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Un nuovo tipo di catalizzatore
Per la prima volta, i chimici hanno progettato catalizzatori che vengono attivati da sollecitazioni meccaniche. Incorporati nei rivestimenti autorigeneranti, tali catalizzatori potrebbero avviare reazioni di riparazione quando vengono graffiati o sollecitati. I catalizzatori innescati meccanicamente potrebbero anche trovare applicazioni nell'industria per migliorare la resa di plastica, farmaci e altre sostanze.
I catalizzatori attivati meccanicamente sono stati progettati da Rint Sijbesma , professore di chimica alla Eindhoven University of Technology, nei Paesi Bassi, e sono descritti oggi sulla rivista Chimica della natura . Alcuni catalizzatori esistenti possono essere attivati da impulsi di calore o di luce, consentendo ai chimici un maggiore controllo sull'andamento delle reazioni chimiche. Ma i nuovi catalizzatori sono il primo esempio di catalizzatori attivati da sollecitazioni meccaniche.
I catalizzatori di Sijbesma sfruttano una proprietà dei polimeri che i chimici conoscono da molti anni. Quando i polimeri sono esposti a una forza sufficientemente grande, vengono tesi e lo stress provoca la rottura dei legami chimici. Dove il legame si rompe, tuttavia, è difficile da controllare. Sijbesma ha progettato polimeri a base di carbonio contenenti due catalizzatori collegati da un atomo di metallo. In questo stato i catalizzatori sono inattivi. Il legame carbonio-metallo è il più debole del polimero e, sotto stress, è quello che si rompe, lasciando siti catalitici attivi.
L'accoppiamento tra energia meccanica e chimica rimane meno sviluppato rispetto, ad esempio, all'energia fotografica, termica o elettrica, afferma Jeffrey Moore , professore di chimica all'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign. Nel 2007, Moore è stato il primo a dimostrare una reazione progettata per essere avviata da sollecitazioni meccaniche. Ma questa reazione non ha coinvolto un catalizzatore e può avvenire solo una volta. Una volta attivato il catalizzatore di Sijbesma, può far accadere le reazioni ancora e ancora. È raro che nuovi concetti chimici di natura così fondamentale vengano scoperti e dimostrati, afferma Moore.
I ricercatori di Eindhoven hanno dimostrato l'attivazione meccanica di catalizzatori per diverse reazioni ben note, tra cui una utilizzata nella sintesi dei biocarburanti, una utilizzata per chiudere gli anelli di carbonio durante la produzione di prodotti farmaceutici e un'altra utilizzata per aprire tali anelli per produrre plastica durevole.
Questa è un'applicazione interessante delle tecniche meccano-chimiche, dice Robert Grubbs , professore di chimica al Caltech e vincitore del Premio Nobel 2005 per la chimica, che non è stato coinvolto nel lavoro di Eindhoven. In linea di principio, potrebbe trovare applicazioni nella catalisi, afferma Grubbs. Più strumenti hanno a disposizione i chimici per mettere a punto l'andamento delle reazioni, più efficiente può essere la produzione chimica, afferma Alshakim Nelson, chimico presso IBM Centro di ricerca Almaden . Ci dà un'altra manopola da accordare, dice.
Sijbesma afferma che è probabile che i primi utilizzi dei catalizzatori riguardino materiali autoriparanti e sensori di stress. La presenza di molto stress in un materiale indica che sta per cedere, dice. I nostri catalizzatori sensibili allo stress possono reagire a questo segnale avviando una reazione di polimerizzazione che rinforza il materiale proprio nel luogo e nel tempo necessario. I rivestimenti autoriparanti impedirebbero l'arrugginimento di automobili, navi e ponti senza la necessità di frequenti riapplicazioni.
Sebbene questo lavoro sia entusiasmante, è ancora nelle prime fasi, avverte Moore. I catalizzatori sono stati dimostrati in soluzioni liquide, con impulsi ad ultrasuoni che forniscono lo stress meccanico. C'è ancora un divario significativo tra l'attivazione degli ultrasuoni in soluzione e lo sviluppo di un materiale meccanosensibile, afferma Moore.