تحدث التفاعلات الكيميائية من حولنا طوال الوقت - وهذا واضح عندما تفكر في الأمر، ولكن كم منا يقوم بذلك عندما نشغل سيارة، أو نسلق بيضة، أو نسمد حديقتنا؟
يُفكّر خبير التحفيز الكيميائي ريتشارد كونغ في التفاعلات الكيميائية. وفي عمله كـ"مُعدِّل محترف"، كما يُعبّر عن نفسه، لا يقتصر اهتمامه على الاستجابات التي تنشأ من تلقاء نفسها، بل يشمل أيضاً تحديد الاستجابات الجديدة.
بصفته زميلًا في برنامج كلارمان للكيمياء وعلم الأحياء الكيميائي في كلية الآداب والعلوم، يعمل كونغ على تطوير محفزات تدفع التفاعلات الكيميائية نحو النتائج المرجوة، مما يخلق منتجات آمنة بل وذات قيمة مضافة، بما في ذلك تلك التي يمكن أن يكون لها تأثير إيجابي على صحة الإنسان. الأربعاء.
قال كونغ: "يحدث قدر كبير من التفاعلات الكيميائية تلقائياً"، مشيراً إلى انبعاث ثاني أكسيد الكربون عند احتراق الوقود الأحفوري في السيارات. "لكن التفاعلات الكيميائية الأكثر تعقيداً لا تحدث تلقائياً. وهنا يأتي دور التحفيز الكيميائي".
قام كونغ وزملاؤه بتطوير محفزات لتوجيه التفاعلات التي أرادوا حدوثها. على سبيل المثال، يمكن تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى حمض الفورميك أو الميثانول أو الفورمالديهايد عن طريق اختيار المحفز المناسب وتجربة ظروف التفاعل.
بحسب كايل لانكستر، أستاذ الكيمياء وعلم الأحياء الكيميائي (كلية الآداب والعلوم) ومدير جلسة كونغ، فإن منهج كونغ يتوافق تمامًا مع نهج مختبر لانكستر القائم على الاكتشاف. يقول لانكستر: "كانت لدى ريتشارد فكرة استخدام القصدير لتحسين تفاعلاته الكيميائية، وهو أمر لم يكن ضمن خطتي أبدًا. لديه محفز قادر على تحويل ثاني أكسيد الكربون، الذي يُثار حوله الكثير من الجدل في الصحافة، إلى مادة ذات قيمة أكبر."
اكتشف كونغ وزملاؤه مؤخراً نظاماً يمكنه، في ظل ظروف معينة، تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى حمض الفورميك.
قال كونغ: "مع أننا لم نصل بعد إلى أحدث التقنيات في مجال الاستجابة، إلا أن نظامنا قابل للتخصيص بدرجة عالية. وبهذه الطريقة، يمكننا البدء في فهم أعمق لأسباب عمل بعض المحفزات بشكل أسرع من غيرها، ولماذا تُعد بعض المحفزات أفضل بطبيعتها. يمكننا تعديل معايير المحفزات ومحاولة فهم ما يجعلها تعمل بشكل أسرع، لأنه كلما زادت سرعة عملها، زادت كفاءتها، وبالتالي زادت سرعة إنتاج الجزيئات."
وقال إن كونغ، بصفته زميلاً في برنامج كلارمان، يعمل أيضاً على إزالة النترات، وهي سماد شائع يتسرب بشكل سام إلى المجاري المائية، من البيئة وتحويلها إلى مواد أكثر ضرراً.
أجرى كونغ تجارب باستخدام معادن موجودة في الأرض، مثل الألومنيوم والقصدير، كمحفزات. وقال إن هذه المعادن رخيصة وغير سامة ومتوفرة بكثرة في قشرة الأرض، لذا فإن استخدامها لن يطرح أي مشاكل تتعلق بالاستدامة.
وقال كونغ: "نعمل أيضاً على كيفية صنع محفزات تتفاعل فيها فلزات مع بعضها البعض. باستخدام فلزات في هيكل واحد، ما هي التفاعلات والعمليات الكيميائية المثيرة للاهتمام التي يمكننا الحصول عليها من الأنظمة ثنائية الفلزات؟"
قال كونغ: "الغابات هي البيئة الكيميائية التي تحتوي على هذه المعادن - فهي ضرورية لإطلاق إمكانات هذه المعادن للقيام بعملها، تمامًا كما تحتاج إلى الملابس المناسبة للطقس المناسب".
على مدى السنوات السبعين الماضية، كان المعيار المتبع هو استخدام مركز معدني واحد لتحقيق التحولات الكيميائية، ولكن في العقد الأخير تقريبًا، بدأ الكيميائيون في هذا المجال بدراسة اتحاد معدنين، سواءً كان ذلك كيميائيًا أو متجاورين. أولًا، كما يقول كونغ، "يمنحك ذلك مزيدًا من درجات الحرية".
يقول كونغ إن هذه المحفزات ثنائية المعدن تمنح الكيميائيين القدرة على دمج المحفزات المعدنية بناءً على نقاط قوتها وضعفها. فعلى سبيل المثال، قد يعمل مركز معدني ضعيف الارتباط بالمواد المتفاعلة ولكنه قوي في كسر الروابط مع مركز معدني آخر ضعيف في كسر الروابط ولكنه قوي في الارتباط بالمواد المتفاعلة. كما يؤثر وجود المعدن الثاني على خصائص المعدن الأول.
قال كونغ: "يمكنك البدء في الحصول على ما نسميه التأثير التآزري بين المركزين المعدنيين. لقد بدأ مجال التحفيز ثنائي المعدن بالفعل في إظهار بعض التفاعلات الفريدة والرائعة حقًا."
قال كونغ إن هناك العديد من الجوانب الغامضة التي لا تزال تحيط بكيفية ارتباط المعادن ببعضها في المركبات الجزيئية. وقد أبدى إعجابه بجمال الكيمياء نفسها بقدر إعجابه بالنتائج. وقد تم استقدام كونغ إلى مختبرات لانكستر لما تتمتع به من خبرة في مطيافية الأشعة السينية.
قال لانكستر: "إنها علاقة تكافلية. لقد ساعد التحليل الطيفي بالأشعة السينية ريتشارد على فهم ما كان يحدث خلف الكواليس وما الذي يجعل القصدير شديد التفاعل وقادرًا على هذا التفاعل الكيميائي. لقد استفدنا من معرفته الواسعة بكيمياء العناصر الرئيسية، مما فتح الباب أمام المجموعة إلى مجال جديد."
يقول كونغ إن الأمر كله يتعلق بالكيمياء الأساسية والبحث، وهذا النهج أصبح ممكناً بفضل منحة كلارمان المفتوحة.
قال: "في يوم عادي، يمكنني إجراء التفاعلات في المختبر أو الجلوس أمام جهاز كمبيوتر لمحاكاة الجزيئات. نحن نحاول الحصول على صورة كاملة قدر الإمكان للنشاط الكيميائي."