211service.com
Een nieuw type katalysator
Voor het eerst hebben scheikundigen katalysatoren ontworpen die worden geactiveerd door mechanische belasting. Ingebed in zelfherstellende coatings, kunnen dergelijke katalysatoren reparatiereacties initiëren wanneer ze worden bekrast of gestrest. De mechanisch geactiveerde katalysatoren kunnen ook toepassingen vinden in de industrie om de opbrengsten van kunststoffen, medicijnen en andere stoffen te verbeteren.
De mechanisch geactiveerde katalysatoren zijn ontworpen door: Rint Sijbesma , hoogleraar scheikunde aan de Technische Universiteit Eindhoven, in Nederland, en worden vandaag beschreven in het tijdschrift Natuurchemie . Sommige bestaande katalysatoren kunnen worden geactiveerd door warmte- of lichtpulsen, waardoor scheikundigen meer controle hebben over het verloop van chemische reacties. Maar de nieuwe katalysatoren zijn het eerste voorbeeld van katalysatoren die worden geactiveerd door mechanische spanningen.
De katalysatoren van Sijbesma profiteren van een eigenschap van polymeren die chemici al jaren kennen. Wanneer polymeren worden blootgesteld aan voldoende kracht, worden ze strak getrokken en de spanning zorgt ervoor dat chemische bindingen breken. Waar de binding breekt, is echter moeilijk te controleren. Sijbesma ontwierp op koolstof gebaseerde polymeren die twee katalysatoren bevatten die worden overbrugd door een metaalatoom. In deze toestand zijn de katalysatoren inactief. De koolstof-metaalbinding is de zwakste van het polymeer en onder stress is het degene die breekt, waardoor actieve katalytische sites achterblijven.
De koppeling tussen mechanische energie en chemie blijft minder goed ontwikkeld dan bijvoorbeeld foto-, thermische of elektrische energie, zegt Jeffrey Moore , een professor in de chemie aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. In 2007 was Moore de eerste die een reactie demonstreerde die was ontworpen om te worden geïnitieerd door mechanische spanningen. Maar deze reactie had geen katalysator en kan maar één keer plaatsvinden. Als de katalysator van Sijbesma eenmaal is geactiveerd, kan deze keer op keer reacties veroorzaken. Het komt zelden voor dat nieuwe chemische concepten van zo'n fundamentele aard worden ontdekt en gedemonstreerd, zegt Moore.
De Eindhovense onderzoekers toonden mechanische activering van katalysatoren aan voor verschillende bekende reacties, waaronder een die wordt gebruikt bij de synthese van biobrandstoffen, een die wordt gebruikt om koolstofringen te sluiten tijdens de productie van geneesmiddelen en een andere die wordt gebruikt om dergelijke ringen te openen voor het maken van duurzame kunststoffen.
Dit is een interessante toepassing van mechanisch-chemische technieken, zegt Robert Grubbs , hoogleraar scheikunde aan Caltech en winnaar van de Nobelprijs voor scheikunde 2005, die niet betrokken was bij het Eindhovense werk. In principe zou het toepassingen kunnen vinden in de katalyse, zegt Grubbs. Hoe meer instrumenten scheikundigen tot hun beschikking hebben om het verloop van reacties te verfijnen, hoe efficiënter de chemische productie kan zijn, zegt Alshakim Nelson, een chemicus bij IBM. Onderzoekscentrum Almaden . Het geeft ons een andere knop om af te stemmen, zegt hij.
Sijbesma zegt dat de eerste toepassingen van de katalysatoren waarschijnlijk zijn in zelfherstellende materialen en stresssensoren. De aanwezigheid van veel spanning in een materiaal geeft aan dat het op het punt staat te mislukken, zegt hij. Onze spanningsgevoelige katalysatoren kunnen op dit signaal reageren door een polymerisatiereactie te starten die het materiaal precies op de plaats en op het moment dat het nodig is, versterkt. Zelfherstellende coatings zouden voorkomen dat auto's, schepen en bruggen roesten zonder dat deze vaak opnieuw moeten worden aangebracht.
Hoewel dit werk opwindend is, bevindt het zich nog in de beginfase, waarschuwt Moore. De katalysatoren werden gedemonstreerd in vloeibare oplossingen, waarbij ultrasone pulsen de mechanische spanning leverden. Er is nog steeds een aanzienlijke kloof tussen de activering van ultrageluid in oplossing en de ontwikkeling van een mechanisch reagerend materiaal, zegt Moore.