Keemilised reaktsioonid toimuvad meie ümber kogu aeg – see on ilmselge, kui sellele mõelda, aga kui paljud meist teevad seda auto käivitamisel, muna keetmisel või muru väetamisel?
Keemilise katalüüsi ekspert Richard Kong on mõelnud keemilistele reaktsioonidele. Oma töös „professionaalse häälestajana“, nagu ta ise ütleb, pole ta huvitatud mitte ainult iseenesest tekkivatest reaktsioonidest, vaid ka uute reaktsioonide tuvastamisest.
Klarmani stipendiaadina keemia ja keemilise bioloogia alal kunstide ja teaduste kolledžis töötab Kong katalüsaatorite väljatöötamise kallal, mis suunavad keemilisi reaktsioone soovitud tulemusteni, luues ohutuid ja isegi lisandväärtusega tooteid, sealhulgas neid, millel võib olla positiivne mõju inimeste tervisele. Kolmapäev.
„Märkimisväärne hulk keemilisi reaktsioone toimub iseseisvalt,“ ütles Kong, viidates süsinikdioksiidi eraldumisele fossiilkütuste põletamisel autodes. „Kuid keerukamad ja keerukamad keemilised reaktsioonid ei toimu automaatselt. Siin tulebki mängu keemiline katalüüs.“
Kong ja tema kolleegid töötasid välja katalüsaatorid soovitud reaktsioonide suunamiseks. Näiteks saab süsinikdioksiidi muuta sipelghappeks, metanooliks või formaldehüüdiks, valides õige katalüsaatori ja katsetades reaktsioonitingimusi.
Keemia ja keemilise bioloogia professori (A&S) ning Kongi moderaatori Kyle Lancasteri sõnul sobib Kongi lähenemisviis hästi Lancasteri labori „avastuskeskse“ lähenemisega. „Richardil oli idee kasutada tina oma keemia parandamiseks, mis polnud kunagi minu stsenaariumis,“ ütles Lancaster. „Tal on katalüsaator, mis suudab selektiivselt muuta süsinikdioksiidi, millest ajakirjanduses palju räägitakse, millekski väärtuslikumaks.“
Kong ja tema kaastöötajad avastasid hiljuti süsteemi, mis teatud tingimustel suudab süsinikdioksiidi sipelghappeks muuta.
„Kuigi me pole reageerimisvõime osas veel tipptasemel, on meie süsteem väga kohandatav,“ ütles Kong. „Sel viisil saame hakata sügavamalt mõistma, miks mõned katalüsaatorid töötavad kiiremini kui teised, miks mõned katalüsaatorid on oma olemuselt paremad. Saame katalüsaatorite parameetreid muuta ja proovida mõista, mis paneb need asjad kiiremini töötama, sest mida kiiremini nad töötavad, seda paremini nad töötavad, seda kiiremini saab molekule luua.“
Klarmani stipendiaadina töötab Kong ka selle nimel, et eemaldada keskkonnast nitraadid, mis on tavaline väetis, mis imbub veeteedesse mürgiselt, ja muuta need ohutumateks aineteks, ütles ta.
Kong eksperimenteeris maapõues leiduvate metallide, näiteks alumiiniumi ja tina, kasutamisega katalüsaatoritena. Need metallid on odavad, mittetoksilised ja maakoores rikkalikud, seega ei tekita nende kasutamine jätkusuutlikkuse probleeme, ütles ta.
„Töötame ka selle kallal, kuidas luua katalüsaatoreid, kus kaks metalli omavahel interakteeruvad,“ ütles Kong. „Milliseid reaktsioone ja huvitavaid keemilisi protsesse saab bimetallsüsteemidest saavutada, kui kasutada kahte metalli ühes raamistikus?“
Metsad on keemiline keskkond, mis neid metalle hoiab – need on kriitilise tähtsusega nende metallide potentsiaali vallandamiseks, et nad saaksid oma tööd teha, just nagu vajate õigeid riideid õige ilma jaoks, ütles Kong.
Viimase 70 aasta jooksul on keemiliste üleminekute saavutamiseks standardiks olnud ühe metallikeskuse kasutamine, kuid viimase kümnendi jooksul on keemikud hakanud uurima kahe metalli liitumist, kas keemiliselt või lähestikku. Esiteks, ütleb Kong, "annab see teile rohkem vabadusastmeid".
Kongi sõnul annavad need bimetallkatalüsaatorid keemikutele võimaluse kombineerida metallkatalüsaatoreid nende tugevuste ja nõrkuste põhjal. Näiteks metallikeskus, mis seondub substraatidega halvasti, kuid lõhub sidemeid hästi, võib toimida koos teise metallikeskusega, mis lõhub sidemeid halvasti, kuid seondub substraatidega hästi. Teise metalli olemasolu mõjutab ka esimese metalli omadusi.
„Kahe metallikeskuse vahel võib hakata tekkima niinimetatud sünergiline efekt,“ ütles Kong. „Bimetallilise katalüüsi valdkond on juba hakanud näitama tõeliselt ainulaadset ja imelist reaktsioonivõimet.“
Kong ütles, et molekulaarsetes ühendites metallide omavahelise seose osas on endiselt palju ebaselgust. Ta oli samavõrd elevil keemia enda ilust kui tulemustest. Kong toodi Lancasteri laboritesse nende röntgenspektroskoopiaalase asjatundlikkuse tõttu.
„See on sümbioos,“ ütles Lancaster. „Röntgenspektroskoopia aitas Richardil mõista, mis kulisside taga toimus ja mis teeb tina eriti reaktiivseks ja selliseks keemiliseks reaktsiooniks võimeliseks. Saime kasu tema ulatuslikest teadmistest suuremate rühmade keemiast, mis avas rühmale ukse uude valdkonda.“
Kõik taandub põhikeemiale ja uurimistööle, ütleb Kong, ning selle lähenemisviisi teeb võimalikuks Open Klarmani stipendium.
„Tavalisel päeval saan laboris reaktsioone läbi viia või arvuti taga molekule simuleerida,“ ütles ta. „Püüame saada keemilisest aktiivsusest võimalikult täieliku pildi.“