10.12.2018
PL EN
25.05.2018 aktualizacja 28.05.2018

IChF PAN: kontrola nad chemią z użyciem światła

Podobnie jak policjant sterujący ruchem samochodów różnych marek i typów, nanocząstki pokryte reagującymi na światło katalizatorami mogą kontrolować przebieg wielu reakcji chemicznych jednocześnie. Ideę nowej metody zarządzania przebiegiem reakcji chemicznych prezentują Magdalena Szewczyk i Grzegorz Sobczak, doktoranci Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski) Podobnie jak policjant sterujący ruchem samochodów różnych marek i typów, nanocząstki pokryte reagującymi na światło katalizatorami mogą kontrolować przebieg wielu reakcji chemicznych jednocześnie. Ideę nowej metody zarządzania przebiegiem reakcji chemicznych prezentują Magdalena Szewczyk i Grzegorz Sobczak, doktoranci Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

Mechanizm molekularny zaprojektowany przez naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN pozwala za pomocą światła efektywnie odsłaniać lub chować cząsteczki katalizatorów - co stwarza zupełnie nowe możliwości kontrolowania przebiegu reakcji chemicznych.

Za pomocą nanocząstek o powierzchni zmieniającej wygląd pod wpływem światła można łatwo i precyzyjnie sterować przebiegiem praktycznie dowolnych katalitycznych reakcji chemicznych, także tych wieloetapowych. Kluczowym elementem nowej techniki, opracowanej i zademonstrowanej przez naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) w Warszawie, jest mechanizm geometrycznego maskowania centrów aktywnych katalizatorów na powierzchni nanocząstek.

Klasa nowych, inteligentnych materiałów z miękkiej i twardej materii opisana została w prestiżowym czasopiśmie chemicznym "ACS Catalysis" (DOI: 10.1021/acscatal.8b00328). Jak twierdzi IChF PAN w przesłanej PAP informacji prasowej, materiały te zapowiadają jakościową zmianę w zakresie prowadzenia przemysłowych reakcji katalitycznych i są ważnym etapem w projektowaniu układów chemicznych odwzorowujących najważniejsze cechy organizmów żywych.

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 zazwyczaj pod kątem optymalizowania katalizowanych reakcji i zmniejszania zużycia katalizatora. Zwraca się przy tym uwagę m.in. na jego selektywność - czyli zdolność do przyspieszania jednej, precyzyjnie wybranej reakcji. Nad tak skonstruowanymi katalizatorami nie ma jednak większej kontroli. Po wprowadzeniu do roztworu zwykle zaczynają one działać od razu aż do momentu ustania reakcji.

Jednym z najwygodniejszych narzędzi, za pomocą których można oddziaływać na związki chemiczne w roztworach, są fale świetlne o energii dopasowanej do właściwości konkretnego układu. Światło daje się łatwo wprowadzić w całą objętość cieczy, a przy tym na ogół nie zakłóca ono przebiegu samych reakcji katalitycznych. Teraz okazuje się, że układ chemiczny można tak zaprojektować, żeby w zależności od oświetlenia katalizował - lub nie - różne reakcje chemiczne.

Zaproponowaną przez chemików z IChF PAN koncepcję świetlnego sterowania aktywnością katalizatorów najłatwiej zrozumieć za pomocą analogii ze słonecznikami. To rośliny o długich, sztywnych łodygach, na których końcu znajduje się ciężki koszyczek z nasionami. W ciągu dnia główka słonecznika zawsze kieruje się ku światłu - a więc ku górze - dzięki czemu przyciąga owady i ptaki. Gdy zapada noc, główka nie zwija się jednak jak u innych kwiatów. Łodyga u jej nasady po prostu się zgina, koszyczek opada i cały kwiatostan przestaje być dostępny.

"Nasz kluczowy kompleks cząsteczek zachowuje się podobnie jak słoneczniki, tyle że w skali molekularnej" - tłumaczy cytowany w komunikacie prasowym dr hab. Volodymyr Sashuk z IChF PAN. "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" - dodaje.

W ostatnich latach naukowcy z IChF PAN nie tylko opracowali koncepcję nowatorskiej metody kontrolowania katalizy, ale także sprawdzili ją w praktyce: budując rzeczywisty, modelowy układ chemiczny. Do jego wykonania użyto nanocząstek złota o rozmiarach trzech nanometrów i jednego z najprostszych katalizatorów: aminokwasu o nazwie prolina. Jak jednak zapewnia w komunikacie prasowym IChF, sama metoda nie narzuca żadnych konkretnych ograniczeń, dlatego potencjalnie można użyć dowolnego innego katalizatora, funkcjonalnie przekształcając go w odmianę, której aktywnością steruje się za pomocą światła.

"Wyprodukowanie nanocząstek pokrytych ligandami z doczepionymi cząsteczkami katalizatora nie jest specjalnie trudne, wymaga jednak pewnej uwagi" - mówi cytowana w komunikacie doktorantka Magdalena Szewczyk z IChF PAN. "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".

Sterowane światłem nanocząstki katalizujące reakcje chemiczne zapowiadają nowy etap w rozwoju katalizy.

Reakcje katalityczne przeprowadzano dotychczas w jednym roztworze, w którym znajdowały się niezbędne substraty i pojedynczy katalizator. Sterowane światłem nanocząstki katalizujące reakcje chemiczne stwarzają nowe możliwości. Potencjalnie ten sam roztwór może zawierać substraty dla wieloetapowych reakcji katalitycznych oraz szereg katalizatorów, każdy aktywowany światłem w odpowiednich momentach. W rezultacie 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. Można byłoby zatem dokładniej wypełniać nimi wszelkiego typu formy, nawet o bardzo skomplikowanych kształtach. Popularnym rozwiązaniem mogą stać się np. wygodne w użyciu wieloskładnikowe kleje polimerowe, od razu dostarczane w zmieszanej, gotowej do rozprowadzenia postaci.

PAP - Nauka w Polsce

kflo/ ekr/

Copyright © Fundacja PAP 2018