Le reazioni chimiche avvengono continuamente intorno a noi: è ovvio se ci pensiamo, ma quanti di noi le compiono quando accendiamo un'auto, lessiamo un uovo o concimiamo il prato?
Richard Kong, esperto di catalisi chimica, ha riflettuto a lungo sulle reazioni chimiche. Nel suo lavoro di "sintonizzatore professionista", come lui stesso si definisce, non è interessato solo alle risposte che si manifestano spontaneamente, ma anche all'identificazione di nuove risposte.
In qualità di borsista Klarman in Chimica e Biologia Chimica presso il College of Arts and Sciences, Kong lavora allo sviluppo di catalizzatori che indirizzano le reazioni chimiche verso i risultati desiderati, creando prodotti sicuri e persino a valore aggiunto, compresi quelli che possono avere un impatto positivo sulla salute delle persone. Mercoledì.
"Un numero significativo di reazioni chimiche avviene spontaneamente", ha affermato Kong, riferendosi al rilascio di anidride carbonica quando le automobili bruciano combustibili fossili. "Ma le reazioni chimiche più complesse non avvengono automaticamente. È qui che entra in gioco la catalisi chimica."
Kong e i suoi colleghi hanno sviluppato catalizzatori per indirizzare le reazioni desiderate. Ad esempio, l'anidride carbonica può essere convertita in acido formico, metanolo o formaldeide scegliendo il catalizzatore giusto e sperimentando con le condizioni di reazione.
Secondo Kyle Lancaster, professore di chimica e biologia chimica (A&S) e moderatore della tesi di Kong, l'approccio di quest'ultimo si sposa bene con l'approccio "orientato alla scoperta" del laboratorio di Lancaster. "Richard ha avuto l'idea di usare lo stagno per migliorare la sua chimica, cosa che non era affatto prevista nel mio piano", ha affermato Lancaster. "Ha sviluppato un catalizzatore in grado di convertire selettivamente l'anidride carbonica, di cui si parla molto sulla stampa, in qualcosa di più prezioso."
Kong e i suoi collaboratori hanno recentemente scoperto un sistema in grado di convertire l'anidride carbonica in acido formico, in determinate condizioni.
"Sebbene non siamo ancora all'avanguardia in termini di reattività, il nostro sistema è altamente personalizzabile", ha affermato Kong. "In questo modo, possiamo iniziare a comprendere più a fondo perché alcuni catalizzatori funzionano più velocemente di altri, perché alcuni catalizzatori sono intrinsecamente migliori. Possiamo modificare i parametri dei catalizzatori e cercare di capire cosa li rende più efficienti, perché più velocemente funzionano, meglio funzionano e più velocemente si possono creare molecole."
Come borsista Klarman, Kong si sta anche impegnando per rimuovere i nitrati, un fertilizzante comune che si infiltra in modo tossico nei corsi d'acqua, dall'ambiente e trasformarli in sostanze più innocue, ha affermato.
Kong ha sperimentato l'utilizzo di metalli presenti nella terra, come alluminio e stagno, come catalizzatori. Questi metalli sono economici, non tossici e abbondanti nella crosta terrestre, quindi il loro utilizzo non comporterà problemi di sostenibilità, ha affermato.
"Stiamo anche lavorando su come realizzare catalizzatori in cui due metalli interagiscono tra loro", ha affermato Kong. "Utilizzando due metalli in un'unica struttura, quali reazioni e processi chimici interessanti possiamo ottenere dai sistemi bimetallici?"
Le foreste rappresentano l'ambiente chimico che contiene questi metalli: sono fondamentali per liberare il potenziale di questi metalli e permettere loro di svolgere la propria funzione, proprio come è necessario indossare l'abbigliamento giusto per il clima giusto, ha affermato Kong.
Negli ultimi 70 anni, lo standard è stato quello di utilizzare un singolo centro metallico per realizzare transizioni chimiche, ma nell'ultimo decennio circa, i chimici del settore hanno iniziato a studiare l'unione di due metalli, sia chimicamente che in stretta prossimità. Innanzitutto, afferma Kong, "offre maggiori gradi di libertà".
Questi catalizzatori bimetallici offrono ai chimici la possibilità di combinare catalizzatori metallici in base ai loro punti di forza e di debolezza, afferma Kong. Ad esempio, un centro metallico che si lega debolmente ai substrati ma rompe bene i legami può funzionare con un altro centro metallico che rompe debolmente i legami ma si lega bene ai substrati. La presenza del secondo metallo influenza anche le proprietà del primo metallo.
"Si può iniziare a ottenere quello che chiamiamo un effetto sinergico tra i due centri metallici", ha affermato Kong. "Il campo della catalisi bimetallica sta già iniziando a mostrare una reattività davvero unica e straordinaria."
Kong ha affermato che permangono ancora molte ambiguità su come i metalli si leghino tra loro nei composti molecolari. Era entusiasta tanto della bellezza della chimica in sé quanto dei risultati ottenuti. Kong è stato chiamato ai laboratori di Lancaster per la loro competenza nella spettroscopia a raggi X.
"È una simbiosi", ha affermato Lancaster. "La spettroscopia a raggi X ha aiutato Richard a capire cosa succedeva dietro le quinte e cosa rende lo stagno particolarmente reattivo e capace di questa reazione chimica. Noi abbiamo beneficiato della sua vasta conoscenza della chimica dei principali gruppi, che ha aperto al gruppo le porte a un nuovo campo di ricerca."
Secondo Kong, tutto si riduce ai principi fondamentali della chimica e della ricerca, e questo approccio è reso possibile grazie a una borsa di studio Open Klarman.
"In una giornata tipo, posso condurre reazioni in laboratorio o sedermi al computer a simulare molecole", ha detto. "Stiamo cercando di ottenere un quadro quanto più completo possibile dell'attività chimica."