Mokslininkai atrado būdą chemines reakcijas atlikti efektyviau

Mokslininkai atrado būdą chemines reakcijas atlikti efektyviau

Virtuvėje kai kurie ingredientai susimaišo vos palietę vienas kitą, o kitiems reikia kaitros, vandens ir nemažai kantrybės. Chemijos laboratorijose situacija dažnai dar sudėtingesnė: medžiagos turi būti ištirpintos, pašildytos, nuolat maišomos, o proceso pabaigoje lieka tirpiklių ir kitų atliekų. Tačiau vis daugiau tyrėjų eksperimentuoja su reakcijomis, kuriose svarbiausias įrankis nėra nei liepsna, nei skystis, o mechaninė jėga.

Kai chemija vyksta beveik be tirpiklio

Šis metodas vadinamas mechanochemija. Jo esmė paprasta: cheminė reakcija inicijuojama ne įprastai kaitinant medžiagas tirpale, bet jas intensyviai trinant, spaudžiant ar daužant.

Laboratorijose tam dažnai naudojami rutuliniai malūnai. Į sandarų indą suberiamos reaguojančios medžiagos ir keli kieti rutuliukai. Indas greitai judinamas, todėl rutuliukai susiduria su medžiagomis ir perduoda joms mechaninę energiją. Dėl šių smūgių dalelės susmulkinamos, padidėja jų sąlyčio plotas, o kai kuriuose taškuose susidaro itin didelis slėgis ir temperatūra.

Nors visa sistema iš pirmo žvilgsnio primena paprastą malimą, molekuliniu lygmeniu vyksta kur kas daugiau. Pažeidžiamos kristalinės struktūros, susidaro nauji reaktyvūs paviršiai, o medžiagos tampa pasirengusios jungtis tokiu būdu, kuris įprastomis sąlygomis būtų gerokai lėtesnis arba apskritai neįmanomas.

Svarbu ir tai, kad reakcijai dažnai nereikia didelio kiekio tirpiklio. Kartais pakanka vos kelių lašų skysčio, padedančio medžiagoms geriau pasiskirstyti. Ši technika vadinama skysčiu padedama mechanochemija.

Kodėl toks procesas patraukė pramonės dėmesį

Daugelyje tradicinių cheminių procesų tirpikliai sudaro didelę visos sistemos dalį. Jie reikalingi medžiagoms ištirpinti, reakcijai kontroliuoti ar produktui išgryninti. Tačiau tirpiklius vėliau reikia pašalinti, išvalyti ir utilizuoti. Tam sunaudojama energijos, o dalis medžiagų gali būti kenksmingos aplinkai.

Mechanocheminės reakcijos leidžia sumažinti šį poreikį. Kadangi medžiagos dažnai naudojamos beveik grynos, mažėja atliekų kiekis, o kai kuriais atvejais galima atsisakyti ir aukštos temperatūros. Tai ypač aktualu gaminant vaistų veikliąsias medžiagas, katalizatorius, naujas medžiagas elektronikai ar junginius, kurių sintezė įprastais metodais reikalauja kelių sudėtingų etapų.

Tyrėjai taip pat pastebi, kad mechanochemija gali padėti paspartinti reakcijas. Kietosios medžiagos paprastai susiliečia tik nedideliu paviršiaus plotu, tačiau malant dalelės nuolat atnaujinamos ir susiduria vis naujose vietose. Dėl to cheminiai ryšiai gali formuotis greičiau.

Kai kuriose reakcijose produktas susidaro per kelias minutes ar valandas, nors naudojant įprastą tirpalą procesas užtruktų gerokai ilgiau. Vis dėlto reakcijos greitis nėra vienintelis privalumas. Mažesnis tirpiklio kiekis reiškia kompaktiškesnę įrangą, paprastesnį produkto atskyrimą ir potencialiai mažesnes gamybos sąnaudas.

Ne vien senas malūnas, bet ir nauja kontrolė

Mechanochemija nėra visiškai nauja idėja. Žmonės medžiagas malė ir maišė tūkstančius metų, o mokslininkai mechaninius procesus cheminėms reakcijoms naudoja jau ne vieną dešimtmetį. Naujausia pažanga susijusi su gebėjimu tiksliau suprasti ir valdyti tai, kas vyksta uždarytame reaktoriuje.

Tyrėjai naudoja spektroskopinius metodus, slėgio ir temperatūros jutiklius, taip pat kompiuterinius modelius. Jie stebi, kiek energijos perduodama medžiagoms, kaip keičiasi dalelių struktūra ir kuriame proceso etape pradeda formuotis galutinis produktas.

Tai svarbu todėl, kad mechanocheminė reakcija gali būti jautri daugybei parametrų: rutuliukų dydžiui, jų medžiagai, malimo dažniui, indo formai, drėgmei ir net tam, kaip tiksliai į sistemą subertos žaliavos. Nedidelis skirtumas gali pakeisti rezultatą – reakcija gali sulėtėti, susidaryti nepageidaujami šalutiniai junginiai arba produktas likti prilipęs prie indo sienelių.

Todėl mokslininkai kuria automatizuotas sistemas, kurios gali savarankiškai keisti proceso sąlygas ir parinkti tinkamiausią derinį. Tokia kontrolė priartina laboratorinius eksperimentus prie realios gamybos, kur būtina užtikrinti, kad kiekviena partija būtų vienoda.

Kelias į tvaresnę chemijos pramonę dar nėra baigtas

Nepaisant vilčių, mechanochemija neišsprendžia visų chemijos pramonės problemų. Laboratorinis eksperimentas su keliais gramais medžiagos dar nereiškia, kad tą patį procesą lengvai pavyks pritaikyti gamykloje. Didėjant įrangai, sunkiau vienodai perduoti mechaninę energiją visam mišiniui. Taip pat svarbu įvertinti elektros sąnaudas, įrangos dėvėjimąsi ir galimą taršą nuo malimo priemonių.

Kai kurioms reakcijoms vis tiek reikia tirpiklių, kaitinimo ar papildomų valymo etapų. Be to, ne visos medžiagos tinkamos intensyviam mechaniniam poveikiui: dalis jų gali suirti, o kitos – sukelti per stiprią ar sunkiai kontroliuojamą reakciją.

Vis dėlto kryptis aiški. Mokslininkai ieško būdų, kaip chemiją perkelti iš didelių skysčio pripildytų reaktorių į mažesnes, tikslesnes ir mažiau atliekų sukuriančias sistemas. Mechaninė energija šioje paieškoje tampa ne grubia jėga, o kruopščiai valdoma priemone.

Jei tyrėjams pavyks patikimai išplėsti tokius procesus, ateityje kai kurių vaistų, trąšų ar pažangių medžiagų gamyba gali tapti ne tik greitesnė, bet ir švaresnė. Chemijos laboratorijoje tam gali pakakti ne didesnės liepsnos, o geriau apskaičiuoto smūgio.