Je leest:

Katalysator met trekschakelaar

Katalysator met trekschakelaar

Auteurs: en | 7 april 2009

Onderzoekers van de TU\e maakten een moleculair systeem dat onder invloed van ultrageluid katalytisch actief kan worden. Daarmee zijn ze de eersten die een katalysator kunnen activeren met mechanische krachten. Nature Chemistry bericht deze week online over de Eindhovense ontdekking, die van betekenis kan zijn voor de ontwikkeling van zichzelf reparerende materialen.

Katalysatoren zijn een soort motoren van de chemie. Ze versnellen reacties die anders jaren kunnen duren, zonder daarbij zelf verbruikt te worden. Bekend is de katalysator die de uitlaatgassen van auto’s reinigt. Hierin zetten platina en rhodium het schadelijke koolstof- en stikstofmonoxide om in minder vervuilend CO2 en stikstof. Maar katalysatoren zijn vooral ontzettend waardevol voor de chemische industrie. Kunststoffen, geneesmiddelen en allerlei andere producten zijn zonder katalysatoren ondenkbaar.

Een belangrijke actuele trend in het katalysatoronderzoek is de ontwikkeling van katalysatoren die ‘op commando’ aan- en uitgezet kunnen worden. Daarmee zijn chemische processen naar verwachting beter te sturen en is de vorming van ongewenste bijproducten te minimaliseren. Voor het ‘schakelen’ van de katalytische activiteit gebruikten onderzoekers tot nu toe licht, warmte of een verandering in de zuurgraad (pH). De wetenschappers van het Instituut voor Complexe Moleculaire Systemen van de TU Eindhoven bedachten als eersten een manier om een katalysator met een beweging te bevrijden.

Veelbelovend

Onder leiding van prof. dr. Rint Sijbesma ontwierpen de Eindhovense onderzoekers een soort mechanische trekschakelaar. Deze bestaat uit twee lange moleculen, beiden verbonden met een centraal metaalion. De moleculen zijn relatief instabiele carbenen, die zich kenmerken door een reactief koolstofatoom.

In de ‘uit’ stand van de schakelaar houden de carbenen en het metaalion elkaar gevangen en is er sprake van een stabiele situatie. Maar als er aan de ‘staart’ van de carbeenmoleculen wordt getrokken, dan komt de geest uit de fles. Dan breekt de carbeen-metaal verbinding open en gaat de katalyse van start.

Weergave van de mechanische activering van de katalysator. Een metaal (paars) zit gevangen tussen twee organische moleculen, de carbenen (groen). De carbenen beschikken over lange polymeerstaarten. Daaraan trekken verbreekt de band met het metaal. Dan kunnen in principe zowel de carbenen (links) als het metaal (rechts) een chemische reactie katalyseren. Beeld: TU/e / Nature Chemistry

De ‘draadjes’ van de moleculaire trekschakelaar (de carbeenstaarten) zijn maar een paar nanometer lang. Daar kun je niet met een pincetje aan trekken. De onderzoekers gebruiken daarvoor ultrageluid, dat in een vloeistof minuscule bubbeltjes kan genereren. Als zulke cavitatiebellen in elkaar klappen ontstaat er ter plaatse een hele sterke stroming, sterk genoeg om de carbenen uit elkaar te trekken en de katalyse te starten.

Toepassingen

Sijbesma’s groep heeft inmiddels verschillende katalytische reacties kunnen starten met de trekschakelaar en een puls ultrageluid. Zo bleek het mogelijk benzylacetaat (een appel- en peersmaakstof) te maken. Bij deze transesterificatie uit vinylacetaat en benzylalcohol is het vrijkomende reactieve carbeen de katalysator.

De Eindhovenaren hebben ook laten zien dat het vrijkomende metaalion katalytisch actief kan zijn, met name in polymerisatiereacties. Zo beschrijven ze in Nature Chemistry een reactie waarbij de katalysator ringvormige moleculen openbreekt en aan elkaar ‘haakt’ tot een lange polymeerketen.

De ring-opening reactie waarbij de trekschakelaar-katalysator bewees nuttig te zijn. Met ultrageluid is de ringopening en polymerisatie aan te zetten. Beeld: TU/e / Nature Chemistry

Het werkt dus, maar de onderzoekers zijn nog niet tevreden over hoe het werkt. Een belangrijk struikelblok vormt de mate waarin de katalysator vrijkomt. Daardoor blijven de resultaten voorlopig nog achter bij traditionele katalysatoren zonder trekschakelaar. Meer onderzoek moet daar verbetering in brengen.

Zelfhelende materialen

Er is wel een belangrijke nieuwe toepassing voor de nieuwe katalysatoren: in zelfhelende materialen. In dit geval gaat het om kunststoffen die zichzelf kunnen repareren nadat ze zijn beschadigd. Een variant van de trekschakelaarkatalysator met het metaal ruthenium is daarvoor bij uitstek geschikt, stelt Sijbesma. Het idee is zulke trekschakelaars in te bouwen in het polymere netwerk van de kunststof.

Ultrageluid werkt dan niet meer, maar Sijbesma verwacht dat eenvoudige vervorming van het materiaal al genoeg is om het katalytisch actieve metaalion vrij te maken. Vervolgens kan de zelfherstellende polymerisatiereactie plaatsvinden. Sijbesma’s groep is inmiddels bezig dit concept verder te ontwikkelen. De Eindhovense hoogleraar noemt de voorlopige resultaten “hoopgevend”.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 07 april 2009

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.