10 نوآوری حوزه شیمی که دنیا را متحول خواهند کرد!

گروه ترجمه و تولید محتوا در بسپار/ ایران پلیمر مرکز بین‌المللی Iupac به مناسبت صدمین سالگرد تاسیس خود فهرستی از 10 نوآوری را در حوزه شیمی معرفی کرده است؛ فناوری‌هایی که جایگاهی در میان کشف شدن و تجاری شدن دارند و آینده دنیا را تغییر خواهند داد.

این 10 مورد گستره‌ای از فناوری‌های مشخص (مانند بازیافت پلاستیک) تا فناوری‌های ناشناخته‌تر (مانند اکستروژن واکنشی) را شامل می‌شوند و توسط گروهی متشکل از 5 صنعتگر و استاد دانشگاه به عنوان فناوری‌هایی انتخاب شده‌اند که در آینده زندگی بر روی زمینی پایدارتر را برای ما ممکن می‌کنند. Iupac فهرست بعدی این فناوری‌ها را در جولای 2020 منتشر خواهد کرد.

1- سم‌های نانویی

سم‌هایی که با فناوری نانو فرموله شدند و می‌توانند بدون ایجاد آلودگی در محیط یا بدون از بین بردن همه موجودات زنده – مانند سازوکار نئونیکوتین‌ها که همه چیز را از بین می‌برند – سم را به جایی که لازم است برسانند. ما به مواد شیمیایی برای کشاورزی نیاز داریم که پاسخگوی جمعیت 10 میلیارد نفری کره زمین تا سال 2050 باشد.

تاکنون تنها در برخی از مطالعات انجام‌شده مشخص شده است که مواد نانوشیمیایی کارآمدتر از محصولات مشابهی هستند که پیش‌تر از آن‌ها استفاده می‌شد؛ با این حال هیچ یک هنوز به صورت میدانی مورد آزمایش قرار نگرفته است.

نانوسمومی که بدون آسیب رساندن به زنبورها، آفت‌ها را از میان می‌برند.

2- کاتالیز طبیعی انانتیوگزین‌ها

ایده جایگزین کردن کاتالیزرهای فلزی گران‌قیمت و غیرپایدار با مولکول‌های کوچک و طبیعی در واکنش‌های شیمیایی بسیار جذاب است. این کاتالیزرهای طبیعی اغلب از معادل‌های فلزی‌شان سخت‌ترند و برخی از انواع آن‌ها مانند شکر و آمینواسیدها به عنوان انانتیومرها به راحتی در دسترس هستند. هم‌اکنون صدها واکنش با استفاده از کاتالیزر طبیعی انانتیوگزین وجود دارد که از یک فروکتوز اصلاح شده به عنوان کاتالیزر استفاده می‌کنند. برخی واکنش‌ها مانند جفت شدن کربن‌ها وجود دارد که به نظر در آن‌ها کاتالیزرهای فلزی بهتر عملی می‌کنند اما این مسئله در حال تغییر است.

3- باتری‌های حالت جامد

این باتری‌ها سبک‌ترند، عملکرد بهتری در دماهای بالا دارند، انرژی بیشتری ذخیره می‌کنند و اشتعال‌پذیر نیستند. همه باتری‌های حالت جامد این قابلیت را دارند که در عملکردشان از باتری‌های لیتیومی فعلی پیشی بگیرند. اما در عین حال برخی نمونه‌ها مانند باتری که توسط John Goodenough مخترع برنده جایزه نوبل طراحی شده است وجود دارند که هنوز برای تولید انبوه گران‌قیمت هستند.

با این حال شرکت‌هایی مانند Dyson and Toyota سرمایه‌گذاری‌های بزرگی در توسعه باتری‌های حالت جامد برای خودروهای برقی انجام داده‌اند.

4- شیمی جریانی

این مسئله که سنتز مواد در جریان می‌تواند اغلب ارزان‌تر، با بازده بیشتر و ضایعات کمتر و گاهی حتی ایمن‌تر از تولید دسته‌ای باشد، هم در مقیاس آزمایشگاهی و هم در ابعاد صنعتی اثبات شده است. چنین سازوکاری همچنین منجر به خودکارسازی خواهد شد و این امکان را برای شیمی‌دان‌ها فراهم می‌کند که در طول یک روز هزاران واکنش را انجام دهند. ترکیب شیمی جریان پیوسته و سنتز بسپارها می‌تواند آمیزه‌هایی تولید کند که در روش‌های قدیمی قابل انجام نبوده است. سنتز در جریان نیازمند تجهیزات تخصصی است، هر چند این راهکار هزینه چندانی ندارد.

5- واکنش شیمیایی- مکانیکی و اکستروژن واکنشی

واکنش شیمیایی- مکانیکی – شامل واکنش‌هایی که نیروهای مکانیکی را برای واکنش شیمیایی در سطح مولکولی اعمال می‌کنند – در برخی موارد امکان انجام فرایندهایی را ممکن است که با روش‌های قدیمی سنتز انجام‌پذیر نبوده است. اما دانشمندان همچنان در حال تلاش برای درک چگونگی این فرایند در سطح مولکولی هستند.

اما چنین مسئله‌ای سبب نشده است که فرایندهای شیمیایی- مکانیکی رشد نکنند. اکستروژن واکنشی یک روش تولید در کارخانه‌های بسپار است که سنتز را به صورت ترکیبی انجام می‌دهد و به فرایندی بدون حلال تبدیل می‌شود.

6- چارچوب‌های فلزی-آلی

چارچوب‌های فلزی- آلی در حال حاضر به صورت تجاری تولید شده‌اند. ویژگی اسفنجی مواد که سبب جذب آب از هوا (حتی در شرایط رطوبتی زیر 20%) می‌شود، نظر داوران موسسه Iupac را به ویژه جلب کرده است.

ابزاری که از چارچوب‌های فلزی – آلی ساخته شده و می‌تواند روزانه تنها به کمک نور خورشید و بدون نیاز به هر گونه انرژی اضافه چندین لیتر آب را جذب کرده و آزاد کند.

7- تکامل آنزیم‌های هدفمند

تکامل هدفمند که در سال 2018 برنده جایزه نوبل شیمی شد، در تولید آنزیم‌هایی مورد استفاده قرار می‌گیرد که واکنش‌های غیرمعمول که تاکنون به صورت طبیعی وجود نداشته است، انجام می‌دهد. برای نمونه هیچ آنزیم طبیعی نمی‌تواند پیوند کربن-سیلیکونی یا حلقه‌های کربنی سخت ایجاد کند. در عین اینکه این مولکول‌ها می‌توانند از طریق روش‌های سنتز موجود تولید شوند، اما ممکن است این واکنش‌ها عوامل واکنش خطرناک یا گران‌قیمتی داشته باشند.

آنزیم‌هایی که در آزمایشگاه تکامل یافتند این ادعا را ثابت کردند که دست کم به اندازه کاتالیزرهای شیمیایی کارآمد هستند. اما Arnold برنده جایزه نوبل تصور می‌کند که دانشمندان حتی به نیمی از پتانسیل‌های این ایده نزدیک نشده‌اند.

8- تبدیل بسپارها به تکپارها

برای ریشه‌کن کردن رشد موج عظیم پلاستیک‌های بازیافت نشده، دانشمندان مدت‌های زیادی است که به دنبال راهکارهایی برای تبدیل بسپار به تکپارهای سازنده‌اش هستند. تلاش‌های گسترده پژوهشی بر روی پلاستیک‌هایی متمرکز شده است که به صورت طبیعی در محیط زیست قابل تجزیه هستند و همچنین فرایندهایی که طی آن از بسپارها دوباره استفاده می‌شود. شیمیدان‌ها حتی میکروب‌هایی را کشف کردند که پلاستیک‌خوار هستند. اما عجالتا نفت خامی که در تولید پلاستیک‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد همچنان به قدری ارزان‌تر است که هیچ فرایند بازیافتی نمی‌تواند با آن رقابت کند؛ هر چند این وضعیت ممکن است در آینده تغییر کند.

9-غیرفعال‌سازی بازگشت‌پذیر بسپارش رادیکالی

این فرایند وابسته به رادیکال‌هایی است که امکان غیرفعال‌سازی و فعال‌سازی مجدد دارند. این شیوه از بسپارش از 20 سال قبل یک مزیت در سنتز بسپارهای خاص بوده است‌ و هم‌اکنون بیشترین واکنش بسپارش مورد استفاده است. با این حال همچنان فضا برای بهبودهایی در حوزه روش‌های بدون فلز و وابسته به نور وجود دارد.

10- چاپ سه بعدی سازه‌های زیستی

عجیب‌ترین مورد این فهرست که شاید به فیلم‌های علمی‌تخیلی شباهت دارد، چاپ سه بعدی ارگان‌های بدن انسان به صورت کامل یا جزئی از سلول‌های زنده است. پژوهشگران همین حالا موفق به چاپ کردن سه بعدی استخوان، رگ‌های خونی، نای و غضروف شده‌اند. در حالی که چاپ کردن کل یک ارگان هنوز محقق نشده است، اما شرکت‌های بزرگی مانند L’oreal، BASF و Procter & Gamble سرمایه‌گذاری‌های عظیمی بر روی چاپ پوست از سلول‌های فرد بیمار کرده‌اند که می‌تواند در آینده در پیوند پوست کاربرد داشته باشد.