Kemiallisia reaktioita tapahtuu kaikkialla ympärillämme koko ajan – itsestään selvää, kun ajattelee asiaa, mutta kuinka moni meistä tekee niitä käynnistäessään auton, keittäessään kananmunan tai lannoittaessaan nurmikkoaan?
Kemiallisen katalyysin asiantuntija Richard Kong on pohtinut kemiallisia reaktioita. Työssään "ammattimaisena virittäjänä", kuten hän asian ilmaisee, hän ei ole kiinnostunut vain itsestään syntyvistä reaktioista, vaan myös uusien reaktioiden tunnistamisesta.
Klarman-stipendiaattina kemian ja kemiallisen biologian alalla taiteiden ja tieteiden tiedekunnassa Kong kehittää katalyyttejä, jotka ajavat kemiallisia reaktioita haluttuihin tuloksiin, luoden turvallisia ja jopa lisäarvoa tuottavia tuotteita, mukaan lukien tuotteita, joilla voi olla myönteinen vaikutus ihmisten terveyteen. Keskiviikko.
”Merkittävä osa kemiallisista reaktioista tapahtuu ilman apua”, Kong sanoi viitaten hiilidioksidin vapautumiseen, kun autot polttavat fossiilisia polttoaineita. ”Mutta monimutkaisemmat ja monimutkaisemmat kemialliset reaktiot eivät tapahdu automaattisesti. Tässä kohtaa kemiallinen katalyysi astuu kuvaan.”
Kong ja hänen kollegansa kehittivät katalyyttejä ohjaamaan haluamiaan reaktioita. Esimerkiksi hiilidioksidi voidaan muuntaa muurahaishapoksi, metanoliksi tai formaldehydiksi valitsemalla oikea katalyytin ja kokeilemalla reaktio-olosuhteita.
Kemian ja kemiallisen biologian professorin (A&S) ja Kongin moderaattorin Kyle Lancasterin mukaan Kongin lähestymistapa sopii hyvin Lancasterin laboratorion "löytöihin perustuvaan" lähestymistapaan. "Richardilla oli ajatus käyttää tinaa kemian parantamiseen, mikä ei koskaan kuulunut minun käsikirjoitukseeni", Lancaster sanoi. "Hänellä on katalyytti, joka voi selektiivisesti muuntaa lehdistössä paljon puhutun hiilidioksidin joksikin arvokkaammaksi."
Kong ja hänen yhteistyökumppaninsa löysivät äskettäin järjestelmän, joka tietyissä olosuhteissa voi muuntaa hiilidioksidia muurahaishapoksi.
”Vaikka emme ole vielä reagointikyvyn huippuluokkaa, järjestelmämme on erittäin muokattavissa”, Kong sanoi. ”Tällä tavoin voimme alkaa ymmärtää syvällisemmin, miksi jotkut katalyytit toimivat nopeammin kuin toiset, miksi jotkut katalyytit ovat luonnostaan ​​parempia. Voimme säätää katalyyttien parametreja ja yrittää ymmärtää, mikä saa nämä asiat toimimaan nopeammin, koska mitä nopeammin ne toimivat, sitä paremmin ne toimivat, sitä nopeammin voit luoda molekyylejä.”
Klarman-stipendiaattina Kong pyrkii myös poistamaan ympäristöstä nitraatteja, yleistä vesistöihin myrkyllisesti joutuvaa lannoitetta, ja muuttamaan ne vaarattomammiksi aineiksi, hän sanoi.
Kong kokeili maapallosta löytyvien metallien, kuten alumiinin ja tinan, käyttöä katalyytteinä. Metallit ovat halpoja, myrkyttömiä ja niitä on runsaasti maankuoressa, joten niiden käyttö ei aiheuta kestävyysongelmia, hän sanoi.
”Työskentelemme myös katalyyttien parissa, joissa kaksi metallia on vuorovaikutuksessa keskenään”, Kong sanoi. ”Mitä reaktioita ja mielenkiintoisia kemiallisia prosesseja voimme saada aikaan käyttämällä kahta metallia yhdessä kehyksessä?”
Metsät ovat kemiallinen ympäristö, joka sisältää näitä metalleja – ne ovat ratkaisevan tärkeitä näiden metallien potentiaalin vapauttamiseksi tehtävässään, aivan kuten tarvitset oikeat vaatteet oikeaan säähän, Kong sanoi.
Viimeisten 70 vuoden ajan standardina on ollut käyttää yhtä metallikeskusta kemiallisten siirtymien saavuttamiseksi, mutta viimeisen vuosikymmenen aikana alan kemistit ovat alkaneet tutkia kahden metallin liittoa joko kemiallisesti tai lähekkäin. Ensinnäkin, Kong sanoo, "se antaa enemmän vapausasteita".
Kongin mukaan nämä bimetallikatalyytit antavat kemisteille mahdollisuuden yhdistää metallikatalyyttejä niiden vahvuuksien ja heikkouksien perusteella. Esimerkiksi metallikeskus, joka sitoutuu huonosti alustoihin, mutta rikkoo sidoksia hyvin, voi toimia toisen metallikeskuksen kanssa, joka rikkoo sidoksia huonosti, mutta sitoutuu hyvin alustoihin. Toisen metallin läsnäolo vaikuttaa myös ensimmäisen metallin ominaisuuksiin.
”Voit alkaa saada aikaan niin sanotun synergistisen vaikutuksen kahden metallikeskuksen välillä”, Kong sanoi. ”Kaksimetallikatalyysin alalla alkaa jo näkyä todella ainutlaatuista ja ihmeellistä reaktiivisuutta.”
Kongin mukaan metallien sitoutumisesta toisiinsa molekyyliyhdisteissä on edelleen paljon epäselvyyttä. Hän oli yhtä innoissaan itse kemian kauneudesta kuin tuloksistakin. Kong tuotiin Lancaster Laboratoriesille heidän röntgenspektroskopian asiantuntemuksensa vuoksi.
”Se on symbioosi”, Lancaster sanoi. ”Röntgenspektroskopia auttoi Richardia ymmärtämään, mitä kulissien takana tapahtui ja mikä tekee tinasta erityisen reaktiivisen ja kykenevän tähän kemialliseen reaktioon. Hyödynsimme hänen laajaa tietämystään tärkeimmistä ryhmäkemian osa-alueista, mikä avasi ryhmälle oven uudelle alueelle.”
Kaikki riippuu peruskemiasta ja -tutkimuksesta, Kong sanoo, ja Open Klarman -stipendi mahdollistaa tämän lähestymistavan.
”Tyypillisenä päivänä voin joko suorittaa reaktioita laboratoriossa tai istua tietokoneen ääressä simuloimassa molekyylejä”, hän sanoi. ”Yritämme saada mahdollisimman täydellisen kuvan kemiallisesta aktiivisuudesta.”