„Грешната“ химия всъщност проработи

Добре, трябва да призная — когато прочето за това изследване за първи път, наложи се да го прочета два пъти, защото нещо не съвпадаше.

Учените се опитваха да произвеждат определени ценни химикали, използвайки електричество (техника, наречена органичен електросинтез, ако искате да използвате професионалното определение). Те бяха подготвили всичко перфектно: правилния волтаж, правилните електродни материали, правилния разтвор. Но резултатите им постоянно бяха разочароващи. Получавали са само около 16% от желаещия продукт.

Шестнадесет процента. Това е практически неуспех.

Но тук става интересно. Изследователите — водени от професор Джеюн Рю и нейния екип в Националния университет в Сеул — не приеха просто тези разочароващи резултати. Вместо това те започнаха да се питат какво им липсва.

И боже, намериха нещо.

Чрез внесяне на някои сравнително прости промени в дизайна на своя реактор — по-конкретно, контролиране на разстоянието между електродите и начина, по който течността тече през системата — те успяха да увеличат процента на успеха от жалките 16% до цели 97%.

Деветдесет. Седем. Процента.

Това не е просто леко подобрение. Това е преход от „може би трябва да опитаме различен подход“ до „нека го патентоваме веднага“.

Какъв е бил проблемът от началото?

Ето нещо, което ме кара да се усмихвам (и също така да се чеса по главата): решението е било скрито на видно място. Буквално на няколко инча от мястото, където се е случвал целият процес.

Ключовият фактор, който откриха, е нещо, наречено „локално pH“ — и преди да ви се забледи от термините, позволете ми да обясня защо това всъщност има значение по начин, който може да ви изненада.

Вероятно знаете, че pH измерва колко киселинно или алкално е нещо. Кафето е леко киселинно (около pH 5), докато содата за хляб е алкална (около pH 9). Нашите тела работят упорито, за да поддържат доста стабилно pH около 7,4.

Сега, в химичните реакции, включващи електричество, водородните йони (наречени още протони) постоянно се произвеждат или консумират в електродите. И ето го важното: тези протони не могат да се движат през течността мигновено. Така че, докато общият разтвор може да изглежда напълно неутрален в тестовата епруветка, точно до повърхността на електрода нещата могат да излязат съвсем извън баланс.

Изследователите изчислили, че близо до единия електрод pH може да скочи до около 11 (силно алкално). Близо до другия, то може да падне до около 2,5 (силно киселинно).

Това е като разликата между сода за хляб и лимонов сок — всичко това се случва в регион, по-тънък от човешка косъм.

Защо трябва да ви интересува?

Добър въпрос. Защото, честно казано, повечето от нас не прекарват дните си в мислене за повърхности на електроди или pH градиенти.

Но ето какво е важно: химикалите, върху които се фокусира това изследване, не са неясни лабораторни любопитни предмети. Говорим за лактони и епиксиди — съединения, които са основните градивни елементи за:

• Биоразградими пластмаси (защото от тях имаме отчаяно нужда)
• Полиуретани (намират се във всичко, от възглавници за мебели до изолация)
• Лепила и защитни покрития
• Епоксидни смоли (използвани в електрониката)
• Фармацевтични продукти

Това е доста впечатляващ списък от неща, които присъстват в ежедневието.

А самата техника? Тя използва кислород и електричество, за да задвижва реакциите, което означава, че производителите може да успеят да намалят зависимостта си от агресивни химически окислители. Някои от тези агенти не само са опасни за работа, но също така генерират проблематични отпадъчни продукти.

С други думи, не става въпрос само за по-ефективна химия. Тя може да стане и по-безопасна и по-чиста.

Моментът „Опа“ в науката

Това, което намирам за най-прекрасно в тази история, е мащабът на пропуснатия детайл.

Екипът не е тествал само своите собствени реакции. Те са се върнали назад и са анализирали над 600 научни статии за органичен електросинтез, публикувани след 2010 г. И ето какво са открили:

Приблизително 89% от тези изследвания са включвали реакции, при които и електроните, и протоните се пренасят в електродите.

На разбираем език: повечето електрохимични реакции вероятно имат този проблем с локалното pH. Изследователите са блуждали, питайки се защо резултатите им са непостоянни, докато виновникът е криел се точно на повърхността на електрода през цялото време.

Това ме кара да мисля за всички останали открития, които са „очевидни с обратна посока“ и чакат да бъдат открити. Понякога най-големите пробиши не са в изобретяването на нещо напълно ново — а в забелязването на това, което е било там от самото начало.

Какво следва?

Екипът на професор Рю е публикувал своите открития в Journal of the American Chemical Society, което е голямо събитие. Това не е някое неясно списание — това е едно от най-уважаваните химични издания в света.

Сега ще отнеме време тази информация да проникне в индустриалните приложения. Но последствията са доста вълнуващи. Химическите производители биха могли потенциално да препроектират процесите си, за да отчетат ефектите на локалното pH, което би довело до по-високи добиви, по-малко отпадъци и по-малко опасни съставки.

А за учените, които четат това, това отваря цяло нова променлива за съображение. Когато проектирате електрохимичен експеримент, вече не става въпрос само за волтаж и електродни материали — може би ще трябва да помислите много внимателно за това, което се случва в този малък, пренебрегнат граничен слой.

Понякога най-важният фактор в една рецепта не са основните съставки. А онзи един детайл, който сте пренебрегвали.

Десетилетия наред химици по целия свят променяха волтажа, сменяха електродни материали и коригираха състава на разтворите — докато истинският виновник (локалното pH) търпеливо чакаше точно на повърхността.

Сега, когато знаем какво да търсим, кой знае какви други „скрити фактори“ просто чакат да бъдат открити?

Едно е сигурно: химията току-що стана много по-интересна.

Източник: ScienceDaily