• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Uruchamianie reakcji chemicznych za pomocą molekularnej linki wyzwalającej

    08.04.2009. 18:11
    opublikowane przez: Maksymilian Gajda

    Naukowcy z Politechniki w Eindhoven (TU/e) w Holandii odkryli sposób na wykorzystanie sił mechanicznych do kontrolowania aktywności katalitycznej, a więc do uruchamiania reakcji chemicznych - zjawiska, które stanowi jedno z najbardziej podstawowych pojęć w chemii. Jest to pierwszy raz, kiedy udało się tego dokonać. Wyniki badań zostały opublikowane 6 kwietnia w czasopiśmie Nature Chemistry.

    Chemiczne katalizatory wymagają aktywacji, którą osiąga się zwykle za pomocą ciepła, światła lub innego środka chemicznego. Ale trzyosobowy zespół naukowców z Instytutu Złożonych Systemów Molekularnych oraz Wydziału Inżynierii Chemicznej i Chemii przy TU/e wykazał, że katalizator można przełączyć ze stanu uśpionego na aktywny pociągając za łańcuch polimerowy, funkcjonujący jak "molekularna linka wyzwalająca".

    Naukowcy osiągnęli ten wynik, dzięki pakowaniu katalitycznie aktywnego jonu metalu do dwóch czapeczek molekularnych (zwanych ligandami). Dwa łańcuchy polimerowe zostały przyczepione do tych czapeczek, tworząc długi łańcuch z kompleksem metalu w środku. Naukowcy rozpuścili je następnie w cieczy napromieniowanej ultradźwiękami, co doprowadziło do tworzenia się pęcherzyków w cieczy. Implozja pęcherzyków powodowała powstanie silnego prądu, który rozciągał łańcuchy i rozrywał najsłabsze ogniwo - kompleks metalu - na dwa. To spowodowało pęknięcie czapeczki z jednej strony, umożliwiając aktywację jonów metalu, dzięki której można było uruchomić reakcje chemiczne.

    Ten ekscytujący przełom otworzy drogę do opracowania samonaprawialnych materiałów, które będą w stanie wzmacniać się na skutek napięcia fizycznego. Na przykład, jeżeli materiał poddany obróbce tą metodą rozedrze się, dojdzie do pęknięcia kompleksu metalu i aktywacji katalizatora. To z kolei doprowadzi niezwłocznie do naprawy materiału.

    Odkrycie może również poprowadzić do badań wielu innych zastosowań, w których istniałaby możliwość włączania i wyłączania reakcji chemicznych. Na przykład w formowaniu wtryskowym przedmiotów z tworzywa sztucznego nową technikę można wykorzystać do uproszczenia obróbki.

    Odkrycie będzie również bezcenne w "badaniach nad zieloną chemią". Możliwość kontrolowania katalizy chemicznej oznaczałaby, że naukowcy mogą doskonalić sprawność i wydajność transformacji i reakcji chemicznych. Jak mówi zespół: "Mechanochemiczna aktywacja daje nowe możliwości w zakresie katalizy homogenicznej - dziedziny, która ma podstawowe znaczenie dla rozwoju bardziej ekologicznych metod syntezy i obróbki substancji chemicznych".

    "Katalizatory są wszechobecne w przemyśle chemicznym, gdzie wykorzystuje się je do produkcji szerokiego asortymentu produktów takich jak farmaceutyki czy polimery. Nie ma wątpliwości, że zapotrzebowanie na nowe katalizatory będzie nadal rosnąć."

    Źródło: CORDIS

    Więcej informacji:

    Politechnika w Eindhoven:
    http://w3.tue.nl/en/

    Nature Chemistry:
    http://www.nature.com/nchem/index.html

    Źródło danych: Politechnika w Eindhoven; Nature Chemistry
    Referencje dokumentu: Piermattei, A et al. (2009) Activating catalysts with mechanical force. Nature Chemistry (w druku, publikacja internetowa z dnia 6 kwietnia). DOI:10.1038/nchem.167.

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    In statu nascendi (łac. w trakcie tworzenia) – termin ten odnosi się do produktów przejściowych reakcji chemicznych, których nie można wyodrębnić ze środowiska tej reakcji. Istnieją one zatem tylko w „trakcie tworzenia”, po czym zanikają na skutek reakcji następczych. Mimo to, w określonych warunkach można uzyskać ich stosunkowo wysokie stężenie w warunkach równowagi chemicznej lub na skutek stałego dostarczania do układu substratów w tempie zbliżonym do szybkości reakcji następczych z udziałem produktu pośredniego. Katalizator – substancja chemiczna, która dodana do układu powoduje zmianę ścieżki kinetycznej reakcji chemicznej, na taką, która ma niższą energię aktywacji, czego efektem jest wzrost szybkości reakcji chemicznej. W trakcie procesów z udziałem katalizatora reakcja chemiczna przebiega drogą o energii mniejszej w stosunku do reakcji bez udziału katalizatora. Dzieje się tak, ponieważ w trakcie reakcji powstaje dodatkowy kompleks przejściowy katalizator-substrat, który ulega reakcji w wyniku dostarczenia mniejszej ilości energii niż dla reakcji bez udziału katalizatora. Produkt reakcji – cząsteczka związku chemicznego lub inne indywidum chemiczne (np. jon) powstałe w wyniku reakcji chemicznej. Często jest to pojęcie umowne, gdy produkty i substraty reakcji są w stanie równowagi chemicznej. W skali mikroskopowej reakcja biegnie wówczas w obie strony z jednakową szybkością.

    Stała równowagi - współczynnik opisujący stan równowagi odwracalnych reakcji chemicznych. Stała ta jest równa ilorazowi reakcji w stanie doskonałej równowagi, t.j. w sytuacji gdy szybkość reakcji w stronę od substratów do produktów i od produktów do substratów jest dokładnie taka sama. Stan przejściowy – w opisach mechanizmów reakcji chemicznych – konfiguracja atomów i łączących ich wiązań chemicznych o ściśle określonej geometrii, która teoretycznie występuje w momencie gdy istnieje jednakowe prawdopodobieństwo zajścia reakcji elementarnej w obu kierunkach.

    Kataliza – zjawisko przyspieszenia szybkości reakcji chemicznej pod wpływem dodania do układu niewielkiej ilości katalizatora, który sam nie ulega trwałym przekształceniom, lecz tylko tworzy z innymi substratami związki lub kompleksy przejściowe. Działanie katalizatora polega na zmianie ścieżki kinetycznej reakcji poprzez obniżenie energii aktywacji reakcji i utworzenia innych, w stosunku do reakcji prowadzonej na sposób niekatalityczny, kompleksów przejściowych. W efekcie przyspieszeniu ulega zarówno reakcja prowadząca do produktu, jak i reakcja biegnąca w kierunku przeciwnym, prowadząca do odtworzenia substratów. Antarafacjalny i suprafacjalny – dwa terminy dotyczące topologii reakcji chemicznych występujące w chemii organicznej. Związane są one z stereochemią tworzenia lub rozrywania co najmniej dwóch wiązań chemicznych związanych z określonym fragmentem danej cząsteczki chemicznej. Zazwyczaj terminy te pojawiają się w opisie stereochemii reakcji pericyklicznych takich jak cykloaddycje lub przegrupowania sigmatropowe.

    Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (ang. chemical vapour deposition) jest to jedna z metod obróbki cieplno-chemicznej materiałów. Służy do nanoszenia cienkich powłok na obrabiany materiał w celu zwiększenia/zmiany właściwości fizycznych, chemicznych lub mechanicznych powierzchni obrabianego materiału. Autokataliza – wzrost szybkości reakcji chemicznej pod wpływem jednego z produktów tej reakcji, który pełni funkcję katalizatora. Szybkość reakcji autokatalitycznej wzrasta w miarę jej postępu i związanego z tym wzrostu stężenia produktu będącego katalizatorem, a następnie maleje z powodu spadku stężenia substratów.

    Reakcja złożona – reakcja chemiczna, w której można wyodrębnić dwie lub więcej różnych reakcji elementarnych, nazywanych również prostymi lub izolowanymi (np. rozpad określonych związków chemicznych lub reakcje zachodzące w wyniku zderzenia cząsteczek dwóch lub trzech związków, wchodzących w skład mieszaniny reagentów). Równanie reakcji złożonej jest sumą odpowiednich równań reakcji elementarnych – wyraża bilans masy (zobacz – stechiometria), a nie ilustruje mechanizmu reakcji. Wyrażenie określające wartość stałej równowagi reakcji złożonej jest liniową kombinacją wyrażeń dotyczących reakcji elementarnych. Opisy kinetyki opiera się również na znajomości równań kinetycznych reakcji elementarnych.

    Aerosol Characterization Experiments (ACE). Międzynarodowy program badań chemicznych właściwości atmosfery (International Global Atmospheric Chemistry Program – IGAC) zorganizował szereg eksperymentów, które miały na celu zbadanie chemicznych, fizycznych i radiacyjnych właściwości aerozoli. Celem tych eksperymentów było zebranie danych niezbędnych do poprawy globalnych modeli klimatycznych.

    Równowaga reakcji chemicznych – stan, gdy reakcja chemiczna zachodzi z jednakową szybkością w obu kierunkach, a więc stężenia reagentów nie zmieniają się w czasie. Potencjały termodynamiczne układu, jakim jest środowisko reakcji, osiągają wartości minimalne (charakterystyczne dla określonych warunków). Minimum osiągają też odpowiednie funkcje termodynamiczne reakcji. Liczba postępu reakcji (λ) – miara postępu reakcji chemicznej oparta na umownym założeniu, że jednostkowy postęp odpowiada zużyciu takich liczb moli substratów i powstaniu takich liczb moli produktów, które są równe współczynnikom stechiometrycznym (νi) w równaniu reakcji. Pojęcie liczby postępu reakcji zdefiniował Théophile de Donder w 1920 roku. Jest stosowane np. do wyrażania stopnia przemiany reagentów w danej chwili albo – w termodynamice chemicznej – jako podstawa dla określania powinowactwa chemicznego, ciepeł tworzenia związków lub entalpii innych reakcji, odnoszonych do λ = 1.

    Reakcje równoległe – elementarne reakcje chemiczne, które zachodzą równocześnie w tym samym środowisku, czego wynikiem jest powstawanie mieszaniny produktów reakcji prostych. Równanie reakcji złożonej z dwóch lub wielu reakcji równoległych jest sumą odpowiednich równań reakcji elementarnych – wyraża bilans masy (zobacz – stechiometria), a nie ilustruje mechanizmu reakcji. Wyrażenie określające wartość stałej równowagi reakcji złożonej jest liniową kombinacją wyrażeń dotyczących reakcji elementarnych. Krzysztof Jałosiński (ur. 29 grudnia 1957 w Żarach w województwie lubuskim) – prezes zarządu Zakładów Chemicznych Police z siedzibą w Policach, magister inżynierii chemicznej. Ukończył Politechnikę Wrocławską specjalizując się z inżynierii chemicznej, studia podyplomowe na Politechnice Śląskiej w zakresie materiałów i energooszczędnych technologii chemicznych, studia podyplomowe w dziedzinie strategii zarządzania przedsiębiorstwem w Szkole Głównej Handlowej oraz studia MBA na Politechnice Lubelskiej.

    Dodano: 08.04.2009. 18:11  


    Najnowsze