Η σημερινή χημεία είναι μια “υγρή” υπόθεση — κυρίως βασίζεται στην ανάμειξη ενώσεων σε υγρούς διαλύτες. Μία στροφή προς τη χρήση ξηρών σκονών αντί για υγρά αποδεικνύεται απρόσμενα αποτελεσματική.
Στο εργαστήριο του Τομισλάβ Φρίστιτς, καθηγητή στο Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ στο Ηνωμένο Βασίλειο προσπαθούν να καταργήσουν τη «χημεία των υγρών». Τα εργαλεία τους είναι ισχυρές μηχανές, όπως ο σφαιρόμυλος (ένας μύλος γεμάτος μεταλλικές σφαίρες). Μπορεί να φαίνεται τραχύς τρόπος, αλλά αυτή η “σκληροπυρηνική” προσέγγιση θα μπορούσε να αναστατώσει τον τρόπο με τον οποίο εργάζονται οι χημικοί, απελευθερώνοντάς τους από τη «νοητική φυλακή» του να πρέπει να διαλύουν τα πάντα.
Η χημεία είναι πίσω από πολλά από τα θαύματα της σύγχρονης ζωής — από τα φάρμακα που μας θεραπεύουν έως τις οθόνες μέσω των οποίων επικοινωνούμε. Όταν οι ερευνητές θέλουν να δημιουργήσουν αυτά τα πράγματα από το μηδέν, συχνά ξεκινούν υποθέτοντας ότι πρέπει να “διαλύσουν” τα υλικά τους. Όμως η “μηχανική” χημεία — το ανερχόμενο πεδίο που συναρπάζει τον Φρίστιτς — δείχνει ότι αυτό δεν είναι πάντα απαραίτητο. «Η μηχανο-χημεία σου δίνει την πνευματική ελευθερία να σκεφτείς: “Ας δοκιμάσω απλώς αυτή την αντίδραση με άλεση” και σε πολλές περιπτώσεις, λειτουργεί».
Ένας ολοένα αυξανόμενος αριθμός χημικών αρχίζει να αναγνωρίζει την αξία αυτής της ριζικά διαφορετικής προσέγγισης. Ένα από τα βασικά της πλεονεκτήματα είναι ότι αποφεύγοντας τους διαλύτες, μπορεί να καταστήσει τα χημικά θεμέλια της κοινωνίας πολύ πιο φιλικά προς το περιβάλλον. Μπορεί, λοιπόν, αυτή η ριζοσπαστική ιδέα να καθιερωθεί;
Για να είμαστε δίκαιοι, οι χημικοί δεν ήταν πάντα τόσο στενά συνδεδεμένοι με τους διαλύτες. Οι Έλληνες αλχημιστές του 1ου αιώνα που παρήγαν μία κόκκινη χρωστική το έκαναν απλώς “αλέθοντας” (λειοτρίβηση) μαζί υδράργυρο και θειούχα ορυκτά. Οι φαρμακοποιοί του Μεσαίωνα πολτοποιούσαν φυτά για να φτιάξουν φάρμακα. Όμως ίσως να μην θεωρούσαν αυτές τις διεργασίες ως «χημεία» με τη σημερινή έννοια – ήδη από τα χρόνια του Αριστοτέλη, λόγιοι υποστήριζαν πως η μηχανική δύναμη από μόνη της δεν μπορεί να προκαλέσει χημικές αντιδράσεις μεταξύ στερεών και πως απαιτείται θερμότητα ή έστω ελάχιστη ποσότητα υγρού.
Στα τέλη του 19ου αιώνα, ο Αμερικανός χημικός και φωτογράφος Μάθιου Κάρεϊ Λι παρατήρησε ότι η ισχυρή πίεση πάνω στις ενώσεις αργύρου που χρησιμοποιούσε για την εμφάνιση φωτογραφιών προκαλούσε αλλαγή χρώματος – παρόμοια με εκείνη που παρατηρούσε όταν οι ενώσεις εκτίθεντο στο φως. Σε μια δημοσίευση το 1894, σημείωσε πως «λίγα πράγματα, αν όχι τίποτα, είναι γνωστά» για τη σχέση μεταξύ μηχανικής και χημικής ενέργειας. Παρ’ όλα αυτά, υιοθέτησε τον όρο «μηχανο-χημεία», που είχε επινοήσει δύο χρόνια νωρίτερα ο Γερμανός επιστήμονας Βίλχελμ Όστβαλντ. Μετά όμως το ενδιαφέρον εξανεμίστηκε. Για το μεγαλύτερο μέρος του 20ού αιώνα – με εξαίρεση κάποιους επιστήμονες στη Σοβιετική Ένωση – η μηχανο-χημεία πέρασε στο περιθώριο.
Στο μεταξύ οι ερευνητές συνέχισαν να αναπτύσσουν τις «συνταγές» και τους κανόνες της υγρής χημείας. Η παρασκευή ενός φαρμάκου ή ενός προηγμένου υλικού συχνά περιλαμβάνει τη σύνδεση διαφορετικών ομάδων ατόμων με νέους χημικούς δεσμούς. Σε κάθε στάδιο, οι χημικοί διαλύουν τα απαραίτητα υλικά σε διαλύτη – συνήθως με θέρμανση – και στη συνέχεια εξατμίζουν ή φιλτράρουν τον διαλύτη για να συλλέξουν το τελικό προϊόν. Προστίθενται επίσης καταλύτες για να επιταχυνθούν οι αντιδράσεις. Αυτή η προσέγγιση έχει προφανή πλεονεκτήματα: οι διαλύτες βοηθούν τα μόρια να κινούνται και να συγκρούονται πιο εύκολα μεταξύ τους. Μπορούν να διοχετεύονται και να αναδεύονται, δημιουργώντας πιο ομοιογενείς αντιδράσεις. Επιπλέον μπορούν να τοποθετούνται σε γυάλινα σκεύη, επιτρέποντας την παρακολούθηση αλλαγών στο χρώμα ή άλλων ενδείξεων της κατά τα άλλα αόρατης “χορογραφίας” των ατόμων.
Όμως οι διαλύτες φέρουν και σημαντικά μειονεκτήματα. Πολλές οργανικές (ενώσεις με άνθρακα) ενώσεις δεν διαλύονται στο νερό, οπότε οι χημικοί αναγκάζονται να χρησιμοποιούν άλλους διαλύτες – όπως το χλωροφόρμιο και το ακετονιτρίλιο – πολλοί από τους οποίους είναι τοξικοί. Η παρασκευή και η απόρριψή τους απαιτούν τεράστια ποσά ενέργειας και συμβάλλουν στη ρύπανση του αέρα και την κλιματική αλλαγή. Η ζήτηση για προϊόντα που υποστηρίζουν τη σύγχρονη ζωή – όπως φάρμακα, καλλυντικά, καθαριστικά και πλαστικά – σημαίνει πως η ανάγκη για διαλύτες είναι τεράστια. Η παγκόσμια παραγωγή διαλυτών προβλέπεται να φτάσει σχεδόν τους 33 εκατομμύρια τόνους ετησίως μέχρι το 2026.
Μια απάντηση είναι οι «πράσινοι» διαλύτες – εκείνοι που είναι λιγότερο τοξικοί και παράγονται με πιο φιλικές προς το περιβάλλον μεθόδους. Μια άλλη απάντηση είναι να μη χρησιμοποιείται καθόλου διαλύτης. Κι αυτό ακριβώς συνειδητοποίησε μια νέα γενιά χημικών, όταν επανεξέτασε τη μηχανο-χημεία.
Το 2012 ο Τομισλάβ Φρίστιτς συνεργάστηκε με τον Στιούαρτ Τζέιμς από το Πανεπιστήμιο Queen’s στο Μπέλφαστ του Ηνωμένου Βασιλείου και άλλους ερευνητές σε μια ευρέως αναγνωρισμένη δημοσίευση, η οποία παρουσίαζε το πεδίο της μηχανο-χημείας και τις δυνατότητες που προσφέρει για τον εξορθολογισμό και την οικολογική μεταρρύθμιση της χημικής βιομηχανίας.
Για τον Στιούαρτ Τζέιμς όλα ξεκίνησαν πριν από 20 χρόνια, όταν εργαζόταν στο τότε νεοεμφανιζόμενο πεδίο των μεταλλο-οργανικών πλεγμάτων (MOFs). Αυτά τα κρυσταλλικά υλικά που μοιάζουν με κηρήθρες και διαθέτουν μεγάλους πόρους περικυκλωμένους από συστάδες μεταλλικών ατόμων ενωμένων με οργανικές «γέφυρες» άνθρακα, σήμερα βρίσκουν εφαρμογές στην αποθήκευση αερίων. Τότε όμως, η σύνθεσή τους απαιτούσε ώρες ή και ημέρες μέσα σε «φρικτούς» διαλύτες, όπως λέει ο Τζέιμς.
Αφού άκουσε για τη μηχανο-χημεία σε ένα συνέδριο, αποφάσισε να τη δοκιμάσει. «Απλώς σκέφτηκα: “ΟΚ, ας αγοράσουμε έναν μικρό σφαιρόμυλο, ας τον βάλουμε στο εργαστήριο, ας πούμε στους συνεργάτες να πειραματιστούν και… βλέπουμε τι θα γίνει”».
Αυτό που συνέβη ήταν ότι ο σφαιρόμυλος έμεινε αχρησιμοποίητος για λίγο καιρό. Ώσπου μια μέρα, η Αν Πισόν, τότε φοιτήτρια στο εργαστήριο του Τζέιμς και σήμερα ανώτερη συντάκτρια απόψεων στο περιοδικό Nature, αποφάσισε να τον δοκιμάσει για την παρασκευή ενός συγκεκριμένου MOF. Η αντίδραση αυτή μπορούσε εύκολα να παρακολουθηθεί μέσω αλλαγής χρώματος – από πράσινο σε μπλε. Η Πισόν έβαλε δύο σκόνες – ένα άλας χαλκού και μια οργανική ένωση για τις «γέφυρες» άνθρακα – στον σφαιρόμυλο και τις άλεσε χωρίς καθόλου διαλύτη. Δέκα λεπτά αργότερα, προς έκπληξή της, το μείγμα είχε γίνει μπλε.
Έκτοτε η ομάδα έχει εξοπλιστεί με μια σειρά συσκευών για την παραγωγή MOF, όπως «διπλούς κοχλίες εξώθησης», που χρησιμοποιούνται συνήθως στη βιομηχανία πλαστικών. Μιλώντας μέσω βιντεοκλήσης, ο Τζέιμς μεταφέρει το λάπτοπ στο εργαστήριο αναζητώντας έναν εξωθητήρα, όπου βρίσκει έναν αποσυναρμολογημένο στον πάγκο, αποκαλύπτοντας τα βασικά του εξαρτήματα: δύο γιγαντιαίες μεταλλικές βίδες, καθεμία μακρύτερη από τον πήχη του. Οι κοχλίες αυτοί περιστρέφονται αντικριστά και συμπιέζουν τα υλικά μεταξύ τους. Το 2012, ο Τζέιμς ίδρυσε μια spin-off εταιρεία, τη Nuada, που χρησιμοποιεί πατενταρισμένες τεχνικές εξώθησης με κοχλίες για την παραγωγή MOF σε ρυθμούς κιλών ανά ώρα και τα δοκιμάζει ως φίλτρα για την απομάκρυνση διοξειδίου του άνθρακα από βιομηχανικά καυσαέρια.
Οι χημικοί έχουν επίσης χρησιμοποιήσει τεχνικές άλεσης για την παραγωγή συγκρυστάλλων – ενώσεων φαρμάκων που συνδέονται ασθενώς με άλλα μόρια, ώστε να βελτιωθεί η απορρόφησή τους από τον οργανισμό. Η δημιουργία MOF ή συγκρυστάλλων όμως δεν θεωρείται ιδιαίτερα δύσκολη. Πολύ μεγαλύτερη πρόκληση αποτελούν οι σύνθετες οργανικές ενώσεις – όπως οι δραστικές ουσίες των φαρμάκων – οι οποίες απαιτούν μια σειρά καλά μελετημένων χημικών αντιδράσεων για να παραχθεί το σωστό προϊόν.
Η Εβελίνα Κολασίνο, από το Πανεπιστήμιο του Μονπελιέ στη Γαλλία συντονίζει το Impactive, μια μεγάλη συνεργασία με στόχο να επαναστατήσει η παραγωγή φαρμάκων μέσω μηχανο-χημείας. Η ίδια και οι συνεργάτες της έχουν παρασκευάσει παρακεταμόλη (ακεταμινοφαίνη) και το αντιεπιληπτικό φάρμακο φαινυτοΐνη. Και στις δύο περιπτώσεις, η ομάδα τους χρησιμοποίησε άλεση για να προκαλέσει μια αναδιάταξη – έναν τύπο χημικής αντίδρασης κατά την οποία ένα μόριο αναδιοργανώνει τους δεσμούς και τα άτομά του σε νέα δομή.
Η μηχανο-χημεία επιτρέπει ακόμη και την παραγωγή μορίων που μέχρι πρότινος θεωρούνταν αδύνατον να παραχθούν με παραδοσιακά μέσα. Σε ανασκόπηση του 2022, την οποία συνέγραψε και η Κολασίνο, καταγράφονται πολυάριθμα παραδείγματα τέτοιων «απρόσιτων» ενώσεων. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η άλεση πυροδότησε αντιδράσεις σε ενώσεις που δεν διαλύονται – και ως εκ τούτου θεωρούνταν αδρανείς – συμπεριλαμβανομένων πολύπλοκων χημικών με κρυσταλλικές δομές, γνωστών ως πολυαρωματικά, τα οποία χρησιμοποιούνται σε αιχμής ηλεκτρονικά υλικά και άλλες εφαρμογές.
Εν τω μεταξύ, ο Τομίσλαβ Φρίστιτς που έχει αναδειχθεί σε κεντρική μορφή στον χώρο της μηχανο-χημείας, διευρύνει το «οπλοστάσιό» του για να μπορεί να πραγματοποιεί τέτοιες αντιδράσεις σε μεγαλύτερη κλίμακα. Για τον σκοπό αυτό είναι ένθερμος υποστηρικτής της τεχνικής του “συντονισμένου ακουστικού αναμεικτήρα” (resonant acoustic mixing ή RAM) – στην ουσία, πρόκειται για έναν αναδευτήρα τοποθετημένο σε μια δονητική πλάκα, που «ανακινεί» απαλά το μείγμα της αντίδρασης αντί να το συνθλίβει με σφαιρίδια.
Έτσι γίνεται ευκολότερος ο διαχωρισμός των προϊόντων στο τέλος της αντίδρασης και μειώνεται σημαντικά ο κίνδυνος επιμολύνσεων, για παράδειγμα από μικροσκοπικά μεταλλικά θραύσματα που μπορεί να αποκολληθούν από τις μπάλες κατά την άλεση.
Σε τελική ανάλυση, αυτό που επιδιώκουν οι χημικοί είναι να κατανοήσουν τι συμβαίνει σε μοριακό επίπεδο. Για να το πετύχουν αυτό, χρειάζονται τεχνικές όπως η φασματοσκοπία Raman και η περίθλαση ακτίνων Χ (XRD), που τους επιτρέπουν να «κρυφοκοιτάξουν» μέσα στα μείγματα των μηχανοχημικών αντιδράσεων και να αποκαλύψουν την ταυτότητα και τη δομή των μορίων που περιέχονται.
Σε συνδυασμό με τη μοριακή μοντελοποίηση, αυτές οι τεχνικές βοηθούν τους επιστήμονες να χαρτογραφήσουν τις μονοπάτιες που ακολουθούν τα άτομα μέχρι να καταλήξουν στο τελικό προϊόν της αντίδρασης.
Εκτός από τη δημιουργία νέων χημικών ενώσεων, η μηχανο-χημεία μπορεί να λειτουργήσει και καταστρεπτικά – με την καλή έννοια. Στο Πανεπιστήμιο της Ουτρέχτης στην Ολλανδία, το εργαστήριο της Ίνα Φόλμερ έχει μελετήσει με ακρίβεια τι συμβαίνει όταν πλαστικά απορρίμματα διασπώνται μέσα σε έναν σφαιρόμυλο. Η Φόλμερ στράφηκε σε αυτήν αναζητώντας έναν πιο πράσινο τρόπο να μετατρέπει μεταχειρισμένα πλαστικά, όπως το πολυαιθυλένιο και το πολυπροπυλένιο πίσω στα βασικά χημικά τους δομικά στοιχεία. «Το σκεφτόμασταν πραγματικά με βάση την κυκλική οικονομία και την ανακύκλωση, ώστε να μπορούμε να παράγουμε ξανά αυτά τα πολυμερή».
Η χημική ανακύκλωση τέτοιων πλαστικών είναι ήδη δυνατή, αλλά απαιτεί θερμοκρασίες γύρω στους 300°C, κάτι που πρακτικά σημαίνει ότι τα πλαστικά λιώνουν και αναπλάθονται. Η ομάδα της Φόλμερ όμως πέτυχε πρόσφατα να το κάνει αυτό σε θερμοκρασία δωματίου, χρησιμοποιώντας ένα ευρηματικό σύστημα άλεσης, όπου οι καταλύτες είναι προσκολλημένοι στις ίδιες τις μπάλες. Ρίχνουν μέσα κομμάτια από παλιά πλαστικά – όπως καρέκλες κήπου ή παιχνίδια – και λαμβάνουν υδρογονανθρακικά αέρια, όπως το προπένιο. Η ομάδα τώρα ετοιμάζεται να κατασκευάσει έναν μεγαλύτερο σφαιρόμυλο και να ιδρύσει μια νεοφυή επιχείρηση για την εμπορική αξιοποίηση της διαδικασίας.
Και ένα τελευταίο σημάδι ότι η μηχανο-χημεία μπαίνει σιγά-σιγά στο κυρίως ρεύμα της χημείας μπορεί να είναι ένα απλό σύμβολο. Το 2016 δύο χημικοί από το Πανεπιστήμιο Βάντερμπιλτ στο Τενεσί πρότειναν ένα σύμβολο για τη μηχανο-χημεία, το οποίο όλο και συχνότερα εμφανίζεται σε επιστημονικά άρθρα. Αποτελείται από τρεις μικρούς κύκλους – ένας φόρος τιμής στον ταπεινό σφαιρόμυλο – και σημαίνει απλά: «Βάλε τις σκόνες σου μαζί και δώσ’ τους ένα γερό ανακάτεμα».
*Με στοιχεία από το New Scientist.
