A harmadik évezred alkímiája

Korunk alkimistái olyan vegyészek, akik olcsóbb elemekkel próbálják helyettesíteni a nagyipari gyártási folyamatokban katalizátorként használt nemesfémeket és egyéb ritka anyagokat.

A harmadik évezred alkímiája

1. oldal

Az alkímia hívei az ókor óta rendületlenül, ám sikertelenül próbálkoztak azt elérni, hogy a vashoz vagy ólomhoz hasonló közönséges fémeket olyan értékes anyagokká alakítsák, mint az arany vagy a platina. Paul Chirik, a Princeton vegyésze mágikus praktikák helyett tudományos úton igyekszik megvalósítani ugyanezt, és úgy tűnik, hogy jó úton halad. A kutatónak sikerült olyan vasat csinálnia, amely kémiai reakciókban úgy működik, mintha platina lenne. Sajnálatos módon ő sem képes a vasdarabot csillogó-villogó ékszerekké változtatni, eredményei azonban ugyanúgy kincset érhetnek, ha helyet kapnak a nagyipari gyártási folyamatokban.

Módszere révén újfajta gyártástechnológiák terjedhetnek el, és lehetőség nyílhat arra, hogy a gyártók elkerüljék azon elemek használatát, amelyek túl ritkák, drágák, vagy akár technikai, akár geopolitikai okokból nehezen hozzáférhetőek. „Egyetlen vegyész sem gondolja úgy, hogy a lítiumból hiány lehet, de mi lesz akkor, ha minden egyes autóba lítiumion-akkumulátor kerül?” – kérdi Chirik. Ezek azok az okok, amelyek miatt a kémiának lépéselőnyben kell lennie a technológiával szemben. Adaptálható megoldásokat kell kiötlenünk, folytatja.

Az irídiumot, a platinát és a ródiumot magas áruk és relatív ritkaságuk ellenére is számos gyártási folyamatban használjuk a farmergyártástól kezdve, a sörfőzésen és a gyógyszergyártáson át, az üzemanyagcellák előállításáig. Az értékes fémeket elsődlegesen katalizátorként alkalmazzák az egyes részfolyamatok során, mivel ezekkel segítik elő a vegyi reakciók gyorsabb lefolyását.

Chirik úgynevezett oldott katalizátorokkal foglalkozik, amelyek benne maradnak a végtermékben. Egyfajta platinatartalmú oldatot használnak például az olyan szilikonos emulgeálószerek létrehozására, amelyek létfontosságúak a kozmetikai termékek, edények és ragasztók gyártásához. Az ilyen katalizátorok drága részecskéi rengeteg termékben megtalálhatók, a farmer is aprócska platinadarabkákat tartalmaz például, mivel ezeket lehetetlen kinyerni a végtermékből a gyártási folyamat végeztével. „Attól nem kell félni, hogy kimerítjük a platinakészleteket, de ezek a procedúrák hosszú távon fenntarthatatlanok lesznek” – mondja Mathew Hartings, a Washingtoni Egyetem vegyésze.

Chirik módszere abban áll, hogy a vasmolekulát egy ligandumnak nevezett organikus molekulába csomagolja bele, amely megváltoztatja az eredeti molekula kötés kialakítására képes elektronjainak számát, valamint egyfajta külső állványzatként új formát ad a molekulának. „A geometria pedig nagyon fontos eleme a kémiának” – mondja Hartings. A ligandum által módosított forma az egyik előfeltétele annak, hogy vas el tudja látni a feladatát a katalizálni kívánt reakciók elősegítésében.

Chirik laboratóriumában a vason kívül annak periódusos rendszerbeli szomszédjával, a kobalttal is foglalkoznak. Ez utóbbi felhasználásával olyan új reakciót sikerült létrehozniuk, amelyhez hasonlóval korábban még nem találkoztak. A végtermék egy új típusú műanyag, amelyet nagyon olcsó anyagokból lehet előállítani. A kobalt ára azonban jelentősen megugrott a kutatás kezdeti időszakához képest, mivel az iPadok és iPhone-ok akkumulátorainak egyik összetevőjéről van szó. „Az iPad megjelenése teljesen megváltoztatta a kobalt megítélését: valami, ami sokáig teljesen értéktelennek tűnt, hirtelen nagyon is értékes lett” – mondja Chirik.

És míg a kobalt emelkedő ára talán keresztülhúzza a labor kutatóinak számítását, ami az olcsó műanyaggyártást illeti, ez az eset remek példája annak, hogy a technológiai fejlesztéseket kiszolgáló iparágakban milyen fokú rugalmasságra van szükség. 

2. oldal

A bőségesebben hozzáférhető elemek katalizátorként való felhasználása logikus lépés, és igény is mutatkozik rá, mondja Roderick Eggert, a Coloradoi Bányászati Egyetem közgazdásza. A mesterségesen előállított kémiai anyagok, és az ezek közreműködésével legyártott végtermékek létrehozása az esetek túlnyomó többségében katalizátorokat igényel. A katalizátorok többsége viszont nemesfém, vagyis platina, palládium vagy ródium, és mint ilyen, nagyon drága. Egy kilogramm platina 48 500 dollárba kerül, egy kiló vas ára viszont alig haladja meg az egy dollárt.

Kémia szakos egyetemi hallgatóként Chirik olyan reakciókkal kísérletezett, amelyekben irídiumot használt katalizátorként. Ennek kilogrammonkénti ára 35 ezer dollár, így nem csoda, hogy a labor vezetője íróasztala egyik zárható fiókjában tartotta kincset érő anyagot. „Be kellett menni az irodába, majd az irídiumot két kézbe fogva, közben senkihez egy szót sem szólva, óvatosan átsétálni a laborba” – meséli a kutató. Ez az élmény adta az ötletet mostani kutatási területéhez: azon kezdett gondolkodni, hogy nem lehetne-e ugyanazt a hatást olcsóbb anyagokkal elérni.

A princetoni laborban egy vákuumkamrában vizsgálják az új tulajdonságokkal rendelkező vasat, hogy megakadályozzák annak rozsdásodását. A korrózió lehet a vas katalizátorként való használatának az egyik legnagyobb akadálya, mivel ennek megakadályozása nem egyszerű és nem is olcsó. „Nem arról van szó. hogy összeütünk otthon egy tál spagettit” – mondja Chirik, utalva arra, hogy milyen anyagmennyiségekről van szó, amikor ipari méretekben folynak a vegyi reakciók. Azt már csak a jövő döntheti el, hogy a levegőre érzékeny katalizátor használata kapcsán felmerülő problémákon túl lehet-e lépni annak érdekében, hogy ne a drága, és súlyos környezeti károk árán hozzáférhető nemesfémeket kelljen használni a továbbiakban.

Chirik laborjában két edényben látszólag teljesen egyforma ragasztó található: az egyik vas, a másik platina katalizátorral készült. Ennek megvalósításához azonban csaknem egy évtized munkája kellett. „Az egyik ok, amiért többségünk tanulmányozni kezdte ezt a fajta kémiát az, hogy a fémtartalmú keverékek nagyon érdekes színvilágot vonultatnak fel, amelyet egyszerűen jó látni” – mondja a kutató. „Ha azonban olyasvalamin dolgozunk, amiből ragasztó vagy egy sampon alapanyaga lesz, nem igazán előnyös, ha fekete a színe.”

Chirik kutatásának egyik fő támogatója a Chevron and Momentive nevű szilikongyártó cég, és a Merck gyógy- és vegyszergyár is a szponzorok közé tartozik, mivel számos gyártási folyamatukban használnak ródiumot vagy palládiumot katalizátorként. A Chevron and Momentive mérnökei jelenleg egy olyan üzemanyagbarát autógumin dolgoznak, amelynek előállítása során vasat használnak katalizátorként a megszokott platina helyett.

Chirik laborjában egy másik nagy projekt is folyik, olyan katalizátorokat keresnek, amelyek segítségével a levegő nitrogénjét hatékonyabb módon lehet átalakítani, hogy például műtrágyát, vagy éppen szőnyeg-alapanyagot gyártsanak belőle. A jelenleg a légköri nitrogénból a Haber–Bosch-eljárással állítanak elő ammóniát, ez azonban olyannyira energiaigényes, hogy a globális energiafelhasználás egy teljes százalékát teszi ki.

A fenntartható fejlődés megvalósítása során általában olyan dolgokra koncentrálunk, mint a kiürült műanyag palackok újrafelhasználása vagy az üzemanyag-fogyasztás csökkentése, mondja Chirik. Ezek is fontosak persze, de csak egy részletét jelentik a teljes képnek. Arra is figyelnünk kell, hogyan gyártjuk le a különféle termékeket.

„Ha megveszünk egy farmert, a periódusos rendszer legfurcsább és igen ritka elemeit használták annak előállításához” – mondja Chirik. „Megvásárolunk egy Priust, és azt hisszük, hogy jót tettünk vele a környezetnek, de közben a gyártás során felhasznált neodímium egy mongol külszíni fejtésből származik.” Igazi ökológiai tudatosságról majd akkor beszélhetünk, ha teljesen leállunk a ritka és csak nagy környezeti károk árán bányászható anyagok felhasználásával, vallja a szakértő. 

Tesztek

{{ i }}
arrow_backward arrow_forward
{{ content.commentCount }}

{{ content.title }}

{{ content.lead }}
{{ content.rate }} %
{{ content.title }}
{{ totalTranslation }}
{{ orderNumber }}
{{ showMoreLabelTranslation }}
A komment írásához előbb jelentkezz be!
Még nem érkeztek hozzászólások ehhez a cikkhez!
Segíts másoknak, mond el mit gondolsz a cikkről.
{{ showMoreCountLabel }}

Kapcsolódó cikkek

Magazin címlap arrow_forward