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 ääniteknikkona", kuten hän itse asian ilmaisee, hän on kiinnostunut paitsi itsessään syntyvistä reaktioista, myös uusien reaktioiden provosoinnista.
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 suunnittelivat katalyytin ohjaamaan haluamaansa reaktiota, ja se tapahtui. Esimerkiksi hiilidioksidi voidaan muuntaa muurahaishapoksi, metanoliksi tai formaldehydiksi valitsemalla oikea katalyytin ja kokeilemalla reaktio-olosuhteita.
Kemian ja kemiallisen biologian professorin (A&S) ja Kongin yliopiston professorin Kyle Lancasterin mukaan Kongin lähestymistapa sopii hyvin Lancasterin laboratorion "löytöihin perustuvaan" lähestymistapaan. "Richardilla oli ajatus käyttää tinaa kemian parantamiseen, mikä ei koskaan kuulunut minun suunnitelmiini", Lancaster sanoi. "Se toimii katalysaattorina hiilidioksidin selektiiviselle muuntamiselle joksikin arvokkaammaksi, ja hiilidioksidi saa paljon huonoa julkisuutta."
Kong ja hänen yhteistyökumppaninsa löysivät äskettäin järjestelmän, joka tietyissä olosuhteissa voi muuntaa hiilidioksidia muurahaishapoksi.
”Vaikka emme tällä hetkellä ole lähelläkään huippuluokan reaktiivisuutta, järjestelmämme on erittäin konfiguroitavissa”, Kong sanoi. ”Joten 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 parempi – molekyylejä voidaan luoda nopeammin.”
Klarman-stipendiaattina Kong työskentelee myös muuntaakseen nitraatteja, yleisiä vesistöihin myrkyllisesti joutuvia lannoitteita, ympäristöstä vaarattomiksi, hän sanoo.
Kong kokeili katalyytteinä yleisiä maametalleja, kuten alumiinia ja tinaa. Metallit ovat halpoja, myrkyttömiä ja niitä on runsaasti maankuoressa, joten niiden käyttö ei aiheuta kestävyysongelmia, hän sanoi.
”Selvitämme myös, miten voidaan valmistaa katalyyttejä, joissa kaksi näistä metalleista on vuorovaikutuksessa keskenään”, Kong sanoi. ”Millaisia ​​reaktioita ja mielenkiintoisia kysymyksiä voimme saada aikaan käyttämällä kahta metallia kehyksessä?” ”Kemiallinen reaktio?”
Kongin mukaan rakennustelineet ovat kemiallinen ympäristö, jossa nämä metallit sijaitsevat.
Viimeisten 70 vuoden ajan kemiallisten muutosten saavuttamiseksi on yleensä käytetty yhtä metallikeskusta, mutta viimeisen vuosikymmenen aikana alan kemistit ovat alkaneet tutkia synergistisiä vuorovaikutuksia kahden kemiallisesti sitoutuneen tai vierekkäisen metallin välillä. Kong sanoi: "Se antaa sinulle 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.
”Kahden metallikeskuksen välillä voi alkaa havaita niin sanottua synergististä vaikutusta”, Kong sanoi. ”Kaksimetallikatalyysin alalla alkaa ilmetä todella ainutlaatuisia ja ihmeellisiä reaktioita.”
Kongin mukaan metallien sitoutumisesta toisiinsa molekyylimuodoissa on vielä paljon epävarmuutta. Hän oli yhtä innoissaan itse kemian kauneudesta kuin tuloksistakin. Kong tuotiin Lancasterin laboratorioon heidän röntgenspektroskopian asiantuntemuksensa vuoksi.
”Se on symbioosi”, Lancaster sanoi. ”Röntgenspektroskopia auttoi Richardia ymmärtämään, mitä konepellin alla oli ja mikä teki tinasta erityisen reaktiivisen ja kykenevän tähän kemialliseen reaktioon. Hyödymme hänen laajasta tietämyksestään tärkeimpien ryhmäkemian alalla, mikä on avannut mahdollisuuksia uudella alalla.”
Kaikki riippuu peruskemiasta ja -tutkimuksesta, ja Kongin mukaan Open Klarman Fellowship on mahdollistanut tämän lähestymistavan.
”Yleensä voin suorittaa reaktion laboratoriossa tai istua tietokoneen ääressä simuloimassa molekyyliä”, hän sanoi. ”Yritämme saada mahdollisimman täydellisen kuvan kemiallisesta aktiivisuudesta.”