211service.com
En ny typ av katalysator
För första gången har kemister designat katalysatorer som aktiveras av mekanisk stress. Inbäddade i självläkande beläggningar kan sådana katalysatorer initiera reparationsreaktioner vid repor eller stress. De mekaniskt utlösta katalysatorerna kan också hitta tillämpningar inom industrin för att förbättra utbytet av plast, läkemedel och andra ämnen.
De mekaniskt aktiverade katalysatorerna designades av Rint Sijbesma , professor i kemi vid Eindhoven University of Technology, i Nederländerna, och beskrivs idag i tidskriften Naturkemi . Vissa befintliga katalysatorer kan aktiveras av värme- eller ljuspulser, vilket ger kemister större kontroll över förloppet av kemiska reaktioner. Men de nya katalysatorerna är det första exemplet på katalysatorer som aktiveras av mekaniska påfrestningar.
Sijbesmas katalysatorer drar fördel av en egenskap hos polymerer som kemister har känt till i många år. När polymerer utsätts för tillräckligt stor kraft dras de spända och spänningen gör att kemiska bindningar bryts. Var bandet bryts är dock svårt att kontrollera. Sijbesma designade kolbaserade polymerer som innehåller två katalysatorer överbryggade av en metallatom. I detta tillstånd är katalysatorerna inaktiva. Kol-metallbindningen är polymerens svagaste, och under stress är det den som bryts och lämnar efter sig aktiva katalytiska platser.
Kopplingen mellan mekanisk energi och kemi är fortfarande mindre väl utvecklad än till exempel foto, termisk eller elektrisk energi, säger Jeffrey Moore , professor i kemi vid University of Illinois i Urbana-Champaign. År 2007 var Moore först med att demonstrera en reaktion utformad för att initieras av mekaniska påfrestningar. Men denna reaktion involverade inte en katalysator och kan bara hända en gång. När Sijbesmas katalysator väl är aktiverad kan den få reaktioner att hända om och om igen. Det är sällsynt att nya kemiska koncept av så grundläggande karaktär avslöjas och demonstreras, säger Moore.
Forskarna i Eindhoven visade mekanisk aktivering av katalysatorer för flera välkända reaktioner, inklusive en som används i biobränslesyntes, en som används för att stänga kolringar under tillverkningen av läkemedel och en annan används för att öppna sådana ringar för att tillverka hållbara plaster.
Detta är en intressant tillämpning av mekano-kemiska tekniker, säger Robert Grubbs , professor i kemi vid Caltech och vinnare av 2005 års Nobelpris i kemi, som inte var involverad i Eindhoven-arbetet. I princip kan den hitta tillämpningar inom katalys, säger Grubbs. Ju fler verktyg kemister har till sitt förfogande för att finjustera reaktionernas fortskridande, desto effektivare kan kemisk produktion bli, säger Alshakim Nelson, kemist på IBM:s Almadens forskningscenter . Det ger oss ytterligare en ratt att stämma, säger han.
Sijbesma säger att katalysatorernas tidigaste användningsområden sannolikt kommer att vara i självläkande material och stresssensorer. Förekomsten av mycket stress i ett material tyder på att det är på väg att misslyckas, säger han. Våra stresskänsliga katalysatorer kan reagera på denna signal genom att starta en polymerisationsreaktion som förstärker materialet exakt på den plats och den tid det behövs. Självläkande beläggningar skulle förhindra att bilar, fartyg och broar rostar utan behov av frekventa omappliceringar.
Även om det här arbetet är spännande, är det fortfarande i ett tidigt skede, varnar Moore. Katalysatorerna demonstrerades i flytande lösningar, med ultraljudspulser som levererade den mekaniska spänningen. Det finns fortfarande ett betydande gap mellan ultraljudsaktivering i lösning och utvecklingen av ett mekanoresponsivt material, säger Moore.