قام مجموعة من الباحثين بجامعة براون بوضع نظرية جديدة لمعرفة السبب وراء تَحسُّن أداء المُحفزات المعدنية عند ضغطها أو مدّها، مما يفتح المجال لتصميم مُحفزات جديدة ذات قدرات جديدة.
ومن المعروف أن المُحفزات هي المواد التي تسرّع التفاعلات الكيميائية، فالغالبية العظمى من المحفزات الصناعية تشمل السطوح الصلبة، أو المعادن وتُحفز هذه المحفزات التفاعلات في السوائل أو الغازات، فمثلًا المُحول الحفّاز بالسيارات يستخدم مُحفز معدني لإخراج السموم من أدخنة العادم، هناك أيضًا فائدة في استخدام المحفزات المعدنية وهي تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود، وتكوين الأسمدة من النيتروجين الموجود في الغلاف الجوي وغيرها.
وقد أظهرت الأبحاث في السنوات الأخيرة أن تطبيق سلالة ما على المحفزات المعدنية إما عند الضغط، أو المد يمكن في بعض الحالات أن يؤدي إلى تغيير طريقة أدائها.
وقال أندرو بيترسون، الأستاذ المساعد في كلية براون للهندسة والمؤلف المشارك للبحوث “لقد بدأنا في رؤية الأشياء تحدث تحت ضغط والتي لا يمكن تفسيرها بسهولة بالنظرية التقليدية حول كيفية عمل المُحفزات”
ويعمل المحفز المعدني عن طريق ربط المتفاعلات بسطحه، وهي عملية تُعرف بالامتزاز، حيث يُكسِّر الامتزاز الروابط الكيميائية للجزيئات المتفاعلة، مما يسمح بمراحل مختلفة من التفاعل الكيميائي على سطح المعدن، بعد اكتمال مراحل التفاعل، يتم تحرير المنتج النهائي من المُحفز عبر عملية عكسية، تُسمی بالامتصاص.
الخاصية الرئيسية للمُحفز هي تفاعله، يجب أن تكون المُحفزات متفاعلة إلى حد ما بحيث تصبح مُلازمة للحدث، ولكنها ليست تفاعلية للغاية، حيث تؤدي كثرة التفاعل إلى جعل المُحفز يحتفظ بالجزيئات بإحكام شديد، مما قد يُعيق بعض مراحل التفاعل.
وقد تَبيَّن في السنوات الأخيرة أن تطبيق سلالة على عامل حفاز يمكن أن يضبط تفاعله، وهناك نظرية راسخة لكيفية عمله، وتتنبأ النظرية بأن سلالة المد تزيد من التفاعل، بينما يقل التفاعل في سلالة الضغط ، ومع ذلك ظل بيترسون ومجموعته يواجهون أنظمة لا يمكن تفسيرها.
تصف النظرية التقليدية الأشياء على مستوى الإلكترونات وشرائح الإلكترون، بينما النظرية الجديدة تركز على آليات كيفية تفاعل الجزيئات مع الشبكة الذرية للحافز.
أظهر بيترسون وفريقه أن الجزيئات المرتبطة بسطح المحفز ستميل إما إلى دفع الذرات في الشبكة الذرية أو فصلها عن بعضها البعض، وذلك يتحدّد اعتمادًا على خصائص الجزيئات ومواقع الارتباط.
القوى التي تنتجها الجزيئات تطرح التساؤل عن كيفية تأثير السلالة الخارجية على تفاعل المحفز، وتشير إلى أن التوتر يجعل العامل الحفاز أكثر تفاعلًا مع الجزيئات التي تريد بشكل طبيعي دفع الشبيكة عن بعضها البعض، في نفس الوقت يجب أن يقلل التوتر من التفاعل بالنسبة للجزيئات التي تريد سحب الشبيكة معًا.
لا تساعد النظرية الجديدة على تفسير النتائج المحيرة السابقة فحسب، بل إنها تقدم تنبؤات جديدة مهمة، وبالتحديد تتنبأ بطريقة لكسر العلاقات التدريجية التقليدية بين المحفزات وأنواع مختلفة من الجزيئات.
وقال بيترسون: “إن تقنين العلاقات يعني أنه في ظل الظروف العادية، عندما تزيد من تفاعل المادة الحفازة في مادة كيميائية واحدة، فإنها تزيد من تفاعل المواد الكيميائية الأخرى أيضًا”، “وبالمثل، إذا قمت بتقليل التفاعل لمواد كيميائية واحدة، فإنك تخفضه للآخرين.”
تلك العلاقات التدريجية تسبب المفاضلات المزعجة عند محاولة تحسين عامل حفاز، يمكن أن يتسبب الحصول على التفاعل المثالي لمادة كيميائية ما في ربط مادة كيميائية أخرى بإحكام أو العكس، مما قد يؤدي إلى تثبيط بعض مراحل التفاعل، لكن هذه النظرية الجديدة تشير إلى أن السلالة يمكن أن تَكسر تلك العلاقات المتدرجة مما يتيح حافزًا لربط مادة كيميائية واحدة بشكل أكثر إحكامًا وآخرًا أكثر انسجامًا، اعتمادًا على التفاعل الكيميائي الطبيعي مع الشبكة الذرية للحافز والطريقة التي يتم بها هندسة حقل السلالة سطح المحفز.
وقال بيترسون: “الآن يمكنك البدء بالتفكير في ضبط العوامل الحفازة لتحسين الأداء خلال خطوات التفاعل المختلفة”، “يمكن أن يحسن بشكل كبير أداء المحفز، اعتمادًا على المواد الكيميائية المعنية.”
بدأ فريق بيترسون تجميع قاعدة بيانات للمواد الكيميائية الشائعة التفاعل وتفاعلاتها مع مختلف أسطح المحفز، بحيث أن قاعدة البيانات تكون بمثابة دليل للعثور على التفاعلات التي يمكن أن نستفيد من خلالها من السلالات.
كتابة: آلاء عمارة
مراجعة: سارة ياسر
تصميم: أمنية عبدالفتاح
تحرير: علاءالدين محمود
