ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นรอบตัวเราตลอดเวลา ซึ่งเป็นเรื่องที่ชัดเจนเมื่อคุณคิดถึงมัน แต่มีกี่คนที่ลงมือทำปฏิกิริยาเคมีเองเมื่อสตาร์ทรถ ต้มไข่ หรือใส่ปุ๋ยสนามหญ้า?
ริชาร์ด คอง ผู้เชี่ยวชาญด้านตัวเร่งปฏิกิริยาทางเคมี ได้ครุ่นคิดเกี่ยวกับปฏิกิริยาเคมีมาโดยตลอด ในงานของเขาในฐานะ "นักปรับแต่งมืออาชีพ" ดังที่เขาเรียกตัวเอง เขาสนใจไม่เพียงแต่ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติเท่านั้น แต่ยังสนใจที่จะค้นหาปฏิกิริยาใหม่ๆ อีกด้วย
ในฐานะนักวิจัย Klarman ด้านเคมีและชีวเคมีที่วิทยาลัยศิลปศาสตร์และวิทยาศาสตร์ Kong ทำงานเพื่อพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่ขับเคลื่อนปฏิกิริยาเคมีไปสู่ผลลัพธ์ที่ต้องการ สร้างผลิตภัณฑ์ที่ปลอดภัยและมีมูลค่าเพิ่ม รวมถึงผลิตภัณฑ์ที่สามารถส่งผลดีต่อสุขภาพของบุคคลได้ วันพุธ
“ปฏิกิริยาเคมีจำนวนมากเกิดขึ้นได้เองโดยไม่ต้องอาศัยตัวช่วย” คองกล่าว โดยอ้างถึงการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เมื่อรถยนต์เผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล “แต่ปฏิกิริยาเคมีที่ซับซ้อนกว่านั้นไม่ได้เกิดขึ้นโดยอัตโนมัติ นี่คือจุดที่ตัวเร่งปฏิกิริยาทางเคมีเข้ามามีบทบาท”
คองและเพื่อนร่วมงานได้พัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อควบคุมปฏิกิริยาที่พวกเขาต้องการให้เกิดขึ้น ตัวอย่างเช่น คาร์บอนไดออกไซด์สามารถเปลี่ยนเป็นกรดฟอร์มิก เมทานอล หรือฟอร์มาลดีไฮด์ได้ โดยการเลือกตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสมและทดลองกับสภาวะของปฏิกิริยา
ไคล์ แลนแคสเตอร์ ศาสตราจารย์ด้านเคมีและชีวเคมี (A&S) และผู้ดำเนินรายการของคอง กล่าวว่า แนวทางของคองสอดคล้องกับแนวทาง “การค้นพบเชิงลึก” ของห้องปฏิบัติการของแลนแคสเตอร์ “ริชาร์ดมีไอเดียที่จะใช้ดีบุกเพื่อปรับปรุงปฏิกิริยาเคมีของเขา ซึ่งไม่เคยอยู่ในแผนของผมเลย” แลนแคสเตอร์กล่าว “เขามีตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งเป็นสิ่งที่ถูกพูดถึงมากในสื่อ ให้กลายเป็นสารที่มีมูลค่ามากกว่าได้”
เมื่อไม่นานมานี้ คองและผู้ร่วมงานของเขาได้ค้นพบระบบที่สามารถเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นกรดฟอร์มิกได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการ
“แม้ว่าระบบของเราจะยังไม่ล้ำหน้าในเรื่องความเร็วในการตอบสนอง แต่ระบบของเราสามารถปรับแต่งได้อย่างมาก” คองกล่าว “ด้วยวิธีนี้ เราจะเริ่มเข้าใจอย่างลึกซึ้งมากขึ้นว่าทำไมตัวเร่งปฏิกิริยาบางชนิดจึงทำงานได้เร็วกว่าชนิดอื่น ทำไมตัวเร่งปฏิกิริยาบางชนิดจึงดีกว่าโดยธรรมชาติ เราสามารถปรับพารามิเตอร์ของตัวเร่งปฏิกิริยาและพยายามทำความเข้าใจว่าอะไรทำให้สิ่งเหล่านี้ทำงานได้เร็วขึ้น เพราะยิ่งทำงานเร็วเท่าไหร่ ก็ยิ่งดีเท่านั้น และยิ่งสร้างโมเลกุลได้เร็วขึ้นเท่านั้น”
ในฐานะผู้ได้รับทุน Klarman Fellowship คองยังทำงานเพื่อกำจัดไนเตรต ซึ่งเป็นปุ๋ยทั่วไปที่ซึมลงสู่แหล่งน้ำอย่างเป็นพิษ ออกจากสิ่งแวดล้อม และเปลี่ยนให้เป็นสารที่ไม่เป็นอันตรายมากขึ้น เขากล่าว
คองได้ทดลองใช้โลหะที่พบในโลก เช่น อะลูมิเนียมและดีบุก เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา โลหะเหล่านี้ราคาถูก ปลอดสารพิษ และมีอยู่มากมายในเปลือกโลก ดังนั้นการใช้โลหะเหล่านี้จึงไม่ก่อให้เกิดปัญหาด้านความยั่งยืน เขากล่าว
“เรากำลังศึกษาหาวิธีสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาที่โลหะสองชนิดทำปฏิกิริยากันด้วย” คองกล่าว “โดยการใช้โลหะสองชนิดในโครงสร้างเดียวกัน เราจะได้ปฏิกิริยาและกระบวนการทางเคมีที่น่าสนใจอะไรบ้างจากระบบโลหะคู่?”
ป่าไม้เป็นสภาพแวดล้อมทางเคมีที่กักเก็บโลหะเหล่านี้ไว้ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการปลดล็อกศักยภาพของโลหะเหล่านี้ให้สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ เช่นเดียวกับที่คุณต้องเลือกเสื้อผ้าที่เหมาะสมกับสภาพอากาศ คองกล่าว
ตลอด 70 ปีที่ผ่านมา มาตรฐานคือการใช้โลหะเพียงตัวเดียวเป็นศูนย์กลางเพื่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมี แต่ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา นักเคมีในสาขานี้ได้เริ่มศึกษาการรวมกันของโลหะสองชนิด ไม่ว่าจะโดยทางเคมีหรือโดยการอยู่ใกล้กัน Kong กล่าวว่า "ประการแรก มันทำให้เรามีอิสระในการเปลี่ยนแปลงมากขึ้น"
คองกล่าวว่า ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะสองชนิดนี้ช่วยให้นักเคมีสามารถรวมตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะเข้าด้วยกันโดยอาศัยจุดแข็งและจุดอ่อนของแต่ละตัว ตัวอย่างเช่น ศูนย์กลางโลหะที่ยึดเกาะกับสารตั้งต้นได้ไม่ดีแต่สลายพันธะได้ดี อาจทำงานร่วมกับศูนย์กลางโลหะอีกตัวที่สลายพันธะได้ไม่ดีแต่ยึดเกาะกับสารตั้งต้นได้ดี การมีอยู่ของโลหะตัวที่สองยังส่งผลต่อคุณสมบัติของโลหะตัวแรกด้วย
“คุณจะเริ่มเห็นสิ่งที่เรียกว่าผลเสริมฤทธิ์กันระหว่างศูนย์กลางโลหะทั้งสอง” คองกล่าว “สาขาตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะคู่เริ่มแสดงให้เห็นถึงปฏิกิริยาที่พิเศษและน่าทึ่งอย่างแท้จริงแล้ว”
คองกล่าวว่ายังคงมีข้อสงสัยมากมายเกี่ยวกับวิธีการที่โลหะยึดติดกันในสารประกอบระดับโมเลกุล เขารู้สึกตื่นเต้นกับความงดงามของเคมีนั้นเองพอๆ กับผลลัพธ์ที่ได้ คองถูกดึงตัวมาที่ห้องปฏิบัติการแลงคาสเตอร์เนื่องจากมีความเชี่ยวชาญด้านสเปกโทรสโกปีรังสีเอ็กซ์
แลนแคสเตอร์กล่าวว่า “มันเป็นการทำงานร่วมกันอย่างลงตัว การวิเคราะห์สเปกตรัมด้วยรังสีเอ็กซ์ช่วยให้ริชาร์ดเข้าใจสิ่งที่เกิดขึ้นเบื้องหลัง และสิ่งที่ทำให้ดีบุกมีปฏิกิริยาและสามารถเกิดปฏิกิริยาเคมีนี้ได้เป็นพิเศษ ในขณะเดียวกัน เราก็ได้รับประโยชน์จากความรู้ที่กว้างขวางของเขาเกี่ยวกับเคมีของธาตุหมู่ใหญ่ ซึ่งเปิดประตูสู่พื้นที่ใหม่ให้กับกลุ่มวิจัยของเรา”
คองกล่าวว่า ทุกอย่างล้วนขึ้นอยู่กับหลักเคมีพื้นฐานและการวิจัย และวิธีการนี้เกิดขึ้นได้ด้วยทุนการศึกษา Open Klarman
“โดยปกติแล้ว ในแต่ละวัน ผมอาจจะทำการทดลองในห้องแล็บ หรือนั่งอยู่หน้าคอมพิวเตอร์เพื่อจำลองโมเลกุล” เขากล่าว “เราพยายามที่จะได้ภาพรวมของกิจกรรมทางเคมีที่สมบูรณ์ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้”