Artikkel

Nytt «designer-molekyl» kan spare industrien for store beløp

Forskerne David Balcells,  Ainara Nova og Odile Eisenstein har funnet en metode for å forbedre katalysatorer i industrien.
Forskerne David Balcells, Ainara Nova og Odile Eisenstein har funnet en metode for å forbedre katalysatorer i industrien. Foto: Elina Melteig/UiO Bruk bildet.

Nytt «designer-molekyl» kan spare industrien for store beløp

De fleste tenker kanskje at lekker design er dyrt, men i kjemiens verden kan du spare, tid, penger, energi og ressurser hvis du skreddersyr molekylene til formålet ditt.

Forskere fra Yale-universitetet i USA har lenge forsket på katalysatorer, som er en ekstremt viktig del av mange kjemiske prosesser, blant annet i legemiddelindustrien. De dyreste og beste katalysatorene kan koste opp mot 2000 dollar pr. kilo (ca. 17.000 kroner), mens de billigste er nede i 12 dollar pr. kilo (drøyt 100 kroner). Som med alt annet er det en sammenheng mellom pris og kvalitet, men det er mye å vinne på å gjøre de dårlige litt bedre eller å få de dyre litt rimeligere.

Yale-forskerne hadde så langt forsket mest på hvordan man kan effektivisere den kjemiske reaksjonen, men nå ønsket de å prøve noe nytt: Er det mulig å endre holdbarheten og dermed gjøre katalysatorene billigere i drift?

You can also read this article in English

Hvorfor blir de ødelagt? 

Spørsmålet forskerne hadde stilt var ikke så lett å finne svar på, for det viste seg å være vanskelig å måle nøyaktig hva som skjedde underveis i reaksjonen. For å få svar på dette kontaktet de David Balcells og Ainara Nova, som begge er forskere ved Hylleraas-senteret ved Kjemisk institutt på UiO. Balcells og Nova er eksperter på teoretisk kjemi, og de laget en modell for hva som skjer gjennom hele prosessen. På denne måten fant de ut hvordan katalysatoren gradvis ble «ødelagt»: 

 Vi ser at katalysatoren består av flere deler. Den ene delen binder seg til andre katalysatorer og gjør at de ikke lenger bidrar til prosessen. De blir «ødelagt». Ved å modifisere denne delen kan vi hindre at katalysatorene reagerer med hverandre, slik at de både varer lenger og blir mer effektive, forklarer Balcells. 

Han forteller videre at katalysatorenes eneste rolle er å få reaksjonen til å skje, og i teorien er det mulig å tenke seg at de skal kunne vare evig. Balcells og Novas forskning viser at levetiden til en katalysator kan forlenges ganske mye ved å studere det de kaller off-cycle, det vil si det som setter katalysatoren ut av spill. Det viser seg at det er flere som har fått øynene opp for å studere denne delen av prosessen: 

 Vi kan si at å studere off-cycle-delen av prosessen er i ferd med å bli en trend, sier Balcells. 

Allround-design til evig liv?

Nytt designer-molekyl gjør katalyse billigere
Nytt designer-molekyl gjør katalyse billigere. Foto: Elina Melteig/UiO Bruk bildet.

Den vitenskapelige artikkelen hvor dette ble publisert, ble utgitt i april. Likevel har forskerne allerede fått beskjed om at katalysatoren de har designet virker og er blitt tatt i bruk av andre forskere. 

 Vi vet at det virker fordi andre forskere allerede har testet det til bruk i sine eksperimenter, forteller Balcells.  Katalysatoren vår er allerede blitt testet i selektiv syntese av forskjellige produkter, og det fungerer.

Katalysatoren blir brukt i mange prosesser fordi den bidrar til å få karbonatomer til å binde seg til hverandre. I farmasøytisk industri inngår denne katalysatoren i prosesser til medisiner mot for eksempel hepatitt, overvekt og luftveissykdommer. Katalysatoren brukes også til å lage tynnfilm-transistorer til alt fra LCD-skjermer til LED-lys.

Det sier litt at oppdageren (eller designeren) av denne katalysatoren fikk Nobelprisen for dette i 2010.

At katalysatoren de har forbedret teoretisk nå er blitt testet og har vist seg å være effektiv, er gode nyheter for forskerne: 

 Når vi har modeller vi kan stole på, har vi virkelig fått et kraftig verktøy, sier Nova. 

Men det stopper ikke der, for forskerne har nå fått flere visjoner for hvordan katalysatorene kan bli bedre: 

 Nå har vi fått en katalysator til å bli mer aktiv og robust, altså vare lenger, men kanskje vi kan få den til å aktiveres raskere eller vare evig? spør Balcells.

For flere forskningsnyheter om realfag og teknologi: Følg Titan.uio.no på Facebook eller abonner på nyhetsbrevet vårt

Kvitter seg med giftstoffer

Balcells og Nova har så vidt kommet i gang med å forske på katalysatorer. De har gått videre til en annen type katalysator med et annet grunnstoff som utgangspunkt. Mange av de beste katalysatorene kan være både giftige og dyre. Derfor velger mange å bytte ut de dyreste med katalysatorer som inneholder nikkel, kobber eller jern, og disse er mindre giftige, men de blir fortere «ødelagt». Forskerne har begynt å forbedre disse og vil jobbe videre med det.

 Nikkel er fremdeles utfordrende, sier Nova.

Forskerne samarbeider fremdeles med Yale-gruppen, som har sendt doktorgradsstudenter på utveksling. Stipendiatene får en grundig innføring i både eksperimentelle og teoretiske metoder, og dette har mange fordeler, mener Balcells: 

 Det er de som gjør eksperimentene, så de vet hva de skal se etter i modellen. Modellene hjelper dem å forstå eksperimentene på et molekylært nivå.

Vil gjøre CO2 til metanol

Nova og Balcells ser for seg at katalysatoren de har designet kan brukes innen et vidt spekter av oppgaver.

 Det vi har gjort nå, er en tilnærming vi kan overføre til andre systemer. Et eksempel er CO2-reduksjon eller å ekstrahere hydrogen fra vann  noe som er nødvendig for eksempel hvis vi skal bruke hydrogen som brennstoff, forklarer Nova. Hvis vi kan redusere CO2 til metanol, kan vi gjøre ganske mye med den. 

Metanol er nemlig mye lettere å håndtere enn CO2, blant annet fordi det er flytende og ikke i gassform. Metanol har også flere bruksområder og kan også brukes som drivstoff. Nova deltar i et nordisk konsortium som ser på karbonlagring og bruk. Forskerne ser også for seg at denne metoden bør bidra til kunstige fotosyntesesystemer.

Ja takk til mer samarbeid med industrien!

Det er ikke alltid man kan forske på nøyaktig det man har mest lyst til, men forskerne ved Hylleraas-senteret vektlegger nysgjerrigheten som den viktigste motivasjonsfaktoren.

 Hvis dere fikk finansiering til å forske på hva dere ville, hva skulle det vært? 

 Vi gjør det allerede! utbryter Balcells.

Selv om forskerne understreker at de jobber med grunnforskning, ønsker de at andre kan ta kunnskapen i bruk. 

 En av våre styrker er å utvikle teoriene og kjernen i vitenskapen, men det naturlige steget videre er å ta dette til praktisk kunnskap. Hvis det er noen der ute som trenger hjelp til modellering av prosesser for å forstå hva som skjer, vil vi gjerne samarbeide med dem, sier Balcells.

Den vitenskapelige artikkelen:

Designing Pd and Ni Catalysts for Cross-Coupling Reactions by Minimizing Off-Cycle Species. David Balcells and Ainara Nova, ACS Catalysis 2018 8 (4), 3499-3515, DOI: 10.1021/acscatal.8b00230

Mer på Titan.uio.no:

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)

Les også

Simone Mester

Teknologien som kan gjøre kreftmedisin mer effektiv

Simone Mester har utviklet en teknologi som kan forbedre virkningstiden til biologiske kreftmedisiner ved at de holder seg lenger i blodet. Det gjør at medisinen kan drepe flere kreftceller og å gi mindre bivirkninger.

A walrus rostrum with tusks that can be dated to c. 1200-1400 CE.

Ancient DNA reveals the extent of Norse Greenland’s trade in walrus ivory

When the explorer Erik the Red reached the southwest coast of Greenland in the 980s, he established a colony of Norwegian and Icelandic settlers that lasted for almost 500 years. A team of British and Norwegian researchers have now proved, by analysing ancient DNA, that the export of  valuable ivory from walrus tusks helped the Norse settlements to survive for centuries.