W zależności od oświetlenia powierzchnia odpowiednio spreparowanych nanocząstek może zmieniać swoją topografię. Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN pokazali, że zaprojektowany przez nich mechanizm molekularny pozwala za pomocą światła efektywnie odsłaniać lub chować cząsteczki katalizatorów.
Za pomocą nanocząstek o powierzchni zmieniającej wygląd pod wpływem światła można łatwo i precyzyjnie sterować przebiegiem praktycznie dowolnych katalitycznych reakcji chemicznych, także tych wieloetapowych. Kluczowym elementem nowej techniki, opracowanej i zademonstrowanej przez naukowców z IChF PAN, jest mechanizm geometrycznego maskowania centrów aktywnych katalizatorów na powierzchni nanocząstek. Klasa nowych, inteligentnych materiałów z miękkiej i twardej materii, opisana w prestiżowym czasopiśmie chemicznym „ACS Catalysis”, zapowiada jakościową zmianę w zakresie prowadzenia przemysłowych reakcji katalitycznych i jest ważnym etapem w projektowaniu układów chemicznych odwzorowujących najważniejsze cechy organizmów żywych.
Współczesne katalizatory projektuje się na ogół pod kątem optymalizowania katalizowanych reakcji i zmniejszania zużycia katalizatora. Zwraca się przy tym uwagę m.in. na ich selektywność – zdolność do przyspieszania jednej, precyzyjnie wybranej reakcji. Nad tak skonstruowanymi katalizatorami nie ma jednak większej kontroli, po wprowadzeniu do roztworu zwykle działają aż do momentu ustania reakcji. Fale świetlne o energii dopasowanej do konkretnego układu są wygodnym narzędziem, które może oddziaływać na związki chemiczne w roztworach i nie zakłóca przebiegu reakcji katalitycznych. Koncepcję świetlnego sterowania aktywnością katalizatorów, zaproponowaną przez chemików z IChF PAN, a opracowaną w ramach grantu SONATA BIS Narodowego Centrum Nauki, najłatwiej zrozumieć za pomocą analogii ze słonecznikami. W ciągu dnia główka kwiatu zawsze kieruje się ku światłu, a więc ku górze, dzięki czemu przyciąga owady i ptaki. Gdy zapada noc, główka nie zwija się jednak jak u innych kwiatów. Łodyga u jej nasady po prostu się zgina, koszyczek opada i cały kwiatostan przestaje być dostępny.
– Nasz kluczowy kompleks cząsteczek zachowuje się podobnie jak słoneczniki, tyle że w skali molekularnej. Ziemią, na której nasze „słoneczniki” rosną, jest nanocząstka złota, łodygą – długa cząsteczka o charakterze organicznego liganda, jej zginającym się fragmentem – fotoprzełącznik zmieniający kształt pod wpływem światła. Sam koszyczek to właśnie katalizator. Jedyna różnica polega na tym, że nasze „słoneczniki” są trochę… nieśmiałe: chowają swoje katalityczne głowy, gdy wokół staje się jasno, a podnoszą, gdy jest ciemno – tłumaczy dr hab. Volodymyr Sashuk z IChF PAN.
Naukowcy z IChF PAN nie tylko opracowali koncepcję nowatorskiej metody kontrolowania katalizy, ale także sprawdzili ją w praktyce, budując rzeczywisty, modelowy układ chemiczny. Do jego wykonania użyto nanocząstek złota o rozmiarach trzech nanometrów i jednego z najprostszych katalizatorów: aminokwasu o nazwie prolina. Sama metoda nie narzuca jednak żadnych konkretnych ograniczeń, dlatego można użyć dowolnego innego katalizatora, funkcjonalnie przekształcając go w odmianę, której aktywnością steruje się za pomocą światła.
Sterowane światłem nanocząstki katalizujące reakcje chemiczne to nowy etap w rozwoju katalizy. Reakcje katalityczne przeprowadzano dotychczas w jednym roztworze, w którym znajdowały się niezbędne substraty i pojedynczy katalizator, teraz pojawiają się nowe możliwości. Potencjalnie ten sam roztwór może zawierać substraty dla wieloetapowych reakcji katalitycznych oraz szereg katalizatorów, każdy aktywowany światłem w odpowiednich momentach. W rezultacie w jednym naczyniu mogłoby jednocześnie przebiegać kilka reakcji składowych, wytwarzających związki chemiczne niezbędne na późniejszych etapach procesu technologicznego, na których nowa reakcja byłaby uruchamiana po zastopowaniu reakcji wcześniejszych.
– Do tej pory chemicy po zakończeniu reakcji zostawali z roztworem zawierającym i produkt, i katalizator. Usunięcie tego ostatniego nierzadko wiązało się z koniecznością opracowania dodatkowych etapów technologicznych. W naszej metodzie katalizator jest osadzony na nanocząstkach. Po zakończeniu reakcji wystarczyłoby wtedy przyciągnąć nanocząstki na spód naczynia, gdzie można byłoby je łatwo odseparować od właściwego produktu – mówi doktorant Grzegorz Sobczak z IChF PAN.
Naukowcy z IChF PAN wciąż poszukują pomysłów na konkretne zastosowanie ich koncepcji.
JK
(Źródło: IChF PAN)