Verander het gezicht van nanodeeltjes en je zult heersen over de chemie! Afhankelijk van de verlichting, de oppervlakken van op de juiste wijze vervaardigde nanodeeltjes kunnen hun topografie veranderen. Onderzoekers van het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen hebben aangetoond dat het moleculaire mechanisme dat ze hebben ontworpen het mogelijk maakt om katalysatormoleculen effectief te ontdekken of te verbergen met behulp van licht. De techniek die ze presenteren leidt tot kwalitatief nieuwe mogelijkheden om het verloop van chemische reacties te sturen.

Nanodeeltjes gebruiken met oppervlakken die onder invloed van licht van uiterlijk veranderen, het is mogelijk om het verloop van praktisch alle katalytische chemische reacties gemakkelijk en nauwkeurig te controleren, inclusief die met veel stadia. Een belangrijk element van de nieuwe techniek, ontwikkeld en gedemonstreerd door onderzoekers van het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen (IPC PAS) in Warschau, is het mechanisme van geometrische maskering van actieve katalysatorcentra op de oppervlakken van nanodeeltjes. Deze klasse van nieuwe, intelligente materialen gemaakt van zachte en harde materie, beschreven in het prestigieuze chemische tijdschrift ACS Katalyse , luidt een kwalitatieve verandering in op het gebied van industriële katalytische reacties en is een belangrijke fase in het ontwerp van chemische systemen die de belangrijkste kenmerken van levende organismen nabootsen.

Een katalysator is een stof die een reactie veroorzaakt tussen specifieke chemische verbindingen, er actief aan deel te nemen en na voltooiing grotendeels terug te keren naar de oorspronkelijke staat. Vandaag de dag, katalysatoren zijn over het algemeen ontworpen om gekatalyseerde reacties te optimaliseren en het verbruik van katalysator te verminderen. Er wordt aandacht besteed, onder andere, aan hun selectiviteit, dat is, hun vermogen om een ​​te versnellen, precies gekozen reactie. Echter, er is geen grote controle over katalysatoren die op deze manier zijn geconstrueerd. Na introductie in de oplossing werken ze meestal onmiddellijk totdat de reactie stopt.

Een van de handigste hulpmiddelen die kunnen worden gebruikt om chemische verbindingen in oplossingen te beïnvloeden, zijn lichtgolven met energieën die geschikt zijn voor de eigenschappen van het specifieke systeem. Licht kan gemakkelijk in het volledige volume van de vloeistof worden geïntroduceerd, en in het algemeen interfereert het niet met het verloop van de katalytische reacties zelf. Nutsvoorzieningen, het blijkt dat het chemische systeem zo kan worden ontworpen dat, afhankelijk van de verlichting, het katalyseert wel of niet verschillende chemische reacties.

Het concept van lichtregeling van katalysatoractiviteit, voorgesteld door de chemici van de IPC PAS, wordt het gemakkelijkst begrepen door een analogie te maken met zonnebloemen. Dit zijn planten met lange, stijve stengels, aan het einde staat een zware mand met zaden. Tijdens de Dag, de kop van de zonnebloem is altijd naar het licht gericht, dat is, naar boven - waardoor het insecten en vogels aantrekt. Als de avond valt, echter, het hoofd krult niet op zoals andere bloemen. Aan de basis, de stengel buigt gewoon, de mand valt naar beneden en de hele bloeiwijze is niet meer toegankelijk.

"Ons belangrijkste moleculaire complex gedraagt ​​zich als zonnebloemen, alleen op moleculaire schaal. De grond waarop onze 'zonnebloemen' groeien is het gouden nanodeeltje, de stengel - een lang organisch ligandmolecuul, het buigende fragment - een fotoschakelaar die onder invloed van licht van vorm verandert. De mand is de katalysator zelf. Het enige verschil is dat onze 'zonnebloemen' een beetje... verlegen zijn. Ze verbergen hun katalytische koppen als het licht om hen heen wordt en ze heffen ze op als het donker is, " legt Dr. Volodymyr Sashuk (IPC PAS) uit.

In recente jaren, wetenschappers van het IPC PAS hebben niet alleen het concept van een innovatieve methode ontwikkeld om katalyse te beheersen, maar ook in de praktijk getest, het bouwen van een echte, model chemisch systeem. Het werd geconstrueerd met behulp van gouden nanodeeltjes met afmetingen van drie nanometer en een van de eenvoudigste katalysatoren:een aminozuur genaamd proline. De methode zelf, echter, legt geen specifieke beperkingen op, dus potentieel elke andere katalysator kan worden gebruikt, functioneel transformeren in een variant waarvan de activiteit wordt gecontroleerd door middel van licht.

"De productie van nanodeeltjes gecoat met liganden met aangehechte katalysatordeeltjes is niet bijzonder moeilijk, het doet, echter, enige zorg en aandacht nodig. Bijvoorbeeld, de verhoudingen tussen het aantal liganden met een katalysatormolecuul en het aantal liganden zonder dit zijn belangrijk. Als er te veel lege liganden zijn, de katalysatormoleculen kunnen zich nergens fysiek verbergen, en we kunnen de controle vergeten, ", zegt promovendus Magdalena Szewczyk (IPC PAS).

Lichtgestuurde nanodeeltjes die chemische reacties katalyseren, beloven een nieuwe fase in de ontwikkeling van katalyse. Zo ver, de katalytische reacties zijn typisch uitgevoerd in één oplossing die de noodzakelijke substraten en een enkele katalysator bevat. Nutsvoorzieningen, nieuwe kansen ontstaan. Mogelijk, dezelfde oplossing kan substraten voor meertraps katalytische reacties en een reeks katalysatoren bevatten, elk geactiveerd met licht op geschikte tijden. Als resultaat, verschillende componentreacties die de chemicaliën produceren die nodig zijn in latere stadia van een technologisch proces, waarbij de nieuwe reactie zou worden geactiveerd nadat de vorige reacties waren gestopt, in één vat tegelijk kan plaatsvinden. Maar dit zijn niet de enige voordelen van de nieuwe oplossing.

"Tot nu, na de reactie bleven de chemici over met een oplossing die zowel het product als de katalysator bevatte. Het verwijderen van de laatste ging vaak gepaard met de noodzaak om aanvullende technologische stappen te ontwikkelen. Bij onze methode de katalysator wordt afgezet op nanodeeltjes. Mogelijk, deze deeltjes kunnen worden aangepast zodat ze reageren, bijvoorbeeld, naar een magnetisch veld. Na het voltooien van de reactie, het zou voldoende zijn om de nanodeeltjes naar de bodem van het vat te trekken, waar ze gemakkelijk van het product zelf kunnen worden gescheiden, " merkt promovendus Grzegorz Sobczak (IPC PAS) op.

De toekomst van meertraps, precies lichtgestuurde katalyse belooft interessant te worden. De nieuwe generatie meercomponentenmengsels kunnen, bijvoorbeeld, alleen uitharden op verzoek van de gebruiker, dus het zou mogelijk zijn om allerlei vormen te vullen, zelfs zeer complexe vormen, nauwkeuriger. Een populaire oplossing zijn waarschijnlijk handige meercomponenten polymeerkleefstoffen, onmiddellijk geleverd in een gemengde, klaar om vorm te verspreiden. Dit zijn slechts enkele van de ideeën die vandaag worden overwogen. Onderzoekers van het IPC PAS zijn nog op zoek naar ideeën hoe hun concept zich zou kunnen vertalen naar specifieke toepassingen.