى حموضة أو قلوية شيء ما. القهوة حمضية قليلاً (حوالي 5)، بينما بيكربونات الصودا قلوية (حوالي 9). وتعمل أجسامنا بجد للحفاظ على رقم هيدروجيني مستقر تماماً حول 7.4.

الآن، في التفاعلات الكيميائية التي تتضمن الكهرباء، يتم إنتاج أو استهلاك أيونات الهيدروجين (تسمى أيضاً البروتونات) باستمرار عند الأقطاب الكهربائية. وهنا تكمن المشكلة: هذه البروتونات لا يمكنها التحرك عبر السائل فوراً. لذا، بينما قد يبدو المحلول العام متعادلاً تماماً في أنبوب الاختبار، إلا أنه بجوار سطح القطب الكهربائي مباشرة، يمكن أن تخرج الأمور عن التوازن تماماً.

حسب الباحثون أنه بالقرب من أحد الأقطاب، يمكن أن يرتفع الرقم الهيدروجيني ليصل إلى حوالي 11 (قاعدي قوي). وبالقرب من الآخر، يمكن أن ينخفض إلى حوالي 2.5 (حمضي قوي).

هذا يشبه الفرق بين بيكربونات الصودا وعصير الليمون—كل ذلك يحدث في منطقة أرق من شعرة الإنسان.

لماذا يجب أن تهتم؟

سؤال جيد. لأننا بصراحة، معظمنا لا يقضي أيامه في التفكير في أسطح الأقطاب الكهربائية أو تدرجات الرقم الهيدروجيني.

لكن إليك الأمر: المواد الكيميائية التي يركز عليها هذا البحث ليست مجرد فضول مخبري غامض. نحن نتحدث عن "اللاكتونات" و"الإيبوكسيدات"—وهي مركبات تشكل اللبنات الأساسية لـ:

• البلاستيك القابل للتحلل الحيوي (لأننا بحاجة ماسة إلى المزيد منها).
• البولي يوريثان (الموجود في كل شيء من وسائد الأثاث إلى العزل).
• المواد اللاصقة والطلاءات الواقية.
• راتنجات الإيبوكسي (المستخدمة في الإلكترونيات).
• الأدوية.

هذه قائمة مثيرة للإعجاب من الأشياء التي تظهر في حياتنا اليومية.

والتقنية نفسها؟ إنها تستخدم الأكسجين والكهرباء لتحفيز التفاعلات، مما يعني أن المصنعين قد يتمكنون من تقليل اعتمادهم على العوامل المؤكسدة الكيميائية القاسية. وبعض هذه العوامل ليست خطرة في التعامل معها فحسب، بل تنتج أيضاً نفايات إشكالية.

بمعنى آخر، الأمر لا يتعلق فقط بجعل الكيمياء أكثر كفاءة، بل يمكن أن يجعلها أكثر أماناً وأكثر نظافة أيضاً.

لحظة الـ "أوبس" في العلم

أكثر ما أجده ممتعاً في هذه القصة هو حجم السهو.

لم يقم الفريق باختبار تفاعلاتهم الخاصة فحسب، بل عادوا وحللوا أكثر من 600 ورقة علمية حول التخليق الكهربائي العضوي نُشرت منذ عام 2010. وإليك ما اكتشفوه:

حوالي 89% من تلك الدراسات تضمنت تفاعلات يتم فيها نقل الإلكترونات والبروتونات معاً عند الأقطاب الكهربائية.

باللغة العربية البسيطة: معظم التفاعلات الكهروكيميائية تعاني على الأرجح من مشكلة الرقم الهيدروجيني المحلي هذه. لقد كان الباحثون يتخبطون، متسائلين عن سبب عدم اتساق نتائجهم، بينما كان الجاني يختبئ عند سطح القطب الكهربائي طوال الوقت.

هذا يجعلني أفكر في كل الاكتشافات الأخرى التي تبدو "واضحة بعد فوات الأوان" وتنتظر من يجدها. أحياناً لا تتعلق الاختراقات الكبرى باختراع شيء جديد تماماً، بل بملاحظة ما كان موجوداً هناك طوال الوقت.

ماذا سيحدث بعد ذلك؟

نشر فريق البروفيسورة ريو نتائجهم في "مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية"، وهو أمر عظيم. هذه ليست مجرد مجلة مغمورة، بل هي واحدة من أكثر المنشورات الكيميائية احتراماً في العالم.

الآن، سيستغرق الأمر وقتاً حتى تنتقل هذه المعرفة إلى التطبيقات الصناعية. لكن التداعيات مثيرة للغاية. يمكن للمصنعين الكيميائيين نظرياً إعادة تصميم عملياتهم لتأخذ في الاعتبار تأثيرات الرقم الهيدروجيني المحلي، مما يؤدي إلى إنتاجية أعلى، نفايات أقل، ومكونات أقل خطورة.

وبالنسبة للعلماء، فإن هذا يفتح متغيراً جديداً تماماً يجب مراعاته. عندما تصمم تجربة كهروكيميائية، لم يعد الأمر يتعلق فقط بالجهد ومواد الأقطاب الكهربائية، بل قد تحتاج أيضاً إلى التفكير بعناية شديدة فيما يحدث عند تلك الطبقة الحدودية الصغيرة والمهملة.

أحياناً لا يكون العامل الأهم في الوصفة هو المكونات الرئيسية، بل تلك التفصيلة الدقيقة التي كنت تتجاهلها.

لعقود من الزمن، كان الكيميائيون حول العالم يعدلون الجهود الكهربائية، ويغيرون مواد الأقطاب، ويضبطون تركيبات المحاليل—بينما كان الجاني الحقيقي (الرقم الهيدروجيني المحلي) ينتظر بصبر عند السطح مباشرة.

الآن وقد عرفنا ما الذي نبحث عنه، من يدري ما هي "العوامل الخفية" الأخرى التي تنتظر من يكتشفها؟

شيء واحد مؤكد: لقد أصبحت الكيمياء أكثر إثارة للاهتمام بكثير.

المصدر: ScienceDaily