Dodano: 25 maj 2018r.

Kontrola nad chemią przy pomocy światła. Nowa technika opracowana w IChF PAN

Badacze z Instytutu Chemii Fizycznej PAN zaprojektowali mechanizm molekularny, który przy pomocy światła pozwala efektywnie odsłaniać lub chować cząsteczki katalizatorów. Rozwiązanie to daje nowe możliwości w zakresie kontrolowania przebiegu reakcji chemicznych.

 

Opracowana w Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk technika, która została opisana w prestiżowym czasopiśmie chemicznym „ACS Catalysis”, niesie ze sobą zmianę jakościową prowadzenia przemysłowych reakcji katalitycznych i jest ważnym etapem w projektowaniu układów chemicznych odwzorowujących najważniejsze cechy organizmów żywych.

Nanocząstki, których powierzchnie zmieniają wygląd pod wpływem światła dają możliwość łatwego i precyzyjnego sterowania przebiegiem katalitycznych reakcji chemicznych, również tych wieloetapowych. Najważniejszym elementem zademonstrowanej metody jest mechanizm geometrycznego maskowania centrów aktywnych katalizatorów na powierzchni nanocząstek.

Katalizator to substancja umożliwiająca reakcję między określonymi związkami chemicznymi, aktywnie w niej uczestnicząca i w znacznym stopniu odtwarzająca się po jej zakończeniu. Współczesne katalizatory projektuje się na ogół pod kątem optymalizowania katalizowanych reakcji i zmniejszania zużycia katalizatora. Zwraca się przy tym uwagę m.in. na jego selektywność, a więc zdolność do przyspieszania jednej, precyzyjnie wybranej reakcji. Nad tak skonstruowanymi katalizatorami nie ma jednak większej kontroli: po wprowadzeniu do roztworu zwykle działają one od razu aż do momentu ustania reakcji.

 

Ale na związki chemiczne w roztworach można oddziaływać za pomocą fal świetlnych o energii dopasowanej do właściwości konkretnego układu. Światło jest jednym z najwygodniejszych narzędzi i daje się łatwo wprowadzić w całą objętość cieczy, a przy tym na ogół nie zakłóca ono przebiegu samych reakcji katalitycznych. Układ chemiczny można tak zaprojektować, żeby w zależności od oświetlenia katalizował (lub nie) różne reakcje chemiczne.

Naukowcy z IChF PAN całą koncepcję tłumaczą za pomocą analogii ze słonecznikami. Rośliny te mają grube, sztywne łodygi zakończone koszykiem z nasionami. W ciągu dnia główka kieruje się ku światłu, ale nocy nie zwija się, jak przypadku innych kwiatów. Zgina się łodyga u jej nasady i cały koszyczek opada.

„Nasz kluczowy kompleks cząsteczek zachowuje się podobnie jak słoneczniki, tyle że w skali molekularnej. Ziemią, na której nasze ‘słoneczniki’ rosną, jest nanocząstka złota, łodygą – długa cząsteczka o charakterze organicznego liganda, jej zginającym się fragmentem – fotoprzełącznik zmieniający kształt pod wpływem światła. Sam koszyczek to właśnie katalizator. Jedyna różnica polega na tym, że nasze ‘słoneczniki’ są trochę... nieśmiałe: chowają swoje katalityczne głowy gdy wokół staje się jasno, a podnoszą – gdy jest ciemno” - tłumaczy dr hab. Volodymyr Sashuk z IChF PAN w komunikacie prasowym udostępnionym na stronach Instytutu.

Nowatorska koncepcja kontrolowania katalizy opracowana przez badaczy z IChF PAN została sprawdzona w praktyce. Naukowcy wykonali układ chemiczny z użyciem nanocząstek złota o rozmiarach trzech nanometrów i jednego z najprostszych katalizatorów: aminokwasu o nazwie prolina. Sama metoda nie narzuca jednak żadnych konkretnych ograniczeń, dlatego potencjalnie można użyć dowolnego innego katalizatora, funkcjonalnie przekształcając go w odmianę, której aktywnością steruje się za pomocą światła.

Magdalena Szewczyk, doktorantka z IChF PAN przyznaje, że wykonanie nanocząstek pokrytych ligandami z doczepionymi cząsteczkami katalizatora nie jest specjalnie trudne, wymaga jednak pewnej uwagi. „Na przykład ważne są proporcje między liczbą ligandów z cząsteczką katalizatora a liczbą ligandów bez niej. Jeśli pustych ligandów będzie zbyt dużo, cząsteczki katalizatora fizycznie nie będą miały gdzie się ukryć, a my możemy zapomnieć o sterowaniu” - mówi.

Nowa technika daje całkiem nowe możliwości. Reakcje katalityczne przeprowadzano dotychczas w jednym roztworze, w którym znajdowały się niezbędne substraty i pojedynczy katalizator. Teraz ten sam roztwór może zawierać substraty dla wieloetapowych reakcji katalitycznych oraz szereg katalizatorów, każdy aktywowany światłem w odpowiednich momentach. W jednym naczyniu mogłoby jednocześnie przebiegać kilka reakcji składowych, wytwarzających związki chemiczne niezbędne na późniejszych etapach procesu technologicznego, na których nowa reakcja byłaby uruchamiana po zastopowaniu reakcji wcześniejszych.

Opracowane w IChF PAN rozwiązanie ma jeszcze jedną zaletę. "Do tej pory chemicy po zakończeniu reakcji zostawali z roztworem zawierającym i produkt, i katalizator" - mówi doktorant IChF Grzegorz Sobczak. "Usunięcie tego ostatniego nierzadko wiązało się z koniecznością opracowania dodatkowych etapów technologicznych. W naszej metodzie katalizator jest osadzony na nanocząstkach. Potencjalnie drobiny te można tak dopasować, żeby reagowały np. na pole magnetyczne. Po zakończeniu reakcji wystarczyłoby wtedy przyciągnąć nanocząstki na spód naczynia, gdzie można byłoby je łatwo odseparować od właściwego produktu" - zauważa.

Przyszłość wieloetapowej, precyzyjnie kontrolowanej światłem katalizy zapowiada się interesująco. Nowej generacji wielokomponentowe mieszaniny mogłyby na przykład twardnieć dopiero na życzenie użytkownika, a zatem można byłoby nimi dokładniej wypełniać wszelkiego typu formy, nawet o bardzo skomplikowanych kształtach. Popularnym rozwiązaniem staną się zapewne wygodne w użyciu wieloskładnikowe kleje polimerowe, od razu dostarczane w zmieszanej, gotowej do rozprowadzenia postaci. To tylko niektóre z już dziś rozważanych idei. Naukowcy z IChF PAN wciąż poszukują pomysłów, jak ich koncepcja mogłaby się przełożyć na konkretne zastosowania.

 

Źródło: Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk, fot. U.S. Department of Energy