Ändra utseendet på nanopartiklar och du kommer att styra kemin! Beroende på belysning, ytorna på lämpligt tillverkade nanopartiklar kan ändra sin topografi. Forskare från Institutet för fysikalisk kemi vid den polska vetenskapsakademin har visat att den molekylära mekanismen de har utformat gör det möjligt att effektivt avslöja eller dölja katalysatormolekyler med hjälp av ljus. Tekniken de presenterar leder till kvalitativt nya möjligheter att kontrollera förloppet av kemiska reaktioner.

Använda nanopartiklar med ytor som ändrar utseende under påverkan av ljus, det är möjligt att enkelt och exakt kontrollera förloppet av praktiskt taget alla katalytiska kemiska reaktioner, inklusive de med många stadier. Ett nyckelelement i den nya tekniken, utvecklat och demonstrerat av forskare från Institutet för fysikalisk kemi vid den polska vetenskapsakademin (IPC PAS) i Warszawa, är mekanismen för geometrisk maskering av aktiva katalysatorcentra på nanopartiklars ytor. Denna klass av nya, intelligenta material gjorda av mjuk och hård materia, beskrivs i den prestigefyllda kemikalietidskriften ACS-katalys , förebådar en kvalitativ förändring inom området industriella katalytiska reaktioner och är ett viktigt steg i utformningen av kemiska system som efterliknar de viktigaste egenskaperna hos levande organismer.

En katalysator är ett ämne som orsakar en reaktion mellan specifika kemiska föreningar, aktivt deltagande i det och i stort sett återgå till sitt ursprungliga tillstånd efter det att det har fullbordats. Nu för tiden, Katalysatorer är i allmänhet utformade för att optimera katalyserade reaktioner och minska förbrukningen av katalysator. Uppmärksamhet ägnas, bland andra, till deras selektivitet, det är, deras förmåga att accelerera en, exakt vald reaktion. Dock, det finns ingen stor kontroll över katalysatorer konstruerade på detta sätt. Efter införande i lösningen verkar de vanligtvis omedelbart tills reaktionen upphör.

Ett av de mest bekväma verktygen som kan användas för att påverka kemiska föreningar i lösningar är ljusvågor med energier som är anpassade till det specifika systemets egenskaper. Ljus kan lätt införas i hela vätskans volym, och i allmänhet stör den inte själva förloppet av de katalytiska reaktionerna. Nu, det visar sig att det kemiska systemet kan utformas så att beroende på belysning, det katalyserar eller inte katalyserar olika kemiska reaktioner.

Konceptet med ljuskontroll av katalysatoraktivitet, föreslagit av kemister från IPC PAS, är lättast att förstå genom att göra en analogi med solrosor. Det här är växter med långa, styva stjälkar, i slutet av vilken det finns en tung korg med frön. Under dagen, solrosens huvud är alltid riktat mot ljuset, det är, uppåt – vilket gör att det lockar insekter och fåglar. När natten faller, dock, huvudet kryper inte ihop sig som andra blommor. Vid dess bas, stammen bara böjer sig, korgen faller ner och hela blomställningen upphör att vara tillgänglig.

"Vårt nyckelmolekylära komplex beter sig som solrosor, endast i molekylär skala. Jorden som våra "solrosor" växer på är nanopartikeln av guld, stammen - en lång organisk ligandmolekyl, böjningsfragmentet — en fotoswitch som ändrar form under påverkan av ljus. Korgen är själva katalysatorn. Den enda skillnaden är att våra "solrosor" är lite...skygga. De gömmer sina katalytiska huvuden när det blir ljust runt dem och de höjer dem när det är mörkt, " förklarar Dr. Volodymyr Sashuk (IPC PAS).

På senare år har forskare från IPC PAS har inte bara utvecklat konceptet med en innovativ metod för att kontrollera katalys, men också testat det i praktiken, bygga en riktig, modell kemiskt system. Den konstruerades med hjälp av guldnanopartiklar med dimensioner på tre nanometer och en av de enklaste katalysatorerna:en aminosyra som kallas prolin. Själva metoden, dock, inte inför några särskilda begränsningar, så potentiellt kan vilken annan katalysator som helst användas, funktionellt omvandla den till en variant vars aktivitet styrs med hjälp av ljus.

"Produktionen av nanopartiklar belagda med ligander med fästa katalysatorpartiklar är inte särskilt svår, det gör det, dock, kräver lite omsorg och uppmärksamhet. Till exempel, proportionerna mellan antalet ligander med en katalysatormolekyl och antalet ligander utan den är viktiga. Om det finns för många tomma ligander, katalysatormolekylerna har ingenstans att fysiskt gömma sig, och vi kan glömma kontroll, säger doktoranden Magdalena Szewczyk (IPC PAS).

Ljuskontrollerade nanopartiklar som katalyserar kemiska reaktioner lovar en ny fas i utvecklingen av katalys. Än så länge, de katalytiska reaktionerna har vanligtvis utförts i en lösning innehållande de nödvändiga substraten och en enda katalysator. Nu, nya möjligheter dyker upp. Potentiellt, samma lösning kan innehålla substrat för flerstegskatalytiska reaktioner och en rad katalysatorer, var och en aktiverad med ljus vid lämpliga tidpunkter. Som ett resultat, flera komponentreaktioner som producerar de kemikalier som behövs i senare skeden av en teknisk process, vid vilken den nya reaktionen skulle utlösas efter att de tidigare reaktionerna stoppats, kan ske i ett fartyg i taget. Men detta är inte de enda fördelarna med den nya lösningen.

"Tills nu, efter reaktionen lämnades kemister med en lösning innehållande både produkten och katalysatorn. Avlägsnandet av det senare var ofta förknippat med behovet av att utveckla ytterligare tekniska steg. I vår metod, Katalysatorn avsätts på nanopartiklar. Potentiellt, dessa partiklar kan justeras så att de reagerar, till exempel, till ett magnetfält. Efter att ha avslutat reaktionen, det skulle vara tillräckligt för att locka nanopartiklarna till botten av kärlet, där de lätt kunde separeras från själva produkten, " konstaterar doktorand Grzegorz Sobczak (IPC PAS).

Flerstegs framtid, just ljusstyrd katalys lovar att bli intressant. Den nya generationens flerkomponentsblandningar skulle kunna, till exempel, härda endast på användarens krav, så det skulle vara möjligt att fylla alla möjliga formar, även mycket komplexa former, mer exakt. En populär lösning kommer förmodligen att vara bekväma flerkomponents polymerlim, levereras omedelbart i en blandad, redo att sprida form. Detta är bara några av de idéer som övervägs idag. Forskare från IPC PAS letar fortfarande efter idéer om hur deras koncept skulle kunna omsättas i specifika tillämpningar.