Ερευνητές ανακάλυψαν μια ασυνήθιστη νέα μορφή αλουμινίου που αμφισβητεί παγιωμένες παραδοχές για τη συμπεριφορά αυτού του κοινού μετάλλου.
Συγκεκριμένα, ερευνητές στο King’s College του Λονδίνου ταυτοποίησαν μια ασυνήθιστη νέα μορφή αλουμινίου, ενός από τα πιο άφθονα μέταλλα στον φλοιό της Γης.
Η ανακάλυψη υποδεικνύει ένα πολύ φθηνότερο και πιο βιώσιμο υποκατάστατο για τις σπάνιες γαίες, οι οποίες χρησιμοποιούνται ευρέως στη σύγχρονη τεχνολογία και τη βιομηχανία.
Η Δρ. Clare Bakewell, ανώτερη λέκτορας στο Τμήμα Χημείας, ηγήθηκε της μελέτης. Η ομάδα της δημιούργησε εξαιρετικά δραστικά μόρια με βάση το αλουμίνιο, ικανά να σπάσουν μερικούς από τους ισχυρότερους χημικούς δεσμούς.
Τα ευρήματά τους, που δημοσιεύθηκαν στο Nature Communications, περιγράφουν επίσης μοριακές δομές που δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ στο παρελθόν, ανοίγοντας τον δρόμο για νέους τύπους χημικής δραστικότητας.
Ένα κεντρικό επίτευγμα της έρευνας είναι η πρώτη αναφερθείσα περίπτωση ενός κυκλοτριαλουμανίου (cyclotrialumane). Αυτή η ένωση αποτελείται από τρία άτομα αλουμινίου συνδεδεμένα μεταξύ τους σε έναν τριγωνικό σχηματισμό.
Η δομή των τριών ατόμων παρουσιάζει ένα ασυνήθιστο επίπεδο δραστικότητας, ενώ παραμένει ανέπαφη όταν διαλύεται σε διαφορετικά διαλύματα.
Αυτή η σταθερότητα του επιτρέπει να συμμετέχει σε μια ποικιλία χημικών διεργασιών. Μεταξύ αυτών είναι η διάσπαση του διυδρογόνου, καθώς και η ελεγχόμενη εισαγωγή και ανάπτυξη αλυσίδας του αιθενίου –ενός υδρογονάνθρακα με δύο άτομα άνθρακα, που αποτελεί βασικό δομικό λίθο στη χημική βιομηχανία.
Μείωση της εξάρτησης από τα πολύτιμα μέταλλα
Τα μέταλλα παίζουν ουσιαστικό ρόλο στην παραγωγή τόσο βασικών όσο και εξειδικευμένων χημικών προϊόντων. Ωστόσο, πολλές βιομηχανικές αντιδράσεις, ειδικά εκείνες που περιλαμβάνουν κατάλυση, εξαρτώνται από πολύτιμα μέταλλα όπως ο λευκόχρυσος (πλατίνα). Η εξόρυξη και η επεξεργασία αυτών των υλικών είναι δαπανηρή και μπορεί να προκαλέσει σημαντική περιβαλλοντική ζημιά.
Οι επιστήμονες αναζητούν εδώ και καιρό εναλλακτικά μέταλλα για χρήση σε χημικούς μετασχηματισμούς. Η Δρ. Clare Bakewell δήλωσε:
«Τα μέταλλα μετάπτωσης είναι οι ‘εργάτες’ της χημικής σύνθεσης και της κατάλυσης – όμως πολλά από τα πιο χρήσιμα γίνονται όλο και πιο δύσκολο να εντοπιστούν και να εξορυχθούν, καθώς συχνά βρίσκονται σε περιοχές με πολιτική αστάθεια, γεγονός που αυξάνει τη ζήτηση και την τιμή τους. Οι χημικοί στρέφονται προς πιο κοινά στοιχεία του περιοδικού πίνακα, και εμείς επιλέξαμε το αλουμίνιο, καθώς είναι εξαιρετικά άφθονο, γεγονός που το καθιστά περίπου 20.000 φορές φθηνότερο από πολύτιμα μέταλλα όπως ο λευκόχρυσος και το παλλάδιο».
Πέρα από την απομίμηση των μετάλλων μετάπτωσης
Πέρα από τον σχεδιασμό ενώσεων αλουμινίου για συνθετικές εφαρμογές, η ομάδα αποκάλυψε εντελώς νέες οδούς χημικών αντιδράσεων. Η Dr. Bakewell δήλωσε: «Το ιδιαίτερο σε αυτή την εργασία είναι ότι διευρύνουμε τα όρια της χημικής γνώσης. Το πιο συναρπαστικό είναι ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτό το τρίμερες αλουμινίου για να κατασκευάσουμε εντελώς νέες ενώσεις με επίπεδα δραστικότητας που δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ στο παρελθόν – αυτές περιλαμβάνουν τους 5-μελείς και 7-μελείς δακτυλίους αλουμινίου και άνθρακα που σχηματίζονται μέσω της αντίδρασης με το αιθένιο. Αυτές οι δυνατότητες ξεπερνούν τα μέταλλα μετάπτωσης που αρχικά προσπαθούσαμε να μιμηθούμε, φτάνοντας στην πρώτη γραμμή της χημικής έρευνας».
Η Bakewell πιστεύει ότι αυτή η χημεία θα μπορούσε να επιτρέψει στους επιστήμονες να εφεύρουν νέους τύπους αντιδράσεων και να συνθέσουν μεγαλύτερες μοριακές δομές με ιδιαίτερες ιδιότητες.
Τέτοιες πρόοδοι μπορεί τελικά να υποστηρίξουν την ανάπτυξη νέων υλικών και βιομηχανικών προϊόντων. Η ίδια δήλωσε: «Βρισκόμαστε σε μεγάλο βαθμό σε διερευνητική φάση και είμαστε μόλις στην αρχή της προσπάθειας να ξεκλειδώσουμε τις δυνατότητες αυτών των υλικών που αφθονούν στη γη. Αλλά από όσα έχουμε δει ήδη, αυτή η χημεία θα μπορούσε να υποστηρίξει τη μετάβαση σε μια καθαρότερη, πιο πράσινη και φθηνότερη χημική παραγωγή, κάνοντας παράλληλα νέες ανακαλύψεις στη διαδρομή».