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 كمهندس صوت محترف، كما يُعرّف نفسه، لا يقتصر اهتمامه على التفاعلات التي تنشأ داخله فحسب، بل يشمل أيضاً إثارة تفاعلات جديدة.
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 بتصميم عامل حفاز لتوجيه التفاعل المطلوب، وقد تحقق ذلك. فعلى سبيل المثال، يمكن تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى حمض الفورميك أو الميثانول أو الفورمالديهايد عن طريق اختيار العامل الحفاز المناسب وتجربة ظروف التفاعل.
قال كايل لانكستر، أستاذ الكيمياء والكيمياء الحيوية (كلية الآداب والعلوم) وعضو هيئة التدريس في جامعة كونغ، إن نهج كونغ يتوافق تمامًا مع نهج لانكستر "القائم على الاكتشاف". وأضاف لانكستر: "كانت لدى ريتشارد فكرة استخدام القصدير لتحسين تفاعلاته الكيميائية، وهو أمر لم يكن ضمن خطتي أبدًا. إنه عامل مساعد للتحويل الانتقائي لثاني أكسيد الكربون إلى مادة أكثر قيمة، وثاني أكسيد الكربون يتعرض لانتقادات كثيرة".
اكتشف كونغ وزملاؤه مؤخراً نظاماً يمكنه، في ظل ظروف معينة، تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى حمض الفورميك.
قال كونغ: "مع أننا لا نزال بعيدين عن أحدث التقنيات في مجال التفاعلات الكيميائية، إلا أن نظامنا قابل للتعديل بدرجة كبيرة. لذا يمكننا البدء في فهم أعمق لأسباب عمل بعض المحفزات بشكل أسرع من غيرها، ولماذا تتفوق بعضها بطبيعتها. يمكننا تعديل خصائص المحفزات ومحاولة فهم ما يجعلها تعمل بشكل أسرع، فكلما زادت سرعة عملها، كان ذلك أفضل - إذ يُمكننا إنتاج الجزيئات بشكل أسرع."
ويقول كونغ إنه يعمل أيضاً، بصفته زميلاً في برنامج كلارمان، على تحويل النترات، وهي سموم شائعة تتسرب إلى المجاري المائية، من البيئة إلى مادة غير ضارة.
أجرى كونغ تجارب باستخدام معادن أرضية شائعة 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.
قال كونغ: "نعمل أيضاً على اكتشاف كيفية صنع محفزات تتفاعل فيها اثنتان من هذه المعادن مع بعضهما البعض. باستخدام معدنين في البنية، ما نوع التفاعلات والأسئلة المثيرة للاهتمام التي يمكننا الحصول عليها من الأنظمة ثنائية المعدن؟" "تفاعل كيميائي؟"
بحسب كونغ، فإن السقالات هي البيئة الكيميائية التي تتواجد فيها هذه المعادن.
على مدى السنوات السبعين الماضية، كان المعيار هو استخدام مركز معدني واحد لتحقيق التحولات الكيميائية، ولكن في العقد الأخير تقريبًا، بدأ الكيميائيون في هذا المجال باستكشاف التفاعلات التآزرية بين معدنين مرتبطين كيميائيًا أو متجاورين. قال كونغ: "هذا يمنحك 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، يمكن لمركز معدني يرتبط بشكل ضعيف بالركيزة ولكنه يكسر الروابط جيدًا أن يعمل مع مركز معدني آخر يكسر الروابط بشكل ضعيف ولكنه يرتبط جيدًا بالركيزة. كما يؤثر وجود المعدن الثاني على خصائص المعدن الأول.
قال كونغ: "يمكنك البدء في الحصول على ما نسميه التأثير التآزري بين المركزين المعدنيين. بدأت بعض التفاعلات الفريدة والرائعة حقًا في الظهور في مجال التحفيز ثنائي المعدن."
قال كونغ إن هناك الكثير من الغموض لا يزال يكتنف كيفية ارتباط المعادن ببعضها البعض في الأشكال الجزيئية. وقد أبدى إعجابه بجمال الكيمياء نفسها بقدر إعجابه بالنتائج. وقد تم استدعاء كونغ إلى مختبر لانكستر لما يتمتع به من خبرة في مطيافية الأشعة السينية.
قال لانكستر: "إنها علاقة تكافلية. فقد ساعد التحليل الطيفي بالأشعة السينية ريتشارد على فهم ما يكمن في باطن المادة وما الذي يجعل القصدير شديد التفاعل وقادرًا على هذا التفاعل الكيميائي. ونحن نستفيد من معرفته الواسعة بكيمياء العناصر الرئيسية، والتي فتحت آفاقًا جديدة في هذا المجال."
وقال كونغ إن الأمر كله يتعلق بالكيمياء الأساسية والبحث، وهو نهج أصبح ممكناً بفضل زمالة كلارمان المفتوحة.
قال: "عادةً ما أستطيع إجراء التفاعل في المختبر أو الجلوس أمام الكمبيوتر لمحاكاة الجزيء. نحن نحاول الحصول على صورة كاملة قدر الإمكان للنشاط الكيميائي."