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 helirežissöörina“, nagu ta ise ütleb, on ta huvitatud mitte ainult temas tekkivatest reaktsioonidest, vaid ka uute reaktsioonide esilekutsumisest.
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 kavandasid katalüsaatori soovitud reaktsiooni suunamiseks ja see ka juhtus. Näiteks saab süsinikdioksiidi muuta sipelghappeks, metanooliks või formaldehüüdiks, valides õige katalüsaatori ja katsetades reaktsioonitingimustega.
Keemia ja keemilise bioloogia professori (A&S) ning Kongi ülikooli professori Kyle Lancasteri sõnul sobib Kongi lähenemisviis hästi Lancasteri labori „avastuspõhise“ lähenemisega. „Richardil oli idee kasutada tina oma keemia parandamiseks, mis polnud kunagi minu plaanides,“ ütles Lancaster. „See on katalüsaator süsinikdioksiidi selektiivseks muundamiseks millekski väärtuslikumaks ja süsinikdioksiid saab palju halba meediakajastust.“
Kong ja tema kaastöötajad avastasid hiljuti süsteemi, mis teatud tingimustel suudab süsinikdioksiidi sipelghappeks muuta.
„Kuigi me pole hetkel veel tipptasemel reaktsioonivõime lähedal, on meie süsteem väga konfigureeritav,“ ütles Kong. „Seega saame hakata sügavamalt mõistma, miks mõned katalüsaatorid töötavad kiiremini kui teised, miks mõned katalüsaatorid on oma olemuselt paremad. Saame katalüsaatorite parameetreid häälestada ja proovida mõista, mis paneb need asjad kiiremini töötama, sest mida kiiremini nad töötavad, seda parem – molekule saab luua kiiremini.“
Klarmani stipendiaadina töötab Kong ka selle nimel, et muuta nitraadid, tavalised väetised, mis imbuvad veeteedesse mürgiselt, keskkonnast millekski kahjutuks, ütleb ta.
Kong katsetas katalüsaatoritena tavaliste muldmetallidega nagu alumiinium ja tina. Need metallid on odavad, mittetoksilised ja maakoores rikkalikult, seega ei tekita nende kasutamine jätkusuutlikkuse probleeme, ütles ta.
„Samuti nuputame välja, kuidas valmistada katalüsaatoreid, kus kaks neist metallidest omavahel interakteeruvad,“ ütles Kong. „Milliseid reaktsioone ja huvitavaid küsimusi saame bimetallsüsteemidest kahe metalli kasutamisel raamistikus?“ „Keemilise reaktsiooni?“
Kongi sõnul on tellingud keemiline keskkond, milles need metallid asuvad.
Viimase 70 aasta jooksul on keemiliste muundumiste saavutamiseks olnud normiks ühe metallikeskuse kasutamine, kuid viimase kümnendi jooksul on keemikud hakanud uurima sünergilisi interaktsioone kahe keemiliselt seotud või külgneva metalli vahel. Kong ütles: „See annab 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 nn sünergiline efekt,“ ütles Kong. „Bimetallilise katalüüsi valdkonnas hakkavad tekkima mõned tõeliselt ainulaadsed ja imelised reaktsioonid.“
Kong ütles, et metallide molekulaarsetes vormides üksteisega seondumise osas on endiselt palju ebakindlust. Ta oli samavõrd elevil keemia enda ilust kui tulemustest. Kong toodi Lancasteri laborisse nende röntgenspektroskoopiaalase asjatundlikkuse tõttu.
„See on sümbioos,“ ütles Lancaster. „Röntgenspektroskoopia aitas Richardil mõista, mis peitus kapoti all ja mis tegi tina eriti reaktiivseks ja selliseks keemiliseks reaktsiooniks võimeliseks. Meile on kasulikud tema ulatuslikud teadmised suurte rühmade keemiast, mis on avanud uksed uues valdkonnas.“
Kõik taandub põhikeemiale ja uurimistööle, lähenemisviisile, mille on võimaldanud Open Klarmani stipendium, ütles Kong.
„Tavaliselt saan reaktsiooni laboris läbi viia või arvuti taga istuda ja molekuli simuleerida,“ ütles ta. „Püüame saada keemilisest aktiivsusest võimalikult täieliku pildi.“