Wielkopolskie Centrum Zaawansowanych Technologii będzie prowadzić badania nad syntezą biomateriałów z udziałem chemików, fizyków, biotechnologów, farmaceutów i przedstawicieli innych specjalności w celu otrzymywania np. leków nowej generacji, agrochemikaliów czy materiałów optoelektronicznych.

Renesans chemii

Artur Wolski

Zaczęło się od wielkich haseł: chemia leczy, żywi, buduje. To dzięki chemii ruszyła przecież na masową skalę produkcja nawozów czy tworzyw sztucznych. Nikt jednak 60 lat temu nie myślał o skutkach tego cywilizacyjnego przyspieszenia – mówi prof. Bogdan Marciniec z Wydziału Chemii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu. Wszystko, co naturalne, poszło w kąt. Każdy marzył o przedmiotach wykonanych z plastiku, a zakłady pracowały pełną parą, aby zaspokoić ciągle rosnące zapotrzebowanie rynku. Pamiętajmy, że był to również czas ogromnego popytu na wszystko. Zniszczenia wojenne, straty w majątku gospodarczym, szybka potrzeba odbudowy wymuszały decyzje, głównie polityczne, wielkiego przyspieszenia. Chemia stała się siłą napędową ówczesnej cywilizacji, a chemicy królami nauki.

Mijały jednak lata. Zachwyt nad chemią spadał, aby osiągnąć stan, który sprowadzić można do określenia: chemia smrodzi, zabija i truje. Coraz częściej zadawano pytania: co pozostawimy następnym pokoleniom i czy rozwój na potrzeby człowieka może w tak ogromnym stopniu niszczyć jego naturalne środowisko? Klub Rzymski – międzynarodowa organizacja założona w 1968 roku, zrzeszająca naukowców, polityków i biznesmenów, zajmująca się badaniem i publikowaniem globalnych problemów świata, w tym również związanych z zagrożeniami środowiska – biła na alarm. Już w 1972 roku raport o Granicach wzrostu przygotowany dla Klubu Rzymskiego zwracał uwagę na groźbę globalnej katastrofy ekologicznej. Blask wielkiej gwiazdy nauki, jaką była wówczas chemia, zaczął pokrywać się powoli patyną. Dopiero ostatnie lata zapowiadają jej ponowny renesans, jako zielonej chemii. Dlaczego?

Z wodzirejem

Prof. Bogdan Marciniec, tegoroczny laureat nagród: ministra nauki i szkolnictwa wyższego oraz Nagrody Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, twierdzi, że rozwój cywilizacyjny i ciągle rosnące potrzeby człowieka wymuszają na nauce opracowywanie i otrzymywanie różnorodnych związków, będących punktem wyjścia do wytwarzania nowych produktów. Poprzeczkę postawiono badaczom jednak bardzo wysoko. Owszem, nowe produkty – tak, ale powstające przy ich produkcji odpady – nie! I to stało się głównym założeniem zielonej chemii, nauki przyszłości. Dlatego też podstawowym celem badań jest poszukiwanie oryginalnych dróg syntez dzięki procesom katalitycznym związków chemicznych (głownie organicznych) o specjalnych właściwościach, które są podstawą (nano−) materiałów lub biomateriałów. Prof. Marciniec uważa, że dzięki tym nowym reakcjom w chemii związków krzemu, boru i germanu, otrzymywane produkty wykazują bardzo cenne właściwości. Są trwalsze, mają większą odporność termiczną i dłużej służą konsumentowi. Uczony dodaje, że procesy te mogą być też szeroko stosowane np. w produkcji bio− czy nanomateriałów.

Dane z ostatniego okresu mówią, że ponad 20 proc. światowej produkcji jest związane z przemysłem chemicznym. Warto więc spytać: co jest największym wyzwaniem współczesnej chemii? Odpowiedź brzmi: selektywność i wydajność procesów, które umożliwia kataliza. Dziś jedna cząsteczka potrafi kontrolować miliony, a nawet miliardy cząsteczek. Znajomość struktur poszczególnych związków chemicznych, substratów i samego katalizatora pozwala przewidzieć oddziaływanie cząsteczek „z wodzirejem”, który na tej drodze przyspiesza otrzymywanie zupełnie nowych produktów, mogących się stać prekursorami zupełnie nowych materiałów, związków o nowych właściwościach. I to jest właśnie siłą katalizy. Dziś jest ona jednym z najważniejszych działów wielkiej syntezy organicznej. O ważności i rozmiarach tego działu dowodzi literatura patentowa ostatnich lat oraz narastająca z roku na rok literatura nowoczesnej syntezy. Reakcje katalityczne służą również w wielkim przemyśle nieorganicznym do wytwarzania podstawowych w przemyśle chemicznym produktów: kwasu siarkowego, wodoru, amoniaku, kwasu azotowego.

W chemii związków krzemoorganicznych z kolei powszechne zastosowanie w przemyśle znalazły procesy hydrosililowania katalizowane kompleksami metali. Służą one przede wszystkim do syntezy silanowych środków sprzęgających, do sieciowania kauczuków silikonowych i modyfikacji nanonapełniaczy. Pierwsza książka prof. Bogdana Marcińca poświęcona procesom hydrosililowania określana jest w środowisku chemików i studentów mianem „biblii hydrosililowania”. Poprzez reakcje hydrosililowania można przyłączyć do tych polimerów podstawniki organiczne o niemal dowolnej strukturze, otrzymując m.in.: środki powierzchniowo czynne, materiały do kitów i uszczelnień czy oleje oraz ciecze hydrauliczne.

Szycie na miarę

Warto przypomnieć, że Amerykanie Robert H. Grubbs z California Institute of Technology, Richard R. Schrock z Massachusetts Institute of Technology oraz Francuz Yves Chauvin z Institut Francais du Petrole, dostali Nagrodę Nobla (2005) za wkład w badania nad reakcją metatezy olefin w syntezie organicznej. Amerykanie opracowali katalizatory, czyli kompleksy metali przejściowych, najczęściej molibdenu i wolframu (Schrock) lub karbenowe rutenu (Grubbs), Chauvin natomiast stworzył wcześniej teorię przeprowadzania metatezy dzięki katalizatorom. Reakcja metatezy olefin prowadzi do uzyskania związku organicznego. Katalizatory Grubbsa i Schrocka umożliwiają otrzymywanie bardzo skomplikowanych związków chemicznych o doskonałej jakości. Dzięki tym katalizatorom reakcja tworzenia związku zachodzi szybciej. Jej efektem jest związek czysty, bez żadnych produktów ubocznych, czyli odpadów chemicznych. Ten sposób działania daje całkowitą kontrolę nad reakcją, można ją zaprogramować w takim kierunku, w jakim się chce i sprawić, że powstanie dokładnie to, czego sobie życzymy. Sami chemicy żartobliwie nazywają to procesem „szycia na miarę”.

Nastąpiła też zmiana sposobu pracy i badań w chemii. Liczące się ośrodki naukowe stawiają na prace w multizespołach, które wiedzą, co można otrzymać poprzez reakcje katalityczne i jak spożytkować to, co powstanie. Teraz poszukuje się już reakcji prowadzących do produktów o zaprogramowanych właściwościach, czyli procesy już na etapie badań są uzgadniane z odbiorcą rynkowym określonego produktu. Wydaje się, że współczesna chemia znalazła drogę do przemysłu. Badania, nawet te podstawowe, prowadzić można pod kątem możliwości i potrzeb rynku. To on jest kreatorem konkretnych zamówień, nad którymi pracują międzynarodowe konsorcja skupiające najlepszych badaczy.

Polska ma ogromny potencjał młodych, zdolnych i dobrze wykształconych ludzi, pełnych zapału do pracy. Aby nie dopuścić do odpływu za granicę tej fachowej siły, tworzy się interdyscyplinarne centra naukowe, które stwarzają młodym pracownikom nauki doskonałe warunki badawcze, oferując najnowszą aparaturę laboratoryjną i opiekę znanych i cenionych na świecie mistrzów. Prof. Bogdan Marciniec ma pomysł na taką placówkę – Wielkopolskie Centrum Zaawansowanych Technologii. Powstaje ono ze środków europejskich i będzie prowadzić badania nad syntezą nowych materiałów, biomateriałów na drodze chemicznej i biotechnologicznej z udziałem chemików, fizyków, biotechnologów, farmaceutów i przedstawicieli innych specjalności w celu otrzymywania np. leków nowej generacji, agrochemikaliów czy materiałów optoelektronicznych. Będzie to konsorcjum pięciu najlepszych poznańskich uczelni, czterech instytutów PAN, dwóch instytutów resortowych i Poznańskiego Parku Naukowo−Technologicznego. Projekt jest już realizowany od dwóch lat, a zakończenie planuje się na 2013 r.

Ambicją organizatorów jest to, aby centrum stało się filią Europejskiego Instytutu Technologicznego, gdzie miejsca pracy znajdzie ponad 200 osób na dobrze płatnych kontraktach. Budowa ośrodka zajmującego powierzchnię 20 tys. m2, łącznie z aparaturą ma kosztować 70 mln euro.

Nową rolą chemii, realizowaną już w takich centrach, będzie planowanie układów, które potrafią wytworzyć, zapisać, segregować i przenosić informację w sposób celowy, wykorzystując do tego opisane wcześniej procedury. Jej efekty praktyczne mogą nie być widoczne w najbliższej przyszłości, ale stwarzają szansę na przygotowanie zupełnie nowych materiałów do zastosowania np. w zaawansowanej elektronice. Tak więc, kto wie, czy po zatoczonym kole historii chemia XXI wieku znów nie będzie leczyć, żywić i budować.