ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นรอบตัวเราตลอดเวลา ซึ่งเป็นเรื่องที่ชัดเจนเมื่อคุณคิดถึงมัน แต่มีกี่คนที่ลงมือทำปฏิกิริยาเคมีเองเมื่อสตาร์ทรถ ต้มไข่ หรือใส่ปุ๋ยสนามหญ้า?
ริชาร์ด คอง ผู้เชี่ยวชาญด้านปฏิกิริยาเคมี ได้ครุ่นคิดถึงปฏิกิริยาเคมีมาโดยตลอด ในงานของเขาในฐานะ "วิศวกรเสียงมืออาชีพ" ดังที่เขาเรียกตัวเอง เขาไม่เพียงแต่สนใจปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นภายในตัวเขาเองเท่านั้น แต่ยังสนใจที่จะกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาใหม่ๆ อีกด้วย
ในฐานะนักวิจัย Klarman ด้านเคมีและชีวเคมีที่วิทยาลัยศิลปศาสตร์และวิทยาศาสตร์ Kong ทำงานเพื่อพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่ขับเคลื่อนปฏิกิริยาเคมีไปสู่ผลลัพธ์ที่ต้องการ สร้างผลิตภัณฑ์ที่ปลอดภัยและมีมูลค่าเพิ่ม รวมถึงผลิตภัณฑ์ที่สามารถส่งผลดีต่อสุขภาพของบุคคลได้ วันพุธ
“ปฏิกิริยาเคมีจำนวนมากเกิดขึ้นได้เองโดยไม่ต้องอาศัยตัวช่วย” คองกล่าว โดยอ้างถึงการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เมื่อรถยนต์เผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล “แต่ปฏิกิริยาเคมีที่ซับซ้อนกว่านั้นไม่ได้เกิดขึ้นโดยอัตโนมัติ นี่คือจุดที่ตัวเร่งปฏิกิริยาทางเคมีเข้ามามีบทบาท”
คองและเพื่อนร่วมงานได้ออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อควบคุมปฏิกิริยาที่พวกเขาต้องการ และมันก็เกิดขึ้นจริง ตัวอย่างเช่น คาร์บอนไดออกไซด์สามารถเปลี่ยนเป็นกรดฟอร์มิก เมทานอล หรือฟอร์มาลดีไฮด์ได้ โดยการเลือกตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสมและทดลองกับสภาวะของปฏิกิริยา
ไคล์ แลนแคสเตอร์ ศาสตราจารย์ด้านเคมีและชีวเคมี (A&S) และอาจารย์ที่ปรึกษาของคอง กล่าวว่า แนวทางของคองนั้นสอดคล้องกับแนวทาง “การค้นพบเชิงลึก” ของห้องปฏิบัติการของแลนแคสเตอร์ “ริชาร์ดมีไอเดียที่จะใช้ดีบุกเพื่อปรับปรุงปฏิกิริยาเคมีของเขา ซึ่งไม่เคยอยู่ในแผนของผมเลย” แลนแคสเตอร์กล่าว “มันเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้กลายเป็นสารที่มีค่ามากกว่า และคาร์บอนไดออกไซด์ก็มักถูกมองในแง่ลบอยู่เสมอ”
เมื่อไม่นานมานี้ คองและผู้ร่วมงานของเขาได้ค้นพบระบบที่สามารถเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นกรดฟอร์มิกได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการ
“แม้ว่าในปัจจุบันระบบของเราจะยังไม่ล้ำหน้าในด้านปฏิกิริยาเคมี แต่ระบบของเราสามารถปรับแต่งได้อย่างมาก” คองกล่าว “ดังนั้นเราจึงสามารถเริ่มทำความเข้าใจอย่างลึกซึ้งมากขึ้นว่าทำไมตัวเร่งปฏิกิริยาบางชนิดจึงทำงานได้เร็วกว่าชนิดอื่น ทำไมตัวเร่งปฏิกิริยาบางชนิดจึงดีกว่าโดยธรรมชาติ เราสามารถปรับพารามิเตอร์ของตัวเร่งปฏิกิริยาและพยายามทำความเข้าใจว่าอะไรทำให้สิ่งเหล่านี้ทำงานได้เร็วขึ้น เพราะยิ่งทำงานเร็วเท่าไหร่ก็ยิ่งดีเท่านั้น – คุณสามารถสร้างโมเลกุลได้เร็วขึ้น”
ในฐานะผู้ได้รับทุน Klarman Fellowship คองยังทำงานเพื่อเปลี่ยนไนเตรต ซึ่งเป็นปุ๋ยทั่วไปที่ซึมลงสู่แหล่งน้ำอย่างเป็นพิษ ให้กลายเป็นสารที่ไม่เป็นอันตรายอีกด้วย เขากล่าว
คองได้ทดลองใช้โลหะทั่วไปในโลก เช่น อะลูมิเนียมและดีบุก เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา เขากล่าวว่าโลหะเหล่านี้ราคาถูก ปลอดสารพิษ และมีอยู่มากมายในเปลือกโลก ดังนั้นการใช้โลหะเหล่านี้จึงไม่ก่อให้เกิดปัญหาด้านความยั่งยืน
“เรากำลังคิดหาวิธีสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาที่โลหะสองชนิดนี้ทำปฏิกิริยากัน” คองกล่าว “โดยการใช้โลหะสองชนิดในโครงสร้าง เราจะได้ปฏิกิริยาและคำถามที่น่าสนใจอะไรบ้างจากระบบโลหะสองชนิดนี้?” “ปฏิกิริยาเคมี?”
ตามที่ Kong กล่าวไว้ โครงสร้างค้ำยันคือสภาพแวดล้อมทางเคมีที่โลหะเหล่านี้อาศัยอยู่
ตลอด 70 ปีที่ผ่านมา การใช้โลหะเพียงตัวเดียวเป็นศูนย์กลางในการเปลี่ยนแปลงทางเคมีเป็นเรื่องปกติ แต่ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา นักเคมีในสาขานี้เริ่มสำรวจปฏิสัมพันธ์แบบเสริมฤทธิ์กันระหว่างโลหะสองชนิดที่เชื่อมต่อกันทางเคมีหรืออยู่ติดกัน Kong กล่าวว่า “มันทำให้คุณมีอิสระในการเลือกมากขึ้น”
คองกล่าวว่า ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะสองชนิดนี้ช่วยให้นักเคมีสามารถรวมตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะเข้าด้วยกันโดยอาศัยจุดแข็งและจุดอ่อนของแต่ละตัว ตัวอย่างเช่น ศูนย์กลางโลหะที่จับกับสารตั้งต้นได้ไม่ดีแต่สลายพันธะได้ดี สามารถทำงานร่วมกับศูนย์กลางโลหะอีกตัวที่สลายพันธะได้ไม่ดีแต่จับกับสารตั้งต้นได้ดี การมีอยู่ของโลหะตัวที่สองยังส่งผลต่อคุณสมบัติของโลหะตัวแรกด้วย
“คุณจะเริ่มเห็นสิ่งที่เรียกว่าผลเสริมฤทธิ์กันระหว่างศูนย์กลางโลหะทั้งสอง” คองกล่าว “ปฏิกิริยาที่แปลกใหม่และน่าทึ่งบางอย่างเริ่มปรากฏขึ้นในสาขาตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะคู่”
คองกล่าวว่ายังมีความไม่แน่นอนอยู่มากเกี่ยวกับวิธีการที่โลหะยึดติดกันในรูปแบบโมเลกุล เขารู้สึกตื่นเต้นกับความงดงามของเคมีนั้นเองพอๆ กับผลลัพธ์ที่ได้ คองถูกดึงตัวมาที่ห้องปฏิบัติการของแลงคาสเตอร์เนื่องจากความเชี่ยวชาญด้านสเปกโทรสโกปีรังสีเอ็กซ์ของพวกเขา
แลนแคสเตอร์กล่าวว่า “มันเป็นการทำงานร่วมกันอย่างลงตัว การวิเคราะห์สเปกตรัมด้วยรังสีเอ็กซ์ช่วยให้ริชาร์ดเข้าใจว่าอะไรอยู่เบื้องหลัง และอะไรที่ทำให้ดีบุกมีปฏิกิริยาและสามารถเกิดปฏิกิริยาเคมีนี้ได้เป็นพิเศษ ในขณะเดียวกัน เราก็ได้รับประโยชน์จากความรู้ที่กว้างขวางของเขาเกี่ยวกับเคมีของธาตุหมู่ใหญ่ ซึ่งเปิดโลกทัศน์ใหม่ให้กับเรา”
คองกล่าวว่า ทุกอย่างล้วนขึ้นอยู่กับหลักเคมีพื้นฐานและการวิจัย ซึ่งเป็นแนวทางที่เกิดขึ้นได้ด้วยทุนสนับสนุนจากโครงการ Open Klarman Fellowship
“โดยปกติแล้ว ผมสามารถทำการทดลองในห้องแล็บ หรือนั่งจำลองโมเลกุลบนคอมพิวเตอร์ได้” เขากล่าว “เราพยายามที่จะได้ภาพรวมของกิจกรรมทางเคมีที่สมบูรณ์ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้”