В 10 тисяч разів швидше. Чому Фірташ повинен ненавидіти хіміків з Міннесоти
На відміну від біології, фізики і астрономії, хімія рідко дивує проривними відкриттями. Тим не менш сучасна економіка залежить від хімічних технологій самим критичним чином. Без них би зупинилися автомобільний і авіатранспорт, прийшло в занепад землеробство, заглухли багато галузей промислового виробництва. А раз так, то потенційно хімія загрожує сюрпризами, здатними до невпізнання перетворити наше повсякденне буття. І все питання в тому, коли ж вона ними розродиться.
Сенсація з Міннесоти
Можливо, саме таким неймовірним сюрпризом виявиться відкриття, яким вже похвалилися хіміки Міннесотського університету. Вони стверджують, що разом з колегами з Массачусетського університету в Амхерсті відкрили "нову технологію, яка може прискорювати хімічні реакції в 10 тис. разів порівняно з поточним межею швидкості реакції". Ці результати можуть збільшити швидкість і знизити вартість тисяч хімічних процесів, що використовуються при виробництві добрив, продуктів харчування, палива, пластмаси та іншої продукції, запевняють автори відкриття.
Звичайно, до такого роду анонсів потрібно ставитись без надмірного захоплення і зі здоровою часткою скепсису. Необхідні незалежні експериментальні перевірки. І навіть якщо ефективність цієї технології буде підтверджена хіміками з інших лабораторій, голосно оголошена сенсація може тихо померти. Все-таки від лабораторної розробки до практичного впровадження - величезна дистанція. І на цьому шляху можуть зустрітися різні перешкоди.
Наприклад, на якомусь етапі може банально не вистачити фінансування. Або ж перешкоди можуть бути штучно створені хімічними гігантами, якщо ті побачать у новому винаході загрозу своїм прибуткам. Втім, якщо це відкриття справді революційний, то, напевно, серед тих же хімічних гігантів знайдуться охочі його освоїти і взяти на озброєння, щоб випередити конкурентів.
Падіння столітнього заборони
Говорячи про прискорення хімічних реакцій в 10 тис. разів понад межі, автори відкриття мають на увазі каталітичні реакції. Нагадаємо, що каталізатором називається речовина, яка прискорює реакцію, допомагаючи взаємодіяти її учасникам, а саме в процесі реакції не витрачається. Більшість хімічних реакцій - будь реакції, що протікають в живих організмах або застосовувані в нафтопереробці та хімічної промисловості, - є каталітичними. Тобто без каталізаторів не відбуваються.
У зв'язку з цим необхідно згадати одного з найвидатніших дослідників каталізу - французького хіміка Поля Сабатье (1854-1941). У 1912 р. він отримав Нобелівську премію з хімії за запропоновані їм каталітичні технології, які дали потужний поштовх розвитку органічної хімії. Але він же відкрив, що всі подібні технології обмежені в своїх можливостях природним межею, вище якої їм не стрибнути. Сабатье сформулював цю межу у своїй книзі "Каталіз в органічній хімії", яка вийшла в Парижі в 1920 р.
Суть проблеми в тому, що зв'язок каталізатора з реагентами повинна бути не надто слабкою, але і не занадто сильною. Якщо вона слабка, то ефективність каталізатора низька. Якщо ж зв'язок каталізатора з одним з реагентів занадто сильна, то інший реагент виявляється в ролі третього зайвого - і бажана реакція знову-таки не йде. Тому доводиться шукати золоту середину. Це називається принципом Сабатье. А найбільша досяжна швидкість реакції називається максимумом Сабатье.
Майже сто років принцип Сабатье вважався непорушним. І ось тепер хіміки з Міннесоти відкрили спосіб його проігнорувати, наче його немає і ніколи не було. Обіцяне ними перевищення максимуму Сабатье в 10 тис. разів - це не просто багато. Це дуже-дуже багато. Наприклад, візьмемо пішохода, неспішно прогулюється зі швидкістю 4 км на годину. Якщо раптом збільшити його швидкість в 10 тис. разів - цього вистачить, щоб подолати земне тяжіння і полинути в далеке космічне подорож. Тобто вийде технологічний ривок від ходьби відразу до польоту на ракеті, минаючи всі проміжні етапи типу кибитки, автомобіля і літака.
Саме перед такою перспективою опинилася зараз хімічна і нафтохімічна промисловість. І якщо їй дійсно належить грандіозне технологічне прискорення, то це може стати для неї дуже серйозним випробуванням.
Як неможливе стало можливим
За словами хіміків Міннесотського університету, відкриття динамічного резонансу в каталізі (так вони назвали свою технологію) є частиною більш великої місії CCEI (Catalysis Center for Energy Innovation) - Каталітичного центру енергетичних інновацій. Це мультиинституциональный дослідний центр, створений у 2009 р. в Університеті штату Делавер на грант міністерства енергетики США. Як відзначають вчені, CCEI зосередився на розробці інноваційних каталітичних технологій з використанням сучасних наноматеріалів для ефективного перетворення рослинної біомаси в хімічні речовини та паливо.
Таким чином, хіміки американських університетів вже 10 років на гроші федерального бюджету США ведуть широкий фронт робіт по пошуку нових каталітичних технологій. Тому успіх вчених з Міннесоти важко назвати випадковим. А ось те, що їх відкриття не стало комерційною таємницею, це дійсно велика удача для світової науки. Результати свого дослідження вчені докладно виклали в статті в ACS Catalysis - провідному науковому журналі Американського хімічного товариства.
Як же їм все-таки вдалося обійти заборону, накладену Сабатье майже сто років тому? Розгадка криється в тому, що принцип Сабатье діє тільки для реакцій, що йдуть з постійною швидкістю, але він не поширюється на хвилеподібні реакції, швидкість яких швидко змінюється в часі і в просторі. У ході своїх досліджень вчені виявили, що вони можуть перевершити максимум Сабатье на три-чотири порядки (тобто в тисячу або навіть у 10 тис. раз), використовуючи динамічний каталізатор, швидко хитається між двома електронними станами, одне з яких забезпечує надто слабку, а інший - занадто сильну зв'язок з реагентами. Потрібно тільки підібрати частоту цього коливання, щоб вона вступила в резонанс з природною частотою хімічної реакції.
Вчені зробили велетенську роботу, комбінуючи різні характеристики динамічного каталізатора. Зокрема, вони варіювали розмах коливань і їх форму, а головне, міняли їх частоту в самих широких межах - від дуже низької до надвисокої. "Ми давно зрозуміли, що каталізатори повинні змінюватися в часі, і виявляється, що частоти від килогерца до мегагерца різко прискорюють швидкість каталізу", - говорить один з авторів дослідження, професор Міннесотського університету Пол Дауенхауер.
В очікуванні технологічної війни
Здатність прискорювати хімічні реакції безпосередньо впливає на тисячі технологій, що використовуються для виробництва різних речовин і матеріалів. У минулому столітті ці технології були оптимізовані з використанням статичних каталізаторів, таких як метали, нанесені на пористі поверхні. Багаторазове підвищення швидкості реакцій може значно скоротити кількість обладнання, необхідного для виробництва добрив, палива, пластмас та іншої повсякденно використовуваною продукції, що повинно привести до істотного здешевлення виробництва.
Здавалося б, це має бути виключно вигідно хімічним концернам. Однак нова технологія для них небезпечна тим, що вона може сприяти появі безлічі конкурентів. Вчені відзначають, що зараз більшість хімічних речовин і матеріалів проводяться тільки у величезних централізованих місцях, таких як нафтопереробні заводи та хімічні комбінати, оскільки великі традиційні каталітичні системи забезпечують істотну економію коштів. Перехід на динамічні каталізатори може зробити рентабельним дрібномасштабне виробництво, яке можна буде розміщувати близько до споживача, в тому числі у сільській місцевості.
"Це може повністю змінити спосіб виробництва майже всіх наших основних хімічних речовин, матеріалів і палива", - підкреслює директор CCEI професор Дионисиос Влахос. Він упевнений, що належить всесвітній перехід від статичних до динамічних каталізаторів, і пророкує, що це буде настільки ж значним і драматичним подією у світовій історії, яким на початку минулого століття був перехід від постійного електричного струму до перемінному, визначив багато особливості нашої теперішньої цивілізації. У цих словах директора CCEI важко не прочитати натяк на те, що нас чекає не тільки велика технологічна революція, але і велика технологічна війна.
Безсумнівно, ця війна торкнеться і України. Як відомо, найбільші активи в українській хімічній промисловості сконцентрувала у своїх руках група Дмитра Фірташа. Однак вона може позбутися своїх переваг, наприклад, якщо в кожному райцентрі з'явиться свій міні-завод по виробництву азотних добрив, рентабельний завдяки технології динамічного резонансу.
Стимул для нових винаходів
Втім, наслідки освоєння технології динамічного резонансу не обмежаться тільки переходом від великих до дрібних хімічним і нефтехимическим виробництвам. Слід очікувати бурхливого розвитку різноманітних хімічних технологій, впровадження яких раніше стримувався через дорожнечу.
Відкрилися перспективи коротко можна описати так. Хіміки звикли шукати нові каталізатори в рамках парадигми, заданої століття тому Сабатье: вони повинні взаємодіяти з реагентами не занадто слабо, але і не занадто сильно. І кожен рік з різних країн світу приходять повідомлення про досить чудових відкриттів. Технологія динамічного резонансу аж ніяк не знецінює всі ці досягнення, а навпаки, підвищує їх цінність, оскільки обіцяє звільнити їх від заборони, накладеного Сабатье. Якщо хіміки в винайдених ними технологіях перейдуть від статичного до динамічного каталізу і завдяки цьому отримають багаторазове прискорення реакцій, це може значно полегшити і здешевити їх впровадження.
За останні роки накопичилося чимало цікавих розробок, які відкривають шлях до реакцій, які раніше вважалися неможливими. Не виключено, що технологія динамічного резонансу дасть цим розробкам додатковий поштовх і допоможе їм дійти до практичної реалізації у промисловому виробництві.
В якості прикладу можна навести роботи, що ведуться в CCEI. У лютому цього року (ще до повідомлення беруть участь у CCEI хіміків Міннесотського університету про відкриття динамічного резонансу в каталізі) цей центр розповів про досягнуте їм успіху в освоєнні реакцій, що забезпечують перетворення побутових відходів рослинної біомаси (такий як деревна тріска і трава) в корисні продукти - паливо і хімікати. Замість дуже дорогих каталізаторів типу платини CCEI навчився використовувати набагато більш дешеві оксиди металів.
Одним із співавторів цього дослідження став директор CCEI Дионисиос Влахос, який чудово обізнаний також і про досягнення хіміків з Міннесоти. Можна очікувати, що тепер він постарається в рамках CCEI об'єднати успіхи двох груп, з тим щоб навчитися використовувати оксиди металів не в статичному, а в динамічній каталізі. Принаймні, якщо така технологія можлива, то освоєння її варто очікувати насамперед у CCEI.
Якщо ця технологія буде доведена до розуму, то повсюдним явищем, подібно пекарням і ресторанчиках, стануть міні-заводи з виробництва палива для автотранспорту (якщо, звичайно, потреба в бензині та солярці не відпаде з-за тотального переходу на електродвигуни). Вони будуть здатні працювати на будь-якій рослинній біомасі і навіть на побутових відходах, позбавляючи міста від сміттєвих звалищ і при цьому вносячи відчутний внесок у місцеву економіку.
Що ж стосується перспективності оксидів металів в якості каталізаторів для виробництва палива, то тут вже є підтвердження від європейських конкурентів. У липні вчені з Вищої технічної школи Цюріха (Швейцарія) і французької нафтогазової компанії Total повідомили про розробленому ними новому каталізаторі, який перетворює вуглекислий газ і водень в чистий метанол. За словами вчених, це каталізатор на основі оксиду індію і невеликої кількості паладію.
Як заробити на парникових газах
Над способами утилізації вуглекислого газу - головного чинника, що викликає парниковий ефект і глобальне потепління, - зараз працює безліч дослідних груп у різних країнах. Наприклад, вчені з університету RMIT в Австралії винайшли метод перетворення вуглекислого газу в частки чистого сажі. Процес відбувається порівняно швидко і не вимагає проведення складних і дорогих хімічних реакцій. Домогтися такого результату дозволило додавання наночастинок металевого церію.
"Зараз вуглекислий газ перетворюється в твердий вуглець тільки при надзвичайно високих температурах, що робить цей процес промислово нежиттєздатним. Використовуючи рідкі метали в якості каталізатора, ми у своєму дослідженні показали, що можна перетворити газ назад у вуглець при кімнатній температурі в процесі, який ефективний і масштабується. Хоча потрібно більше досліджень, це важливий перший крок", - говорить співавтор досліджень Торбен Даенеке.
Група американських хіміків, яку очолює професор Ратґерського університету в Нью-Брансуїке Чарльз Дисмукс, знайшла дешевий спосіб перетворення вуглекислого газу в різноманітні корисні речовини. Використовуючи п'ять різних каталізаторів з нікелю і фосфору, які є досить дешевими і поширеними елементами, дослідники навчилися електрохімічно перетворювати вуглекислий газ і воду у сполуки, що містять від одного до чотирьох атомів вуглецю. Ці структури можуть використовуватися для виробництва пластмас, клеїв і навіть медикаментів.
"Наш прорив дозволяє перетворювати вуглекислий газ на сировину для хімічної і фармацевтичної промисловості", - резюмує Чарльз Дисмукс. Наступним кроком у роботі його групи буде з'ясування можливості використовувати нову технологію для виробництва гліколів і вуглеводнів.
