Styring af katalytiske reaktioner ved at ændre nanooverflader

Skift nanopartiklers ansigt, og du vil herske over kemien! Afhængig af belysningen, overfladerne af passende udformede nanopartikler kan ændre deres topografi. Forskere fra Institute of Physical Chemistry ved det polske videnskabsakademi har vist, at den molekylære mekanisme, de har designet, gør det muligt effektivt at afdække eller skjule katalysatormolekyler ved hjælp af lys. Den teknik, de præsenterer, fører til kvalitativt nye muligheder for at kontrollere forløbet af kemiske reaktioner.

Brug af nanopartikler med overflader, der ændrer udseende under påvirkning af lys, det er muligt nemt og præcist at kontrollere forløbet af praktisk talt alle katalytiske kemiske reaktioner, inklusive dem med mange stadier. Et nøgleelement i den nye teknik, udviklet og demonstreret af forskere fra Institut for Fysisk Kemi ved det polske videnskabsakademi (IPC PAS) i Warszawa, er mekanismen for geometrisk maskering af aktive katalysatorcentre på overfladerne af nanopartikler. Denne klasse af nye, intelligente materialer lavet af blødt og hårdt stof, beskrevet i det prestigefyldte kemikalietidsskrift ACS katalyse , varsler en kvalitativ ændring inden for industrielle katalytiske reaktioner og er et vigtigt trin i design af kemiske systemer, der efterligner de vigtigste egenskaber ved levende organismer.

En katalysator er et stof, der forårsager en reaktion mellem specifikke kemiske forbindelser, aktivt deltagende i den og stort set vende tilbage til sin oprindelige tilstand efter dens afslutning. I dag, Katalysatorer er generelt designet til at optimere katalyserede reaktioner og reducere forbruget af katalysator. Der lægges vægt på, blandt andre, til deres selektivitet, det er, deres evne til at accelerere en, præcist valgt reaktion. Imidlertid, der er ingen stor kontrol over katalysatorer konstrueret på denne måde. Efter indføring i opløsningen virker de normalt med det samme, indtil reaktionen stopper.

Et af de mest bekvemme redskaber, der kan bruges til at påvirke kemiske forbindelser i opløsninger, er lysbølger med energier, der passer til det særlige systems egenskaber. Lys kan let indføres i hele væskens volumen, og generelt forstyrrer det ikke selve forløbet af de katalytiske reaktioner. Nu, det viser sig, at det kemiske system kan designes således, at afhængig af belysningen, det katalyserer eller katalyserer ikke forskellige kemiske reaktioner.

Konceptet med lysstyring af katalysatoraktivitet, foreslået af kemikerne fra IPC PAS, er lettest at forstå ved at lave en analogi med solsikker. Det er planter med lange, stive stængler, for enden af ​​hvilken der er en tung kurv med frø. I løbet af dagen, solsikkens hoved er altid rettet mod lyset, det er, opad - så den kan tiltrække insekter og fugle. Når natten falder på, imidlertid, hovedet krøller ikke sammen som andre blomster. Ved sin base, stilken bøjer bare, kurven falder ned, og hele blomsterstanden ophører med at være tilgængelig.

"Vores molekylære nøglekompleks opfører sig som solsikker, kun på molekylær skala. Jorden, som vores 'solsikker' vokser på, er guldnanopartiklen, stilken - et langt organisk ligandmolekyle, det bøjede fragment - en fotoswitch, der ændrer form under påvirkning af lys. Kurven er selve katalysatoren. Den eneste forskel er, at vores 'solsikker' er en lille smule... generte. De skjuler deres katalytiske hoveder, når det bliver lyst omkring dem, og de rejser dem, når det er mørkt, " forklarer Dr. Volodymyr Sashuk (IPC PAS).

I de seneste år, forskere fra IPC PAS har ikke kun udviklet konceptet med en innovativ metode til at kontrollere katalyse, men også testet det i praksis, bygge en rigtig, model kemisk system. Den blev konstrueret ved hjælp af guldnanopartikler med dimensioner på tre nanometer og en af ​​de enkleste katalysatorer:en aminosyre kaldet prolin. Selve metoden, imidlertid, ikke pålægger nogen specifikke begrænsninger, så potentielt kan enhver anden katalysator bruges, funktionelt omdanner den til en variant, hvis aktivitet styres ved hjælp af lys.

"Produktionen af ​​nanopartikler belagt med ligander med vedhæftede katalysatorpartikler er ikke særlig vanskelig, det gør det, imidlertid, kræver lidt pleje og opmærksomhed. For eksempel, forholdet mellem antallet af ligander med et katalysatormolekyle og antallet af ligander uden det er vigtige. Hvis der er for mange tomme ligander, katalysatormolekylerne har ingen steder at gemme sig fysisk, og vi kan glemme alt om kontrol, " siger ph.d.-studerende Magdalena Szewczyk (IPC PAS).

Lyskontrollerede nanopartikler, der katalyserer kemiske reaktioner, lover en ny fase i udviklingen af ​​katalyse. Så langt, de katalytiske reaktioner er typisk blevet udført i én opløsning indeholdende de nødvendige substrater og en enkelt katalysator. Nu, nye muligheder opstår. Potentielt, den samme opløsning kan indeholde substrater til flertrins katalytiske reaktioner og en række katalysatorer, hver aktiveret med lys på passende tidspunkter. Som resultat, flere komponentreaktioner, der producerer de kemikalier, der er nødvendige på senere stadier af en teknologisk proces, hvor den nye reaktion ville blive udløst, efter at de tidligere reaktioner var stoppet, kunne foregå i et fartøj ad gangen. Men det er ikke de eneste fordele ved den nye løsning.

"Indtil nu, efter reaktionen stod kemikerne tilbage med en opløsning indeholdende både produktet og katalysatoren. Fjernelse af sidstnævnte var ofte forbundet med behovet for at udvikle yderligere teknologiske trin. I vores metode, katalysatoren aflejres på nanopartikler. Potentielt, disse partikler kan justeres, så de reagerer, for eksempel, til et magnetfelt. Efter at have afsluttet reaktionen, det ville være tilstrækkeligt til at tiltrække nanopartiklerne til bunden af ​​karret, hvor de let kunne adskilles fra selve produktet, " bemærker ph.d.-studerende Grzegorz Sobczak (IPC PAS).

Fremtiden for flertrins, netop lysstyret katalyse lover at blive interessant. Den nye generation af multi-komponent blandinger kunne, for eksempel, hærder kun på brugerens krav, så det ville være muligt at fylde alle mulige forme, selv meget komplekse former, mere præcist. En populær løsning vil sandsynligvis være praktiske multi-komponent polymer klæbemidler, straks leveret i en blandet, klar til at sprede form. Dette er blot nogle af de ideer, der overvejes i dag. Forskere fra IPC PAS leder stadig efter ideer til, hvordan deres koncept kan omsættes til specifikke applikationer.