Χημεία και Υλικά
|
28.05.08 |
|
Στις 13 Ιουλίου του 1907, ο Leo H. Baekeland κατέθεσε αίτηση κατοχύρωσης πατέντας για την επεξεργασία ενός προϊόντος που είχε τεράστια επιρροή στην ανάπτυξη της τεχνολογίας και το οποίο άλλαξε άρδην τις συνήθειες μας. Το προϊόν αυτό ήταν ο βακελίτης, το πρώτο εξ ολοκλήρου συνθετικό πλαστικό, το οποίο μας εισήγαγε στην «εποχή του πλαστικού». Στόχος του εφευρέτη του Leo Hendrik Baekeland, ήταν να δημιουργήσει ένα υλικό το οποίο να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε καθημερινή βάση, υπό πολλές διαφορετικές μορφές. Ο Δρόμος προς την Ανακάλυψη του Βακελίτη
Ο Leo Hendrik Baekeland γεννήθηκε το 1863 στο Ghent του Βελγίου. Σπούδασε χημεία στο πανεπιστήμιο του Ghent, από το οποίο έλαβε και τον τίτλο του διδάκτορα. Το 1889 βραβεύτηκε με υποτροφία για να εργαστεί στις Ηνωμένες Πολιτείες, όπου θέλησε να συνεχίσει την διαδικασία εμφάνισης φωτογραφιών που είχε προηγουμένως εφεύρει. Πριν ταξιδέψει στις ΗΠΑ, ο Baekeland κατοχύρωσε στο Βέλγιο μια πατέντα εμφάνισης φωτογραφικού φιλμ σε νερό και ξεκίνησε την δική του επιχείρηση για την ανάπτυξη της μεθόδου αυτής. Δυστυχώς, η επιχείρηση δε στέφθηκε με επιτυχία, ζημιώνοντας σοβαρά τους γονείς του που είχαν επενδύσει στην επιχείρηση. Το γεγονός αυτό, καθώς και του ότι εκείνη την περίοδο οι ΗΠΑ ήταν θέλγητρο για τους Ευρωπαίους, επηρέασαν την επιλογή του. Το 1981, ο καθηγητής C. F. Chandler του πανεπιστημίου της Columbia έπεισε τον Baekeland να εργαστεί ως ειδικός της χημείας στην εταιρία A. & H. Anthony, η οποία ανέπτυσσε φωτογραφικό υλικό. Στη συνέχεια, ο Baekeland εργάστηκε ανεξάρτητα ως σύμβουλος και συνέχισε την έρευνα του πάνω σε φωτογραφικό υλικό. Το 1892 ανακάλυψε ένα φωτογραφικό χαρτί γρήγορης εκτύπωσης που το ονόμασε Velox και δημιούργησε την Nepera Chemical Company για να αξιοποιήσει την ανακάλυψή του. Αν και αντιμετώπισε σοβαρά οικονομικά προβλήματα λόγω του κραχ του 1893, εργαζόταν εντατικά για να βελτιώσει την διαδικασία εκτύπωσης που είχε ανακαλύψει. Επτά χρόνια αργότερα πούλησε την ανακάλυψή του στην Eastman Kodak για το διόλου ευκαταφρόνητο ποσό των 750.000 δολαρίων. Το ποσό αυτό του έδωσε οικονομική ανεξαρτησία και του επέτρεψε να ξοδεύει χρόνο σε έρευνα πάνω σε προσωπικά ερευνητικά θέματα. Για τον σκοπό αυτόν, μετέτρεψε στάβλους στο Yonkers (κοντά στην Νέα Υόρκη) σε προσωπικό εργαστήριο. Αυτή ήταν και η πιο ευτυχισμένη περίοδος της ζωής του. Αφότου βελτίωσε τις γνώσεις του πάνω στην ηλεκτροχημεία μετά από την παραμονή του στο ηλεκτροχημικό εργαστήριο του τεχνολογικού ινστιτούτου του Charlottenburg (Βερολίνο), το 1904 συνεργάστηκε με τον C. P. Townsend για την κατασκευή εργοστασίου που θα εξέλισσε το ηλεκτρολυτικό στοιχείο του Townsend. 
Εικόνα 1. Ο Baekeland στο εργαστήριό του (1930). |
|
Διαβάστε περισσότερα...
|
|
|
27.04.08 |
|
Χημικοί Παράγοντες και Μέθοδοι Καταστροφής τους Α. Γενικά περί χημικών παραγόντων Η προσφορά της χημείας στην ανάπτυξη του κόσμου και στη βελτίωση του τρόπου ζωής μας είναι αναμφισβήτητη. Επίσης, η δυναμική που προσφέρει στην αντιμετώπιση των ολοένα και διογκούμενων περιβαλλοντικών προβλημάτων είναι καταλυτική. Παρόλα αυτά οι στρατιωτικές εφαρμογές της εν λόγω επιστήμης πάντα ήταν παρούσες, έχοντας σχέση είτε με επιθετικές (εκρηκτικά και τοξικά αέρια) είτε με αμυντικές χρήσεις (πχ kevlar, nomex) της. Στο ακόλουθο άρθρο θα αναλυθούν τα κυριότερα από τα χημικά αέρια που αναπτύχθηκαν μετά το τέλος του 1ου Π.Π. και συγκεκριμένα τα λεγόμενα νευραέρια τα οποία και υπάρχουν στα οπλοστάσια διαφόρων χωρών. Επίσης, θα γίνει αναφορά σε τρόπους καταστροφής τους, με έμφαση σε μεθόδους συμβατές με τις αρχές της πράσινης χημείας.
Κατά τον 1ου παγκόσμιο πόλεμο χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φόρα χημικές ενώσεις εκτενώς με σκοπό να επιφέρουν σημαντικές απώλειες στον αντίπαλο. Τα κυριότερα χημικά όπλα της εποχής εκείνης ήταν το ''αέριο μουστάρδας'' ή υπερίτης ( ClCH2CH2SCH2CH2Cl ) και το φωσγένιο (CCl2Ο). Ωστόσο, οι τοξικότητες των παραπάνω αερίων ωχριούσαν μπροστά στις αντίστοιχες της τάξεως των οργανοφωσφορικών ενώσεων και συγκεκριμένα των εστέρων του υποφωσφορώδους οξέος (φωσφινικό οξύ) (Σχ.1) 
Σχήμα 1 - Το υποφωσφορώδες οξύ
Τα παράγωγα των εστέρων του υποφωσφορώδους οξέος τα οποία αποτελούν τα αέρια νεύρων ανακαλύφθηκαν στα πλαίσια ερευνών για τις οργανοφωσφωρικές ενώσεις και αποτελούν μέχρι και σήμερα τις πιο τοξικές ενώσεις που μπορούν να εισπνευθούν και απορροφηθούν από το ανθρώπινο σώμα. Αξίζει να σημειωθεί ότι τα τοξικά αυτά αέρια έλκουν την καταγωγή τους από τα ζιζανιοκτόνα. Η πρώτη τέτοια ένωση που ανακαλύφθηκε ήταν το Tabunα
(GA) από τον Dr. Gerhard Schräder το 1936. Ακολουθεί το Sarinβ (GB) το 1938 με το Somanγ (GD) να έπεται το 1944. Στα τρία αυτά νευραέρια είχε δοθεί από την IG Farben η εμπορική ονομασία Trilon (επωνυμία ενός κοινού απορρυπαντικού) για λόγους μυστικότητας. Επίσης, κατά τη δεκαετία του 1950 ανακαλύφθηκε η οικογένεια των τοξικότερων V-agents με το VXδ να αποτελεί το περισσότερο μελετημένο νευραέριο εκ της οικογενείας. Οι συντομογραφίες αντιστοιχούν στο στρατιωτικό όνομα που τους έχει αποδοθεί, ενώ οι χημικές δομές των παραγόντων φαίνονται στο ακόλουθο σχήμα . 
Σχήμα 2 - Οι χημικές δομές των κυριότερων αερίων νεύρων
Τα αέρια αυτά έχουν από ωχρό κίτρινο έως και καθόλου χρώμα και είναι σχεδόν άοσμα με την εξαίρεση του Tabun, το οποίο παρουσιάζει μια ελαφριά φρουτώδη οσμή. Είναι σχετικά διαλυτά στο νερό με το Tabun ωστόσο, να είναι ασθενώς διαλυτό. Η πτητικότητα τους ποικίλει και μεταβάλλεται με παρόμοιο τρόπο όπως όταν για παράδειγμα ανεβαίνουμε από ελαφρύτερα προς βαρύτερα κλάσματα απόσταξης πετρελαίου. Στον παρακάτω πίνακα (Πίνακας 1) φαίνονται ενδεικτικά μερικές από τις φυσικές ιδιότητες δύο εξ αυτών, του Sarin και του VX. | Sarin | VX | Πυκνότητα στους 20οC | 1,0887 | 1,0083 | Διαλυτότητα στο νερό στους 20οC | 100 | 1 - 5 | Πτητικότητα στους 20οC | 12100 | 3 - 18 | Σημείο ζέσεως (οC) | 158 | 298 | Σημείο τήξεως (οC) | -56 | <-51 |
Πίνακας 1 - Φυσικές ιδιότητες του Sarin και του VX Σε ότι αφορά τη τοξικότητα τους και την επακόλουθη θανατηφόρο κατάληξη αυτή θα πρέπει να αναζητηθεί στη μη αντιστρεπτή αναστολή του ενζύμου ακετυλοχοληστερινάση. Η προκαλούμενη κατά αυτόν τον τρόπο αδυναμία υδρόλυσης της ακετυλοχολίνης (νευροδιαβιβαστής) - μέσω της οποίας πραγματοποιείται ο τερματισμός της μεταδόσεως των νευρικών σημάτων - προκαλεί τη συσσώρευση της. Στη συνέχεια η υπερδιέγερση των νικοτινικών και μουσκαρινικών υποδοχέων ακετυλοχολίνης οδηγεί σε χοληνεργικές επιδράσεις οι οποίες περιλαμβάνουν : - έντονη εφίδρωση
- απόφραξη των αναπνευστικών οδών
- εξασθένιση της όρασης
- εμετό
- διάρροια
- σπασμούς
- παράλυση & τελικά θάνατο
Τα νευραέρια δηλαδή είναι μη αντιστρεπτοί αναστολείς και χαρακτηριστικό των αναστολέων του τύπου αυτού είναι η ισχυρή σύνδεση στο ένζυμο (της ακετυλοχοληστερινάσης εν προκειμένω), είτε ομοιοπολικά είτε μη ομοιοπολικά. Ως εκ τούτου, από εκεί προέρχεται η ισχυρή τοξικότητά τους.
Β. Μέθοδοι καταστροφής των χημικών όπλων Η συνθήκη για τα χημικά όπλα, που τέθηκε προς επικύρωση στο Παρίσι τον Ιανουάριο του 1993, απαγορεύει την παραγωγή, την κατοχή και τη χρήση των χημικών όπλων. Κατά συνέπεια, τα κράτη που έχουν επικυρώσει τη συνθήκη επιβάλλεται να καταστρέψουν τα οπλοστάσια τους με μεθόδους και χρονοδιάγραμμα που θα καθοριστεί από τη συνθήκη. Αυτό μπορεί να πραγματοποιηθεί με διάφορες τεχνικές που είτε υφίστανται είτε έχουν προταθεί. Ωστόσο, η εφαρμογή μερικών από αυτών δεν είναι εφικτή για όλες τις περιπτώσεις κρατών και καταστάσεων. Ωστόσο, κοινός τόπος όλων των μεθόδων θα πρέπει να είναι η μη αναστρέψιμη μετατροπή των όπλων σε ενώσεις ακατάλληλες για την παραγωγή εκ νέου των όπλων, ενώ ταυτόχρονα πυρομαχικά και άλλες συσκευές θα καθίστανται από μαχητικής άποψης μη χρησιμοποιήσιμα. Η καταστροφή των χημικών όπλων παρουσιάζει σημαντικές τεχνικές και οικονομικές δυσκολίες. Η κάθε τεχνολογία που θα εφαρμοσθεί θα πρέπει να τηρεί ορισμένες απαιτήσεις και σκοπιμότητες, όπως για παράδειγμα την αποφυγή τυχόν διαρροής των αερίων καθώς και προϊόντων αποικοδόμησής τους, την τήρηση περιβαλοντικών κανονισμών, την χημική μηχανική της όλης εγκατάστασης και φυσικά το κόστος της όλης διαδικασίας. Από τις πρώτες μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν ήταν η αποτέφρωση(συχνά αναφέρεται και ως Baseline Technology) , η οποία χρησιμοποιήθηκε και χρησιμοποιείται εκτενώς από τις Η.Π.Α. λόγω του ότι ικανοποιεί πολλές από τις απαιτήσεις που ορίζει η συνθήκη. Παρόλα αυτά, κενά στην εφαρμογή της μεθόδου, έκαναν επιτακτική την ανάγκη για ανάπτυξη εναλλακτικών τρόπων καταστροφής των χημικών όπλων. Το 1992, η επιτροπή της NRC (National Research Council) σχετική με την διάλυση των χημικών οπλοστασίων μέσω εναλλακτικών τεχνολογιών πρότεινε δύο στρατηγικές αποστρατικοποίησης :
- Η Στρατηγική 1 περιλαμβάνει αποτοξικοποίηση του παράγοντα σε σημείο που να καθίσταται εφικτή την αποθήκευση και μεταφορά του.
- Η Στρατηγική 2 περιλαμβάνει μετατροπή σε ανόργανα άλατα, διοξείδιο του άνθρακα, νερό και τοξικά ελεύθερα μεταλλικά μέρη πυρομαχικών.
Περιληπτικά, η κατηγοριοποίηση των μεθόδων βάσει των δύο στρατηγικών είναι η ακόλουθη : - Στρατηγική 1
1. Χαμηλών θερμοκρασιών αποτοξικοποίηση σε υγρή φάση 2. Wet Air Oxidation (WAO) - Στρατηγική 2
1. Supercritical Water Oxidation (SCWO) 2. Οξείδωση σε χαμηλή θερμοκρασία & πίεση 3. Πυρολυτικές διεργασίες υψηλής θερμοκρασίας & χαμηλής πίεσης 4. Οξείδωση σε υψηλή θερμοκρασία & χαμηλή πίεση - Άλλες μέθοδοι :
1. Ακτινοβολία ιονισμού διείσδυσης 2. Υδρογονόλυση 3. Διαδικασία Adams
Η αξιολόγηση των παραπάνω μεθόδων οδηγεί στο συμπέρασμα ότι λίγες από αυτές είναι πρακτικά εφαρμόσιμες και ακόμη και αυτές που είναι παρουσιάζουν μειονεκτήματα και περιορισμούς. Οι μέθοδοι που προτείνονται από τη Στρατηγική 1 οδηγούν σε μη αποτελεσματικό βαθμό καταστροφής του ισχυρότατου δεσμού P-Me, ενώ αυτές από τη Στρατηγική 2 παρουσιάζουν προβληματική μετατροπή των οργανικών ειδών (species) σε ανόργανα. Η τεχνική που πληροί τις απαιτήσεις της Στρατηγικής 2 είναι η αποτέφρωση, χωρίς παρόλα αυτά να μη παρουσιάζει και αυτή με τη σειρά της μειονεκτήματα, όπως για παράδειγμα το υψηλό κόστος, οι μη ευέλικτες προϋποθέσεις της και η απουσία κινητής μονάδας καταστροφής. Τα μειονεκτήματα αυτά είναι δυνατόν να καλυφθούν από μια εναλλακτική μέθοδο, την φωτοκαταλυτική οξείδωση, η οποία συνάδει με τις αρχές τις πράσινης χημείας. Ετερογενής Φωτοκαταλυτική Οξείδωση 1.Αρχή Μεθόδου Η μέθοδος αυτή στηρίζεται στην ιδέα ότι υπεριώδης ακτινοβολία (UV light) χρησιμοποιείται για να καταγαύσει έναν ημιαγωγό. Τα UV φωτόνια έχουν αρκετή ενέργεια ώστε να διεγείρουν ηλεκτρόνια στο LUMO τροχιακό του ημιαγωγού, δημιουργώντας μια οπή στο ΗΟΜΟ τροχιακό. Εφόσον, δε συμβεί επαναδιάταξη ηλεκτρονίων από το LUMO στο ΗΟΜΟ τροχιακό τότε η ενέργεια της οπής είναι αρκετή για τη διάσπαση του δεσμού P-Me. 2.Κύρια χαρακτηριστικά της μεθόδου Ο ημιαγωγός είναι ένα υλικό που χαρακτηρίζεται από ασυνεχή κατανομή ενεργειακών επιπέδων και άρα υπάρχει κενό μεταξύ του υψηλότερου κατειλημμένου μοριακού τροχιακού (HOMO) και του χαμηλότερου μη κατειλημμένου μοριακού τροχιακού (LUMO). Τα τροχιακά αυτά ονομάζονται και επίσης ζώνες σθένους (valence band) και ζώνες αγωγιμότητας (conduction band) αντίστοιχα. Μέσω ακτινοβολίας UV είναι δυνατόν να διεγερθεί ένα ηλεκτρόνιο στη ζώνη αγωγιμότητας και να δημιουργηθεί μια οπή στη ζώνη σθένους. Το ηλεκτρόνιο στην ζώνη CB κινείται με τυχαίο τρόπο στην κρυσταλλική δομή και σε κάποιο στάδιο επανασυνδέεται με μια οπή επιστρέφοντας έτσι στη ζώνη αγωγιμότητας ενός από τα άτομα. Όταν συμβεί αυτό το ηλεκτρόνιο και η οπή δεν είναι πια διαθέσιμα. Ο μέσος χρόνος που μεσολαβεί από τη διέγερση μέχρι την επαναδιάταξη του ηλεκτρονίου στην οπή λέγεται διάρκεια ζωής του φορέα φορτίου και ποικίλλει από 10-9 έως 10-6 s. Η δραστικότητα των ζωνών CB και VB απέναντι στις διάφορες τάξεις ενώσεων σε ένα διάλυμα μπορεί να περιγραφεί ενεργειακά με δυναμικά οξειδοαναγωγής. Όσο πιο θετικό είναι το δυναμικό οξειδοαναγωγής τόσο μεγαλύτερη είναι η ηλεκτρονιακή συγγένεια, ή μικρότερη η τάση προσφοράς ηλεκτρονίων. Προκειμένου ένας ημιαγωγός να είναι φωτοκαταλυτικά ενεργός ως καταλύτης για διάσπαση χημικών ενώσεων σε ανόργανα άλατα (mineralization), το δυναμικό οξειδοαναγωγής της φωτοδιεγερμένης ζώνης σθένους θα πρέπει να είναι επαρκώς θετικό, ώστε να δημιουργήσει ρίζες OH* και οι οποίες μπορούν ακολούθως να οξειδώσουν τον οργανικό υπόστρωμα (το χημικό παράγοντα στην περίπτωσή μας). Αντίστοιχα, το δυναμικό τη ζώνης αγωγιμότητας θα πρέπει να είναι αρκούντως αρνητικό για να είναι ικανό να ανάγει το Ο2. Η όλη διαδικασία περιγράφεται στο σχήμα 3. 
Σχήμα 3- Αναπαράσταση του μοντέλου ενεργειακών ζωνών για τη συνολική διαδικασία της διάσπασης χημικών παραγόντων μέσω φωτοκατάλυσης με ημιαγωγό Σε ότι αφορά τον ημιαγωγό που θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί ώς φωτοκαταλύτης αυτός είναι το διοξείδιο του τιτανίου (TiO2). Παρά το γεγονός ότι απορροφά στο UV, είναι φθηνός, αδιάλυτος στις περισσότερες συνθήκες, σταθερός στο φώς και μη τοξικός. Βέβαια, για να είναι αποτελεσματικός ο φωτοκαταλύτης θα πρέπει οι διαδικασίες μεταφοράς ηλεκτρονίων στην καταλυτική επιφάνεια να είναι ισχυρά ανταγωνιστικές των διαδικασιών επαναδιάταξης ηλεκτρονίου-οπής. 3. Συμπεράσματα Η χρησιμοποίηση της παραπάνω μεθόδου για την καταστροφή των χημικών όπλων είναι χημικά αποδεκτή και οδηγεί σε αποτελεσματική και σχετικά εύκολη διάσπαση του δεσμού P-Me, ωστόσο, είναι πιθανός ο δηλητηριασμός της καταλυτικής επιφάνειας και η αδρανοποίηση του καταλύτη λόγω της παρουσίας του φθορίου σε αέρια όπως το Sarin και το Soman. Επίσης, είναι φθηνή, ευέλικτη και μπορεί να αναπτυχθεί και σε κινητές μονάδες, πράγμα που την καθιστά ιδανική για την καταστροφή μη μετακινήσιμων χημικών παραγόντων που είναι τοποθετημένοι σε διάσπαρτους χώρους και όχι σε πολύ μεγάλες ποσότητες. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. M.L.Hitchman, R.A. Spackman, F.J. Yusta and Benoit Morel, Science & Global Security, 1997, 6, 205-237. 2. L. Stryer, “Bιοχημεία”, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο, 1997. 3. Abou-Donia MB, Arch Environ Health, 2003, 58(8), 484-497. 4. Γ.Ζ. Ηλιόπουλος, “Τα μυστικά όπλα του Γ' Ράιχ”, Εκδόσεις Επικοινωνίες, Αθήνα, 2001.
Συγγραφή και επιμέλεια: Βαγγέλης Κωνσταντίνος
|
|
|
01.03.08 |
|
Όταν οι περισσότεροι συνθετικοί χημικοί προσπαθούν να ενώσουν μόρια σχηματίζοντας έναν δεσμό κάθε φορά, κάποιοι απλώς βρίσκουν τις κατάλληλες συνθήκες για να δημιουργήσουν ένα ολόκληρο πλέγμα μορίων.
Μπορεί η παραπάνω άποψη να μην αντιπροσωπεύει κάτι το εντελώς καινούργιο (μην ξεχνάτε τις αντιδράσεις πολυμερισμού που μας δίνουν τα πλαστικά), όμως κρύβει μια σημαντικότατη καινοτομία: τα προϊόντα των αντιδράσεων αυτών έχουν συγκεκριμένη τοπολογία, δίνοντάς μας πορώδη υλικά στην κλίμακα του νανόμετρου (nanomaterials). Αλλά ας πάρουμε τα γεγονότα με την σειρά. Στα τέλη της δεκαετίας του ’90, ο Omar Yaghi πρώτος χρησιμοποίησε την μέθοδο αυτή για να δημιουργήσουν μία οικογένεια σταθερών πορωδών κρυσταλλικών υλικών γνωστά ως Μέταλλο-Οργανικά Πλέγματα (Metal-Organic Frameworks ή MOFs). Ο χαρακτηρισμός που τους δόθηκε ως «σφηνοτουβλάκια» (διαλέχτε εσείς, LEGO ή Playmobil, αναλόγως με ποια παίζατε στα παιδικά σας χρόνια) είναι απολύτως εύστοχος! Σκεφτείτε σύμπλοκα μετάλλων τα οποία ενώνονται μεταξύ με τους πιο απίθανους τρόπους με οργανικά μόρια, σχηματίζοντας μονοδιάστατες, δυσδιάστατες αλλά και τρισδιάστατες δομές. Οι δομές αυτές, λόγω των πολλαπλών θέσεων που μπορούν να καταλάβουν τα οργανικά μόρια πάνω στο μεταλλικό κέντρο, είναι ποικίλες, με αποτέλεσμα να μπορούμε να «παίξουμε» στο εργαστήριο είτε αλλάζοντας το οργανικό είτε το μεταλλικό κομμάτι. Αλλά τα πράγματα δεν είναι (ποτέ) όσο απλά όσο ακούγονται… Το παραπάνω πλέγμα σχηματίζεται μέσα σε διάλυμα, και οι πόροι του καταλαμβάνονται από μόρια διαλύτη. Όταν λοιπόν προσπαθούμε να αφαιρέσουμε τον διαλύτη από το στερεό μας, τότε υπάρχει μεγάλος κίνδυνος ο σκελετός να καταρρεύσει και το κρυσταλλικό υλικό να γίνει άμορφο. Επίσης, δεν είχε επιτευχθεί να κατασκευαστεί υλικό με μεγάλη διάμετρο πόρου. Την λύση σε αυτά τα δύο προβλήματα την έδωσε ο Yaghi και οι συνεργάτες του στα τέλη των ‘90s. Τι έκαναν αυτοί οι ερευνητές; Αύξησαν την ισχύ του πλέγματος με το να επιλέξουν αρχικές ενώσεις οι οποίες συναρμολογούν ένα δίκτυο σταθερών συμπλόκων και κελιών. Κι από τότε, ένα νέο πεδίο της ανόργανης, κατά κύριο λόγο, χημείας άνοιγε τα φτερά του. Οι εντυπωσιακές γεωμετρίες, οι μεγάλοι πόροι και κατ’ επέκταση η μεγάλη επιφάνεια των υλικών αυτών τα καθιστούν αντικαταστάτες των φυσικών και συνθετικών ζεολίθων. Αυτό σημαίνει πως έχουν την δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν ως μέσα αποθήκευσης αερίων, ως καταλύτες και ως μοριακοί ανιχνευτές. Ιδιαίτερη προσοχή έχει δοθεί σε αυτά τα υβριδικά πλέγματα ως υποψήφια μέσα αποθήκευσης και μεταφοράς αέριου υδρογόνου, κάτι που θα οδηγήσει την ανθρωπότητα σε χρησιμοποίηση καθαρών, «πράσινων» καυσίμων. Επίσης, έχουν προταθεί και για παρασκευή μεμβρανών ικανών να διαχωρίζουν και να αποθηκεύουν διοξείδιο του άνθρακα από τα αέρια απόβλητα βιομηχανικών διεργασιών. Οι ιδιότητες αυτές επηρεάζονται άμεσα από την στοιχειομετρία των πλεγμάτων. Αυτό σημαίνει πως μεταβάλλοντας είτε το μεταλλικό, είτε το οργανικό κομμάτι των υλικών, μπορούμε να επιτύχουμε καλύτερα αποτελέσματα ως προς την επιθυμητή ιδιότητα. Το γεγονός αυτό μας επιτρέπει να συνθέτουμε νέα υλικά που να εξειδικεύονται στις δικές μας ανάγκες. Το πιο διάσημο ίσως μέταλλο-οργανικό πλέγμα είναι το MOF-5 (εικόνα). Το μεταλλικό του κομμάτι αποτελείται από τετραεδρικά σύμπλοκα του ψευδαργύρου (μπλε πυραμίδες) ενωμένα με το οργανικό μέρος (τερεφθαλικό οξύ), σχηματίζοντας κατ’ αυτόν τον τρόπο το σκελετό του πλέγματος. Ως κίτρινη σφαίρα αναπαριστούμε τον πόρο του υλικού. Ανάμεσα στις εκπληκτικές ιδιότητες του MOF-5, ξεχωρίζει η μεγάλη επιφάνειά του (2900 τετραγωνικά μέτρα ανά γραμμάριο!) και η μικρή του πυκνότητα (0.59g cm-3). Μετά την επιτυχία που γνώρισε το MOF-5, παρασκευάστηκε ολόκληρη οικογένεια νέων υλικών χρησιμοποιώντας απλώς διαφορετικό οργανικό ή μεταλλικό κομμάτι. Ιδιαίτερη αναφορά πρέπει να γίνει στο MOF-177, το οποίο έχει επιφάνεια 4500 τετραγωνικά μέτρα ανά γραμμάριο! Αυτό αποτελείται επίσης από οξείδια του ψευδαργύρου, ενωμένα αυτή τη φορά με οργανική ένωση που περιέχει τέσσερα βενζόλια, σχηματίζοντας κατ’ αυτόν τον τρόπο υλικό με μεγαλύτερη επιφάνεια. Άλλη «διάσημη» οικογένεια υβριδικών υλικών είναι η οικογένεια των MIL (Materials of Institute Lavoisier), από τα οποία έχουν ξεχωρίσει τα MIL-53 και MIL-101. Συγκεκριμένα, το MIL-101 αποτελείται από σύμπλοκα χρωμίου και τερεφθαλικό οξύ, ενώ η επιφάνειά του έχει υπολογισθεί ότι μπορεί να φτάσει ως και 5900 τετραγωνικά μέτρα ανά γραμμάριο! 
50 χρόνια πριν, ο Richard Feynman είχε αναρωτηθεί ως προς το πώς θα ήταν οι ιδιότητες των υλικών, αν θα μπορούσαμε να διευθετήσουμε τα άτομα όπως εμείς θα θέλαμε. Η εποχή αυτή έχει πλέον φτάσει, αφού πλέον μπορούμε να σχεδιάζουμε νέα υλικά ανάλογα με τις απαιτήσεις μας. Λαμβάνοντας υπ’ όψιν όλα τα παραπάνω, αναμένουμε τα επόμενα χρόνια έκρηξη της επιστήμης των MOFs, τόσο σε επίπεδο βασικής έρευνας, όσο και σε επίπεδο βιομηχανικών εφαρμογών. Ήδη τα πρώτα αποτελέσματα είναι άκρως ενθαρρυντικά και ευελπιστούμε σε αντίστοιχη συνέχεια, δεδομένου ότι μπορούν να προσφέρουν λύσεις σε μείζονα προβλήματα της εποχής μας. Συγγραφή και επιμέλεια : Βογιατζής Κωνσταντίνος
Βιβλιογραφία 1. Service, R. F. Framework Materials Grab CO2 and Researchers’ Attention. Science 2008, 319, 893. 2. Li, H., Eddaoudi, M., O’Keeffe, M., Yaghi, O. M. Design and Synthesis of an Exceptionally Stable and Highly Porous Metal-Organic Framework. Nature 1999, 402, 276. 3. Chae H. K., Siberio-Perez, D. Y., Kim, J., Go, Y., Eddaoudi, M., Matzger, A. J., O’Keeffe, M., Yaghi, O. M. A Route to High Surface Area, Porosity and Inclusion of Large Molecules in Crystals. Nature 2004, 427, 523. 4. Ferey, G., Mellot-Draznieks, C., Serre, C., Millange, F., Dutour, J., Surble, S., Margiolaki, I. A Chromium Terephthalate-Based Solid with Unusually Large Pore Volumes and Surface Area. Science 2005, 309, 2040.
|
|
|
Group 3 Collection
Χημεία και καθημερινή ζωή Συγγραφέας: Αναστάσιος Βάρβογλης Εκδόσεις: Κάτοπτρο, 2006
Εδώ και καιρό έχει αναγνωριστεί η πρωτοκαθεδρία της Χημείας ως κεντρικής επιστήμης. Η δομή και οι μεταβολές της ύλης που υπάγονται στην δικαιοδοσία της ερμηνεύουν την συμπεριφορά και όχι μόνο του άψυχου κόσμου αλλά και των έμβιων όντων. Ακόμη και η βιολογία όταν θεωρηθεί σε μοριακο επίπεδο, δεν αποτελεί παρά ένα είδος περίπλοκης χημείας. Διαβάστε περισσότερα...
Group 4 Assortment
Molecules that changed the world Συγγραφέας: K.C.Nicolaou , Tamsyn Montagnon Εκδόσεις: Wiley-VCH - 1η έκδοση - 20 Μαρτίου 2008
Σε αυτό το εκπληκτικά σχεδιασμένο βιβλίο, ο K.C. Nicolaou παρουσιάζει τα πιο σημαντικά μόρια και δείχνει με εντυπωσιακό τρόπο τον ρόλο που διαδραματίζουν ορισμένες ενώσεις στην καθημερινή μας ζωή στα πεδία των φαρμάκων, των αρωμάτων και των βιταμινών.Επί παραδείγματι, εξιστορεί τη πορεία της ασπιρίνης, ξεκινώντας από την Αίγυπτο 3500 χρόνια πριν, αναφέροντας την πρώτη της σύνθεση και τις πολλαπλές εφαρμογές της... Διαβάστε περισσότερα...
|
Χημικά Νέα
Φωτοπολυμερισμός νανοσωματιδίων χρυσού Στόχος αυτής της εργασίας ήταν η προετοιμασία νανοσωματιδίων, με ελεγχόμενο μέγεθος και σχήμα πολυμερών, όπως τα πολυδιακετυλένια, τα οποία έχουν πολύ ενδιαφέρουσες ιδιότητες... Διαβάστε περισσότερα...
Μαγειρικό αλάτι...κατά του καρκίνου; Επιστήμονες από την Κορέα χρησιμοποίησαν μαγειρικό αλάτι, ώστε να δημιουργήσουν μια πορώδη “νανοβόμβα” με βάση το πυρίτιο, η οποία κυριολεκτικά θα ανατινάζει καρκινικά κύτταρα... Διαβάστε περισσότερα...
Προστατεύοντας την καρδιά Μια πρωτεΐνη που μειώνει τις καρδιακές βλάβες στα ποντίκια ίσως να αποτελεί το κλειδί για την προστασία των ανθρώπων σε περίπτωση καταστάσεων που ενδεχομένως να απειλούν τη ζωή τους... Διαβάστε περισσότερα...
Βιώσιμα βιοκαύσιμα; Το "stover" αραβόσιτου αποτελείται από τα φύλλα και τους μίσχους των καλλιεργειών αραβοσίτου τα οποία απομένουν στους αγρούς μετά τη συγκομιδή των εδώδιμων κόκκων. Διαβάστε περισσότερα...
Νανοϋλικά αποθήκευσης υδρογόνου Η χρησιμοποίηση του υδρογόνου ως πράσινη πηγή ενέργειας για τα αυτοκίνητά μας αποτελεί αντικείμενο έντονης μελέτης τα τελευταία χρόνια. Βασικό ελάττωμα της τεχνολογίας αυτής αποτελεί η αποθήκευση του υδρογόνου...
Διαβάστε περισσότερα...
Σπογγώδεις σωλήνες άνθρακα αναλαμβάνουν δράση Ένα νέας μορφής ανθρακικό υλικό, πιθανότατα ελαφρύτερο και πιο δυνατό από τις συνηθισμένες ανθρακικές ίνες, ανακαλύφθηκε... Διαβάστε περισσότερα...
|