At udvikle grønnere alternativer til industrikemikalier, der har en mindre indflydelse på miljøet, er ikke altid ligetil. Faktisk involverer tekniske miljøvenlige forbindelser normalt afvejninger: miljøvenlige egenskaber kommer ofte på bekostning af andre ugunstige egenskaber, som kemisk ustabilitet, til en bestemt anvendelse og tilstand.
For at tackle disse udfordringer, et team af kemiske ingeniører fra Yokohama National University, National Institute of Occupational Safety and Health, undersøgte Japan (JNIOSH) og National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) en ny tilgang. Deres fund blev offentliggjort den 6. november 2024 i tidsskriftet Kemisk kommunikation.
En sådan forbindelse, som teamet undersøgte, var ammoniumnitrat (NH4INGEN3An), en meget anvendt gødning og fremragende oxidationsmiddel eller et kemikalie, der leverer ilt under forbrænding og frigiver energi. Oxidationsmidler bruges ofte som et sprængmiddel, i militære eksplosiver og som drivmidler og pyrotekniske enheder. En kunne være et mere grønt alternativ til strøm oxiderende forbindelser, der indeholder resterende metalatomer, såsom kalium (K), strontium (SR) og kobber (Cu), der kan skade miljøet.
Desværre er en en hygroskopisk forbindelse, hvilket betyder, at den har en tendens til at absorbere fugt fra luften, hvilket kan ændre forbrændingsadfærd for brændbare materialer ved hjælp af en AS -oxidation. Derudover kan en kan ændre faser og følgelig volumener, ligesom vand kan ændre faser fra is til vand, hvilket komplicerer opbevaring og påvirker brændende opførsel.
For at overvinde disse problemer anvendte forskerne en kokrystallisationsteknik til at reducere hygroskopiciteten af forbindelsen og eliminere faseovergange.
“Kokrystallisering har potentialet til at nul eller lette ulemper ved et stof. Det kan bidrage til anvendelsen af materialer, der ikke tidligere er blevet anvendt og lette design af materialer med ønskede egenskaber, såsom mere miljøvenlige forbindelser,” sagde Mieko Kumasaki, Professor i Det Fakultet for Miljø- og Informationsvidenskab ved Yokohama National University og forfatter af forskningsdokumentet.

Til denne særlige kokrystallisationsproces kombinerede ingeniørerne aminosyreglycinet (GLY), en byggesten af proteiner, med en til dannelse af kokrystaller. De molekylære interaktioner mellem AN og glycinmolekyler i krystallerne mindsker interaktionen mellem enten molekyle med vand i luften, faldende hygroskopicitet og øger stabiliteten af molekylerne, eliminerer faseovergange. Alternativt ville andre strategier, såsom belægning eller fasestabilisering med salt eller organiske molekyler, kun løse hygroskopicitet eller faseovergange – ikke begge dele.
Et andet laboratorium havde tidligere kokrystalliseret en med sarkosin (SAR), en anden aminosyre. Denne AN/SAR Cocrystal har imidlertid en meget negativ iltbalance (OB) på -61%, hvilket betyder, at AN/SAR -kokrystallen indeholder mindre ilt, end det kræves for fuldt ud at oxidere dets kulstof- og brintatomer under forbrænding. Ideelt set ville romanen en kokrystaller udviklet af teamet have en OB så tæt på 0 som muligt, hvilket gør den mere egnet som et energisk materiale.
Holdet valgte Gly at kombinere med en As Cocrystal på grund af dets få kulstof- og hydrogenatomer: Gly indeholder kun et kulstof og tre brintatomer sammenlignet med sarkosinas tre carbonatomer og syv brintatomer. Denne strategi reducerede mængden af ilt, der kræves for fuldt ud at oxidere carbon- og brintatomerne i AN/Gly -kokrystallen, hvilket bragte OB ned til -17%.
Heldigvis lykkedes det kokrystallisation af en og Gly både at reducere hygroskopiciteten af en og øge stabiliteten af molekylerne, hvilket eliminerede temperaturinducerede faseovergange. Det er vigtigt, at AN/Gly -kokrystaller også er stabile nok til at bestå friktionsfølsomhedstest, hvilket betyder, at krystallerne er tilstrækkeligt sikre til håndtering.
“Vores forskning sigter mod at skabe sikker, lav følsomhed og miljøvenligt energiske materialer med ønskede energiudgivelsespræstationsegenskaber. Vores ultimative mål er at udvikle den metode, der kræves for at designe og fremstille sådanne materialer,” sagde Kumasaki.
Den første forfatter af forskningsdokumentet er Kazuki Inoue fra Graduate School of Environment and Information Sciences ved Yokohama National University i Yokohama, Japan. Andre bidragydere inkluderer Yosuke Nishiwaki fra National Institute of Occupational Safety and Health, Japan (Jniosh); Shinya Matsumoto fra Fakultet for Miljø- og Informationsvidenskab ved Yokohama National University; og Ken Okada fra Research Institute of Science for Safety and Sustainability ved National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) i Tsukuba, Japan.