Svaki dan u atmosferu ispuštamo ogromne količine ugljikovog dioksida (CO2). Ovaj staklenički plin, koji nastaje izgaranjem fosilnih goriva, jedan je od glavnih uzročnika klimatskih promjena. No, što kad bismo mogli "uhvatiti" taj CO2 izravno iz zraka kao što to rade stabla? Za ovu i mnoge druge primjene su nam potrebne posebne tvari koje nazivamo poroznim materijalima, a upravo na njima rade znanstvenici s Instituta Ruđer Bošković (IRB), u zanimljivom istraživanju koje vodi dr. sc. Ivana Brekalo iz Laboratorija za održivu i primijenjenu kemiju, Zavoda za fizičku kemiju.
Problem je složen jer trebamo posebne materijale koji mogu "zarobiti" molekule CO2 iz zraka i sigurno ih uskladištiti, poput neke vrste molekulskih spužvi. Takvi materijali, koje znanstvenici nazivaju poroznim materijalima, prepuni su sićušnih šupljina u koje se mogu smjestiti molekule plina. No, stvaranje takvih materijala nije jednostavno.
"Za većinu materijala njihova je funkcija izravno povezana s njihovom molekularnom ili atomskom strukturom, koja diktira njihova svojstva. Nažalost, strukturu materijala - posebno kada se radi o mekim, molekularnim materijalima - teško je, ponekad i nemoguće predvidjeti, pa često za otkrivanje materijala koristimo opsežna eksperimentalna pretraživanja na temelju kemijske intuicije", navodi dr. Brekalo.
Ovaj pristup je inherentno neodrživ, jer troši velike količine reagensa, energije i vremena na eksperimente s malom vjerojatnošću uspjeha. Osim toga, većina trenutnih sintetskih metoda je solvotermalne prirode, zahtijevajući velike količine potencijalno štetnih, toksičnih i skupih otapala koja na kraju postanu otpad i treba ih pažljivo tretirati.
Ironično, jer u pokušaju da riješimo ekološke probleme, zapravo stvaramo nove.
No, dr. Brekalo i njezin tim razvijaju potpuno drugačiji pristup. Umjesto korištenja otapala, oni primjenjuju mehanokemiju - metodu u kojoj se kemijske reakcije pokreću mehaničkom silom. To je poput mljevenja kave, samo na molekularnoj razini. Baš kao što će mljevena kava puno brže pripraviti napitak od cijelih zrna kave, tako će i usitnjene polazne tvari puno brže i lakše reagirati i dati nam željene produkte.
Ova metoda ne zahtijeva štetna otapala, brža je, sigurnija i energetski učinkovitija od tradicionalnih pristupa. S nekoliko grupa koje se bave vrhunskom mehanokemijom, IRB je jedna od vodećih institucija u svijetu koje se bave ovom tematikom.
Tim dr. Brekalo otišao je i korak dalje te kombiniraju mehanokemiju s naprednim računalnim metodama koje pokušavaju predvidjeti koje će kombinacije polaznih tvari i nastalih materijala najbolje funkcionirati. Ovaj pristup, koji nazivaju računalno potpomognuto mehanokemijsko templatiranje (CAMT), značajno smanjuje vrijeme i resurse potrebne za pronalazak novih materijala.
Porozni materijali imaju nezgodnu prirodu – vole se urušiti
Pronalazak novih materijala je još više otežan kada su u pitanju porozni materijali čija svojstva ovise o preciznoj veličini, prirodi i obliku šupljina unutar njihove strukture. Zamislite da pokušavate izgraditi kuću od kockica punu velikih hodnika i malih prolaza, ali svaki put kada je završite, ona se uruši sama od sebe. Slično je i s poroznim materijalima - oni prirodno teže tome da se "uruše" i izgube svoje dragocjene šupljine.
Zbog toga Ruđerov tim znanstvenika koristi drugi pristup koji se temelji u korištenju posebnih molekula koje djeluju kao "templati" – komadići molekulske armature koji djeluj kao gosti unutar strukture proznih materijala i stabiliziraju ih međumolekularnim interakcijama, sprječavajući urušavanje porozne strukture.
Uz to što sprječavaju da se porozni materijal "uruši" sam u sebe, oni ograničavaju mogući strukturni krajolik poroznih materijala, tako da se dobivaju samo željene strukture, kao kad biste prvo postavili stupove, a zatim oko njih slagali kockice i gradili zidove.
Treće, ti templati mogu materijalu prenijeti svoju funkcionalnost i dati posebna svojstva - mogu ga učiniti magnetičnim, pomoći mu da ubrza kemijske reakcije ili čak da reagira na svjetlost.
Iako do sada sve zvuči odlično, ipak postoji jedan problem. Još uvijek ne možemo unaprijed znati koje molekule će biti dobri templati za određenu strukturu. To je kao da pokušavate pogoditi koji će potpornji najbolje držati vašu kuću od kockica, ali bez nacrta ili proračuna, tako da ih morate sve isprobati i vidjeti koji najbolje djeluju. Tim dr. Brekalo se nada da će njihov CAMT pristup smanjiti broj mogućih templata, kako bi se lakše i brže pronašli novi materijali za rastuće potrebe našeg društva.
Mogućnosti primjene su velike, od poljoprivrede do visokotehnološke industrije
Posebno je važno što je ovaj pristup lako skalirati na industrijsku razinu. "Oprema potrebna za skaliranje mehanokemije već postoji u lokalnoj hrvatskoj industriji," objašnjava dr. Brekalo. "Ekstruderi se koriste za proizvodnju polimera i u prehrambenoj industriji, a mlinovi s bubnjem se intenzivno koriste u industriji cementa, u višetonskim razmjerima. Sintetiziranje proizvoda visoke dodane vrijednosti pomoću mehanokemije stavilo bi nas na čelo svjetskog održivog razvoja i uvelike bi koristilo našem gospodarstvu, a ne bi opterećivalo naš okoliš i stanovništvo."
Potencijalne primjene ovog istraživanja su brojne - od hvatanja CO2 iz atmosfere i skladištenja vodika kao čistog goriva do stvaranja učinkovitijih katalizatora za industrijske procese. Time bi se moglo značajno doprinijeti globalnim naporima u borbi protiv klimatskih promjena i razvoju održivijih tehnologija.
Rad dr. Brekalo i njenog tima pokazuje da je moguće provoditi vrhunska znanstvena istraživanja na način koji je istovremeno učinkovit i ekološki prihvatljiv. Njihov inovativni pristup ne samo da ubrzava proces otkrivanja novih materijala, već i značajno smanjuje njegov ekološki otisak, postavljajući nove standarde u području održivog razvoja materijala budućnosti.
Ovo istraživanje provodi se u sklopu projekta NPOO.C3.2.R2-I1.06.0049 "Mehanokemijsko templatiranje potpomognuto računalnom kemijom za ciljanu i održivu sintezu funkcionalnih materijala" koji financira Europska unija – NextGenerationEU."
