Forskere ved Rice University har udviklet en ny metode til udførelse af kemiske reaktioner ved hjælp af vand i stedet for giftige opløsningsmidler. Forskerne skabte mikroskopiske reaktorer, der var i stand til at drive letdrevne kemiske processer ved at designe metalkompleks overfladeaktive stoffer (MECS), der selv samles i nanoskala-sfærer kaldet miceller. Denne innovation kunne drastisk reducere forurening i industrier, herunder farmaceutiske og materialevidenskab, hvor skadelige organiske opløsningsmidler ofte er nødvendige.
Den nye micellære teknologi repræsenterer et skridt fremad i bæredygtig kemi. Disse selvmonterede miceller dannes i vand, hvor deres hydrofobe kerner giver et unikt miljø for reaktioner, selv med materialer, der typisk er uopløselige i vand. Forskerteamet ledet af Angel Martí, professor og formand for kemi ved Rice, demonstrerede, at dette system effektivt kan udføre fotokatalytiske reaktioner, samtidig med at behovet for farlige stoffer eliminerede. Undersøgelsen er offentliggjort i Kemisk videnskab.
“Vores fund viser, hvor kraftfuldt molekylært design kan være i at tackle kemiske bæredygtighedsudfordringer, samtidig med at de opretholder høj kemisk ydeevne,” sagde Martí. “Vi har oprettet et værktøj, der kan omdanne, hvordan kemiske reaktioner udføres, hvilket reducerer miljøskader, mens den øger effektiviteten.”
Hvordan opdagelsen fungerer
Overfladeaktive stoffer er molekyler med dobbelt karakter: den ene del tiltrækkes af vand, mens den anden afviser det. Når de tilføjes til vand, danner de naturligvis miceller eller små kugler, hvor de vand-undgåelsesdele samles i midten og skaber et lille reaktionsrum. Forskerne ændrede disse overfladeaktive stoffer ved at tilføje et lysfølsomt metalkompleks til deres struktur, hvilket gjorde MECSS.
Forskerne testede forskellige versioner af MECS’erne ved at ændre længden af deres hydrofobe (vandafvisende) haler. De fandt, at disse molekyler kunne danne miceller så små som 5-6 nanometre, meget mindre end dem i lignende systemer. Holdet brugte disse miceller til at udføre en fotokatalytisk reaktion og opnå høje udbytter uden at have brug for skadelige opløsningsmidler.
“Disse miceller fungerer som små reaktionsfartøjer,” sagde Ying Chen, første forfatter af denne undersøgelse og en doktorand i kemi hos Rice. “De muliggør kemiske transformationer, der normalt ikke ville fungere i vand, mens de er mere bæredygtige end traditionelle metoder.”
Mange kemiske processer i fremstilling og forskning er afhængige af organiske opløsningsmidler, som er skadelige for miljøet og dyre at håndtere sikkert. Udviklingen af fotoaktive vandbaserede miceller, der er i stand til at drive kemiske reaktioner, giver et mere sikkert, grønnere alternativ. Derudover kan systemet genbruges og forbedre dets omkostningseffektivitet og miljøfodaftryk.
Undersøgelsen blev medforfatter af Shih-Chieh Kao og Julian West for Rice’s Department of Chemistry; Asia Matatyaho Ya’akobi og Yeshayahu Talmon fra Technion-Israel Institute of Technology; og Thao Vy Nguyen og Sibani Lisa Biswal fra Rice’s Department of Chemical and Biomolecular Engineering.