«Неправильная» химия на самом деле сработала

Ладно, признаюсь — когда я впервые прочитал об этом исследовании, мне пришлось перечитывать его дважды, потому что в расчетах что-то не сходилось.

Ученые пытались получить определенные ценные химические вещества с помощью электричества (если использовать научный термин, это называется органическим электросинтезом). Они все настроили идеально: правильное напряжение, правильные материалы электродов, правильный раствор. Но результаты раз за разом были разочаровывающими. Они получали лишь около 16% нужного продукта.

Шестнадцать процентов. Это, по сути, неудовлетворительная оценка.

Но вот здесь начинается самое интересное. Исследователи под руководством профессора Джеюн Рю и ее команды из Сеульского национального университета не стали просто мириться с этими результатами. Вместо этого они начали задаваться вопросом: что они упускают?

И боже мой, они кое-что нашли.

Внеся относительно простые изменения в конструкцию своего реактора — а именно, изменив расстояние между электродами и то, как жидкость течет через систему, — им удалось поднять показатель успеха с удручающих 16% до целых 97%.

Девяносто. Семь. Процентов.

Это не просто постепенное улучшение. Это переход от состояния «может, нам стоит попробовать другой подход» к состоянию «давайте немедленно запатентуем это».

Так в чем же была проблема?

Вот что заставляет меня улыбаться (и одновременно чесать в затылке): решение было прямо перед глазами. Буквально в нескольких дюймах от места, где происходило все действие.

Ключевой фактор, который они обнаружили, называется «локальный pH» — и прежде чем у вас застекленеют глаза, позвольте мне объяснить, почему это действительно важно, и это может вас удивить.

Вы наверняка знаете, что pH измеряет кислотность или щелочность вещества. Кофе слегка кислый (pH около 5), а пищевая сода — щелочная (pH около 9). Наш организм прилагает много усилий, чтобы поддерживать довольно стабильный pH на уровне 7,4.

Так вот, в химических реакциях с участием электричества на электродах постоянно вырабатываются или потребляются ионы водорода (их также называют протонами). И вот в чем дело: эти протоны не могут перемещаться по жидкости мгновенно. Поэтому, хотя общий раствор в пробирке может казаться идеально нейтральным, прямо у поверхности электрода ситуация может сильно выйти из равновесия.

Исследователи подсчитали, что возле одного электрода pH может подскакивать примерно до 11 (сильно щелочная среда). Возле другого он может упасть примерно до 2,5 (сильно кислая среда).

Это как разница между пищевой содой и лимонным соком — и все это происходит в области тоньше человеческого волоса.

Почему вам это должно быть интересно?

Хороший вопрос. Потому что, честно говоря, большинство из нас не проводит дни в раздумьях о поверхностях электродов или градиентах pH.

Но вот в чем дело: химические вещества, на которых сосредоточено это исследование, — это не какие-то малоизвестные лабораторные диковинки. Речь идет о лактонах и эпоксидах — соединениях, которые являются строительными блоками для:

• Биоразлагаемого пластика (потому что он нам жизненно необходим);
• Полиуретанов (встречаются везде: от подушек мебели до изоляции);
• Адгезивов и защитных покрытий;
• Эпоксидных смол (используются в электронике);
• Фармацевтических препаратов.

Это довольно внушительный список вещей, которые встречаются в повседневной жизни.

А сама технология? Она использует кислород и электричество для запуска реакций, а это значит, что производители смогут снизить зависимость от агрессивных химических окислителей. Некоторые из этих реагентов не только опасны в обращении, но и создают проблемные отходы.

Другими словами, речь идет не только о повышении эффективности химии. Она может стать еще и безопаснее и чище.

Момент «Ой!» в науке

Что мне кажется самым восхитительным в этой истории, так это масштаб упущения.

Команда не просто протестировала свои реакции. Они вернулись назад и проанализировали более 600 научных работ по органическому электросинтезу, опубликованных с 2010 года. И вот что они обнаружили:

Примерно в 89% этих исследований участвовали реакции, в которых на электродах переносились и электроны, и протоны.

Говоря простым языком: в большинстве электрохимических реакций, вероятно, существует эта проблема локального pH. Исследователи годами блуждали в темноте, гадая, почему их результаты нестабильны, в то время как виновник все это время прятался прямо на поверхности электрода.

Это заставляет меня задуматься обо всех остальных открытиях типа «очевидно же, если оглянуться назад», которые только и ждут своего часа. Иногда величайшие прорывы заключаются не в изобретении чего-то совершенно нового, а в том, чтобы заметить то, что было там всегда.

Что дальше?

Команда профессора Рю опубликовала свои результаты в Journal of the American Chemical Society, а это серьезно. Это не какой-то малоизвестный журнал — это одно из самых уважаемых химических изданий в мире.

Конечно, на внедрение этих знаний в промышленность уйдет время. Но перспективы захватывающие. Химические производители потенциально смогут перепроектировать свои процессы с учетом эффектов локального pH, что приведет к более высокому выходу продукта, меньшему количеству отходов и меньшему количеству опасных ингредиентов.

А для ученых это открывает совершенно новую переменную. Теперь при проектировании электрохимического эксперимента недостаточно учитывать только напряжение и материалы электродов — возможно, придется очень внимательно продумать то, что происходит в этом крошечном, незаметном пограничном слое.

Иногда самый важный фактор в рецепте — это не основные ингредиенты. А та самая тонкая деталь, которую вы упускали из виду.

Десятилетиями химики по всему миру меняли напряжение, заменяли материалы электродов и корректировали состав растворов — и все это время настоящий виновник (локальный pH) терпеливо ждал прямо на поверхности.

Теперь, когда мы знаем, что искать, кто знает, какие еще «скрытые факторы» только и ждут своего открытия?

Одно можно сказать наверняка: химия стала намного интереснее.

Источник: ScienceDaily