Η «Λανθασμένη» Χημεία στην Πραγματικότητα Λειτούργησε

ΕOk, πρέπει να παραδεχτώ—όταν διάβασα για πρώτη φορά αυτή την έρευνα, έπρεπε να τη ξαναδιαβάσω δύο φορές, γιατί κάτι δεν έτρεχε.

Οι επιστήμονες προσπαθούσαν να παράγουν ορισμένα πολύτιμα χημικά χρησιμοποιώντας ηλεκτρισμό (μια τεχνική που ονομάζεται οργανική ηλεκτροσύνθεση, αν θέλετε τον επίσημο όρο). Είχαν στήσει τα πάντα τέλεια: τη σωστή τάση, τα σωστά υλικά ηλεκτροδίων, το σωστό διάλυμα. Όμως τα αποτελέσματά τους ήταν συνεχώς απογοητευτικά. Παράγευαν μόνο το 16% του προϊόντος που ήθελαν.

Δεκαέξι τοις εκατό. Αυτό είναι ουσιαστικά μια αποτυχία.

Αλλά εδώ είναι που γίνεται ενδιαφέρον. Οι ερευνητές—υπό την ηγεσία της καθηγήτριας Jaeyune Ryu και της ομάδας της στο Εθνικό Πανεπιστήμιο του Σέουλ—δεν αποδέχθηκαν απλώς αυτά τα απογοητευτικά αποτελέσματα. Αντίθετα, άρχισαν να αναρωτιούνται τι τους έλειπε.

Και, παιδιά, βρήκαν κάτι.

Κάνοντας ορισμένες σχετικά απλές αλλαγές στον σχεδιασμό του αντιδραστήρα τους—συγκεκριμένα, ελέγχοντας την απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων και τον τρόπο που η υγρή ουσία έρεε στο σύστημα—κατάφεραν να αυξήσουν αυτό το ποσοστό επιτυχίας από το άθλια 16% έως και το 97%.

Ενώ. Ενάντα. Εκατό. Επτά. Τοις. Εκατό.

Αυτό δεν είναι μια σταδιακή βελτίωση. Αυτό είναι το πέρασμα από το «ίσως θα έπρεπε να δοκιμάσουμε μια διαφορετική προσέγγιση» στο «ας κατοχυρίσουμε αυτό αμέσως».

Ποιο ήταν λοιπόν το πρόβλημα από την αρχή;

Εδώ είναι αυτό που με κάνει να χαμογελάω (και επίσης να γρατζίζω το κεφάλι μου): η λύση κρυβόταν μπροστά στα μάτια μας. Ακριβώς μόλις εκατοστά μακριά από το σημείο που ঘটівταν όλα τα πράγματα.

Ο καθοριστικός παράγοντας που ανακάλυψαν ονομάζεται «τοπικό pH»—και πριν σας ζαλίσει η σκέψη, ας εξηγήσω γιατί αυτό έχει πραγματική σημασία με έναν τρόπο που μπορεί να σας εκπλήξει.

Ξέρετε μάλλον ότι το pH μετρά πόσο όξινο ή αλκαλικό είναι κάτι. Το καφέ είναι ελαφρώς όξινο (περίπου pH 5), ενώ το μαγειρική σόδα είναι αλκαλικό (περίπου pH 9). Τα σώματά μας εργάζονται σκληρά για να διατηρούν ένα αρκετά σταθερό pH γύρω από το 7,4.

Τώρα, σε χημικές αντιδράσεις που περιλαμβάνουν ηλεκτρισμό, τα ιόντα υδρογόνου (που ονομάζονται και πρωτόνια) παράγονται ή καταναλώνονται συνεχώς στα ηλεκτρόδια. Και εδώ είναι το θέμα: αυτά τα πρωτόνια δεν μπορούν να κινηθούν αμέσως μέσα στο υγρό. Έτσι, ενώ το συνολικό διάλυμα μπορεί να φαίνεται απόλυτα ουδέτερο σε ένα δοκιμαστικό σωλήνα, ακριβώς δίπλα στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου, τα πράγματα μπορούν να βγουν πολύ εκτός ισορροπίας.

Οι ερευνητές υπολόγισαν ότι κοντά σε ένα ηλεκτρόδιο, το pH θα μπορούσε να εκτοξευτεί έως και στο 11 (ισχυρά αλκαλικό). Κοντά στο άλλο, θα μπορούσε να καταρρεύσει σε περίπου 2,5 (ισχυρά οξύ).

Αυτό είναι σαν τη διαφορά μεταξύ μαγειρικής σόδας και λεμονιού—όλα αυτά συμβαίνουν σε μια περιοχή πιο λεπτή από μια ανθρώπινη τρίχα.

Γιατί να σας ενδιαφέρει;

Καλή ερώτηση. Γιατί ειλικρινά, οι περισσότεροι από εμάς δεν περνάμε τις μέρες μας σκέφτοντας τις επιφάνειες των ηλεκτροδίων ή τα διαγράμματα pH.

Αλλά το θέμα είναι αυτό: τα χημικά στα οποία εστιάζει αυτή η έρευνα δεν είναι αόρατα εργαστηριακά περίεργα αντικείμενα. Μιλάμε για λακτόνες και εποξίδια—ενώσεις που αποτελούν τα δομικά στοιχεία για:

• Βιοδιασπώμενα πλαστικά (γιατί χρειαζόμαστε απεγνωσμένα περισσότερα)
• Πολυουρεθάνες (που βρίσκονται σε τα πάντα, από τα μαξιλάρια των επίπλων έως την μόνωση)
• Κολλητικές και προστατευτικές επιστρώσεις
• Εποξικά ρητίνες (που χρησιμοποιούνται στην ηλεκτρονική)
• Φαρμακευτικά προϊόντα

Αυτή είναι μια αρκετά εντυπωσιακή λίστα με πράγματα που εμφανίζονται στην καθημερινή ζωή.

Και η τεχνική ίδια; Χρησιμοποιεί οξυγόνο και ηλεκτρισμό για να προκαλέσει αντιδράσεις, πράγμα που σημαίνει ότι οι κατασκευαστές μπορεί να είναι σε θέση να μειώσουν την εξάρτησή τους από σκληρά χημικά οξειδωτικά agents. Ορισμένα από αυτά τα agents δεν είναι μόνο επικίνδυνα στη χρήση, αλλά παράγουν και προβληματικά αποβάντα.

Με άλλα λόγια, δεν πρόκειται μόνο για την πιο αποδοτική χημεία. Μπορεί να την κάνει και πιο ασφαλή και πιο καθαρή.

Η στιγμή του «Ώπα» στην επιστήμη

Αυτό που βρίσκω πιο γλυκό σε αυτή την ιστορία είναι το μέγεθος της παράλειψης.

Η ομάδα δεν δοκίμασε απλώς τις δικές της αντιδράσεις. Επέστρεψαν και ανάλυσαν πάνω από 600 επιστημονικές δημοσιεύσεις για οργανική ηλεκτροσύνθεση που δημοσιεύτηκαν από το 2010. Και ορίστε τι ανακάλψαν:

Περίπου το 89% εκείνων των μελετών περιελάμβανε αντιδράσεις όπου μεταφερόταν τόσο ηλεκτρόνια όσο και πρωτόνια στα ηλεκτρόδια.

Με απλά λόγια: οι περισσότερες ηλεκτροχημικές αντιδράσεις έχουν πιθανότατα αυτό το πρόβλημα τοπικού pH. Οι ερευνητές περιπλανιούνταν αναρωτούμενοι γιατί τα αποτελέσματά τους ήταν αστάθιστα, ενώ ο ένοχος κρυβόταν ακριβώς στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου όλο αυτό το διάστημα.

Αυτό με κάνει να σκέφτομαι όλες τις άλλες ανακαλύψεις που είναι «προφανείς μετά την ανακάλυψη» και περιμένουν να βρεθούν. Μερικές φορές οι μεγαλύτερες ανακαλύψεις δεν αφορούν την εφεύρεση κάτι εντελώς νέου—αφορούν την παρατήρηση αυτού που υπήρχε εκεί από την αρχή.

Τι θα συμβεί μετά;

Η ομάδα της καθηγητριας Ryu δημοσίευσε τα ευρήματά της στο Journal of the American Chemical Society, που είναι μια μεγάλη επιτυχία. Δεν είναι κάποιο άγνωστο περιοδικό—είναι μία από τις πιο σεβαστές χημικές δημοσιεύσεις στον κόσμο.

Τώρα, θα χρειαστεί χρόνος για να φτάσει αυτή η γνώση στις βιομηχανικές εφαρμογές. Αλλά οι προοπτικές είναι αρκετά συναρπαστικές. Οι χημικοί κατασκευαστές θα μπορούσαν δυνητικά να ανασχεδιάσουν τις διαδικασίες τους για να λαμβάνουν υπόψη τα φαινόμενα του τοπικού pH, οδηγώντας σε υψηλότερα αποθέματα, λιγότερα αποβάντα και λιγότερα επικίνδυνα συστατικά.

Και για τους επιστήμονες εκεί έξω, ανοίγει μια εντελώς νέα μεταβλητή προς εξέταση. Όταν σχεδιάζετε ένα ηλεκτροχημικό πείραμα, δεν αφορά πλέον μόνο την τάση και τα υλικά των ηλεκτροδίων—θα πρέπει επίσης να σκεφτείτε πολύ προσεκτικά τι συμβαίνει σε εκείνο το μικροσκοπικό, παρατεθέντο στρώμα ορίου.

Μερικές φορές ο πιο σημαντικός παράγοντας σε μια συνταγή δεν είναι τα κύρια συστατικά. Είναι εκείνη η λεπτομέρεια που έχετε παραλείψει.

Για δεκαετίες, χημικοί σε όλο τον κόσμο προσαρμόζαν τάσεις, αντικαθιστούσαν υλικά ηλεκτροδίων και προσαρμόζαν τη σύσταση διαλύματος—ενώ ο πραγματικός ένοχος (τοπικό pH) περίμενε υπομονητικά ακριβώς στην επιφάνεια.

Τώρα που ξέρουμε τι να ψάχνουμε, ποιος ξέρει τι άλλα «κρυμμένα παράγοντα» περιμένουν να ανακαλυφθούν;

Ένα πράγμα είναι βέβαιο: η χημεία μόλις έγινε πολύ πιο ενδιαφέρουσα.

Πηγή: ScienceDaily