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 pademonstravo, kad tam tikromis sąlygomis jį galima priversti elgtis taip, kaip įprastai 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, kelia didelį susidomėjimą. Tai dar nėra paruoštas „platinos pakaitalas“, tačiau tai aiškus signalas, kad galima praplėsti ribas to, ką apskritai pajėgia vadinamieji pagrindinių grupių elementai periodinėje lentelėje.
Kol kas tai nėra istorija apie per naktį pasikeisiančias gamyklas. Greičiau tai 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 – pirmasis aprašytas vadinamojo ciklotrialumano (angl. cyclotrialumane) atvejis.
Universiteto pranešime pabrėžiama, kad ši trijų atomų struktūra aliuminiui yra neįprasta: ji pakankamai stabili, kad išliktų tirpaluose, tačiau kartu tokia reaktyvi, kad dalyvautų reakcijose, kurias dažniausiai siejame su pereinamaisiais metalais.
Kodėl tai daro įspūdį, lengviau suprasti prisiminus įprastą aliuminio „portretą“. Kasdienėje chemijoje aliuminis dažniausiai aptinkamas vienoje gerai pažįstamoje oksidacijos būsenoje ir elgiasi kaip klasikinė, gana nuspėjama Lewiso rūgštis: linkęs priimti elektronus, sudaryti ryšius su deguonimi ir halogenais, stabilizuoti įvairias struktūras. Tuo tarpu aliuminis(I) yra visai kitokio pobūdžio – tokia žema oksidacijos būsena termodinamiškai nepalanki, ją sunku izoliuoti, o pats junginys dažnai linkęs į šalutines reakcijas.
Dėl šių priežasčių aliuminio žemų oksidacijos būsenų chemija ilgus metus vystėsi gerokai lėčiau nei analogiški tyrimai su pereinamaisiais metalais. Būtent todėl 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 parodė 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 susidaro 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 teigti būtų netikslu. 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 pirmiausia kalba apie katalizę bei organinę sintezę – sritis, kuriose šiandien dominuoja pereinamieji ir taurieji metalai. Vis dėlto pastangos juos pakeisti yra prasmingos: anot tyrėjų, aliuminis gali būti net iki 20 000 kartų pigesnis už kai kuriuos tauriuosius metalus.
Tačiau realaus katalizatoriaus kaina susideda ne vien iš metalo atomo. Reikia įvertinti ligandų sintezę, viso komplekso gamybą ir gryninimą, stabilizavimo sprendimus bei ilgaamžiškumą pramoninėmis sąlygomis. Pigus metalas dar nereiškia pigaus ar praktiško katalizatoriaus.
Ar artėja antroji „aliuminio revoliucija“?
Ar šis „naujasis aliuminis“ pakeis pasaulį? Šiuo metu tai prognozuoti sunku. Patys autoriai kalba atsargiai: pabrėžia, kad tai ankstyva, tyrinėjamoji fazė ir visų pirma „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 kitų įprastų priemaišų kiekiui.
Prie viso to prisideda ir dar vienas svarbus niuansas: nors aliuminis Žemėje paplitęs, jo pirminė gamyba yra labai imli energijai. Dominuojantis lydimo procesas vyksta maždaug 940–980 °C temperatūroje ir reikalauja milžiniškų elektros energijos kiekių. Todėl šio metalo anglies pėdsakas stipriai priklauso nuo konkrečios šalies energijos mikso.
Dėl to „pigesnis ir ekologiškesnis“ sprendimas gali tapti realybe tik tam tikrose situacijose: kai aliuminis didžiąja dalimi gaunamas iš perdirbimo ir kai visas cheminis procesas iš tiesų leidžia 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, o požiūrio pokytį. 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 – tačiau kryptis aiški ir daug žadanti.
