Mokslininkai dar kartą įdėmiai pažvelgė į atrodytų „nuobodų“ cheminį elementą ir parodė, kad dešimtmečius jį vertinome pernelyg paviršutiniškai. Šįkart dėmesio centre atsidūrė aliuminis – elementas, kuris pats savaime neatskleidė jokių magiškų savybių, tačiau specialistai parodė, kad jį galima priversti elgtis taip, kaip paprastai elgiasi visai kitos klasės metalai.
Didelė dalis šiuolaikinės chemijos pramonės vis dar remiasi katalizatoriais, kurių sudėtyje yra brangių ir sunkiai išgaunamų metalų. Todėl žinia apie naują aliuminio struktūrą, sukurtą „King’s College London“ laboratorijoje, yra itin intriguojanti. Tai dar nėra paruoštas „platinos pakaitalas“, bet aiškus signalas, kad galima praplėsti ribas to, ką išvis gali vadinamieji pagrindinių grupių elementai periodinėje lentelėje.
Kol kas tai nėra istorija apie akimirksniu pasikeisiančias gamyklas, o veikiau pasakojimas apie naują chemikų įrankį, galintį atverti kelią pigesniems ir potencialiai švaresniems procesams. Potencialiai – nes čia prasideda sudėtingoji dalis.
Kaip nauja aliuminio struktūra gali pakeisti mūsų pasaulį?
Dr. Clare Bakewell vadovaujama tyrėjų komanda žurnale „Nature Communications“ aprašė junginį, pavadintą „neutral cyclic aluminium (I) trimer“ – neutraliu cikliniu aliuminio(I) trimeru. Praktikoje tai reiškia trijų aliuminio atomų sistemą, tarpusavyje sujungtą į trikampį. Tai – pirmas aprašytas vadinamojo ciklotriglino (angl. cyclotrialumane) atvejis.
Universiteto pranešime pabrėžiama, kad ši trijų atomų struktūra aliuminiui būdinga neįprastai: ji pakankamai stabili, kad išliktų tirpaluose, tačiau kartu tokia reaktyvi, kad dalyvautų reakcijose, kurias paprastai siejame su pereinamaisiais metalais.
Norint suprasti, kodėl tai daro įspūdį, reikia prisiminti įprastą aliuminio paveikslą. Kasdienėje chemijoje aliuminis dažniausiai būna viename, gerai pažįstamame oksidacijos būsenoje ir elgiasi kaip klasikinis, gana nuspėjamas Lewiso rūgštis: mėgsta priimti elektronus, sudaryti ryšius su deguonimi, halogenais, stabilizuoti įvairias struktūras. Tuo tarpu aliuminis(I) yra visai kitokio pobūdžio – jo žema oksidacijos būsena termodinamiškai nepalanki, sunkiai izoliuojama ir linkusi į šalutines reakcijas.
Dėl to aliuminio žemų oksidacijos būsenų chemija ilgus metus vystėsi gerokai lėčiau nei panašūs eksperimentai su pereinamaisiais metalais. Štai kodėl trikampis aliuminio(I) trimeras yra įdomus dvigubai.
Pirma, pats faktas, kad tokią formą apskritai pavyko stabiliai išgauti ir aprašyti, praplečia aliuminio struktūrų „žemėlapį“. Antra, praktiškai svarbu tai, jog komanda įrodė šios struktūros dalyvavimą konkrečiose reakcijose: ji gali skaidyti vandenilio (H₂) molekulę, taip pat dalyvauja reaktyviuose eteno (etileno) įterpimo ir „grandinių augimo“ procesuose. Etenas – vienas kertinių statybinių blokų chemijos pramonėje, o reakcijose su juo formuojasi nauji penkių ir septynių narių aliuminio ir anglies žiedai.
Ar aliuminis pakeis brangiuosius metalus?
Kyla natūralus klausimas: ar „aliuminis pakeis retųjų žemių metalus“? Deja, taip paprastai teigti negalima. Pirmiausia, „retųjų žemių metalai“ – tai konkreti 17 elementų grupė (skandis, itris ir lantanoidai), o platina ar paladis šiai grupei nepriklauso.
Antra, ir pati publikacija, ir universiteto pranešimas kalba pirmiausia apie katalizę ir organinę sintezę – sritis, kuriose šiandien dominuoja pereinamieji ir taurieji metalai. Kova dėl jų pakeitimo vis tiek verta pastangų: anot tyrėjų, aliuminis gali būti net iki 20 000 kartų pigesnis už tauriuosius metalus.
Vis dėlto realaus katalizatoriaus kaina susideda ne vien iš metalo atomo. Tenka mokėti už ligandų sintezę, viso komplekso gamybą ir gryninimą, jo stabilizavimą bei ilgaamžiškumą pramoninėmis sąlygomis. Pigus metalas nebūtinai reiškia pigų ar praktišką katalizatorių.
Ar artėja antroji „aliuminio revoliucija“?
Ar šis „naujasis aliuminis“ pakeis pasaulį? Šiuo metu tai prognozuoti sunku. Patys autoriai kalba labai atsargiai – pabrėžia, kad tai ankstyva, tyrinėjamoji fazė ir „naujų reaktyvumo kelių atvėrimas“. Pramonė perka ne gražiai atrodančias reakcijų lygtis, o pakartojamumą, selektyvumą, atsparumą priemaišoms ir tūkstančius ciklų be reikšmingos degradacijos.
Molekulė, kuri laboratorijoje demonstruoja įspūdingą reaktyvumą idealiomis sąlygomis, realiose sistemose gali pasirodyti itin „kaprizinga“ – jautri net labai mažam vandens, deguonies ar įprastų priemaišų kiekiui.
Prie viso to prisideda ir dar vienas svarbus niuansas – nors aliuminis Žemėje paplitęs, jo pirminė gamyba yra labai energijai imli. Dominuojantis lydimo procesas vyksta esant maždaug 940–980 °C temperatūrai ir reikalauja milžiniškų elektros energijos kiekių. Tokiu atveju šio metalo anglies pėdsakas stipriai priklauso nuo šalies energijos mikso.
Todėl „pigesnis ir ekologiškesnis“ sprendimas gali tapti realybe tik konkrečiose situacijose: kai aliuminis didžiąja dalimi gaunamas iš perdirbimo ir kai visas cheminis procesas leidžia iš tiesų sumažinti tų metalų, kurių kasyba ir rafinavimas ypač teršia aplinką, vartojimą.
Iš šios istorijos verta išsinešti ne pažadą, kad aliuminis jau rytoj pakeis platiną visose reakcijose. Kur kas svarbiau – požiūrio pokytis. Metalas, kurį dažniausiai siejame su virtuvine folija ir lengvais konstrukciniais lydiniais, gali tapti subtiliai suprojektuotu įrankiu, skirtu tiksliai „karpyti“ ir jungti cheminius ryšius. Tai vis dar pradžia, o ne pabaiga – bet kryptis aiški ir daug žadanti.
