Цукор, світло і новий тип хімії проти викопного палива
У червні міністерство енергетики США зробило оголошення, яке здалося досить банальним - в цьому році він виділив 100 мільйонів доларів для фінансування 22 нових дослідницьких центрів з енергетики (EFRC) і оновить кілька інших. Одна з них, нова лабораторія Прінстонського університету, планує отримати майже 11 мільйонів доларів протягом чотирьох років.
Але тільки після поверхні це оголошення ознаменувало початок проекту, який може виявитися революційним.
Команда відомих вчених об'єдналася, щоб відповісти на наукові питання про енергетику та навколишньому середовищу, які в даний час неможливо вирішити. Якщо команда досягне успіху, вона відкриє шлях до влади з заводами і промисловими відходами, порушивши нашу залежність від забруднюючих викопних видів палива. І це створить абсолютно нову галузь науки в цьому процесі.
Ця наукова галузь називається біоінспекціонной світловий ескалацією хімії (BioLEC). Його мета: з'ясувати, як використовувати енергію двох фотонів, найдрібніших вимірюваних одиниць світла, для силових хімічних реакцій.
Це звучить просто на папері - насправді рослини весь цей час роблять частиною фотосинтезу. Але BioLEC набагато складніше, ніж яскравий ліхтар на пробірці. Вчені вже давно працюють над цим, але до сих пір відтворення такого роду хімії в лабораторії виявилося неможливим. Тепер, однак, у дослідників є спеціальний інструмент, який може дати їм можливість виконувати ті види реакцій, які природні для рослин, але в контрольованій обстановці лабораторії.
Почніть з органічної молекули на основі рослин. Це може бути цукор, скажімо, або спирт - будь-яка молекула, яка містить ланцюг атомів вуглецю, пов'язану з атомом кисню і атомом водню (OH). Вони дійсно дуже численні, тому його не повинно бути так складно знайти. Як може сказати вам хтось, хто постраждав на курсі органічної хімії, зв'язку, що зв'язують атоми вуглецю, найбільш важко зруйнувати в цих молекулах - вам буде краще вдарити, щоб зламати будь-яку іншу атомну зв'язок замість того, щоб возитися з вуглецевої ланцюгом.
Але якби ми могли знайти спосіб додати додатковий фотон в мікс? Ці вуглець-вуглецеві зв'язки стануть набагато слабкіше.
Якщо б ми могли зламати ці облігації, ми могли б створити реактивне паливо, яке є іншою молекулою, в основному складається з атомів вуглецю. На папері легко потрапити зі спиртів в паливо - просто зв'яжіть атоми вуглецю певним чином і викиньте атоми кисню у вигляді чистої води.
Вчені вже давно знають, як використовувати енергію одного фотона для руйнування деяких вуглецевих зв'язків. Але для створення реактивного палива їм потрібно додати енергію другого фотона, щоб зламати їх все. Це все ще занадто складно, використовуючи навіть найпередовіші наукові інструменти, які у нас є.
Частково це так складно, тому що світло повинне бути спеціально націлений на каталізатор - молекулу, яка інтегрується в хімічну реакцію, а полегшує і робить можливим весь процес. Це означає додавання дуже точної кількості енергії в точний час в точну праву частину того, що занадто мало, щоб бачити. Насправді так багато точності, що ніхто не зміг зрозуміти це.
«Ключовим моментом тут є те, що існуюча хімія не може атакувати стабільні облігації», - сказав Футуризму Грегорі Скоулз, хімік з Прінстона і директор проекту BioLEC. «Як тільки ви зможете атакувати і змінювати їх, ви можете отримати реактивну молекулу», тобто тип молекули, який система (будь то рослина чи літак) може використовувати для енергії.
Подумайте про молекулах алкоголю в двох абсолютно нових книгах. Ви дійсно хочете, щоб вони зібралися разом, щоб сформувати один гігантський томі (звучить дивно, так, але це реактивне паливо). Ви точно знаєте, як ви хочете замовити сторінки і все таке. Ви вже знаєте, як зняти з них пластикову упаковку (це атоми кисню і водню). Немає проблем. Але ви не знаєте, як взяти цю міцну зв'язок з книгами. І без цього важливого кроку ви не зможете зробити цю гігантську книгу, яку ви (дивно) з нетерпінням чекали.
BioLEC - це хімія, яка скасує цю прив'язку. І якщо це спрацює, відразу стане можливою нова область хімії.
Хімія, яка дозволила б нам виробляти придатний для використання реактивне паливо з чогось, що вже багато за своєю природою (і нам не потрібно з'ясовувати складні способи вилучення з землі). Це означало б додавання світла до цукрового очерету, щоб створити дешевий, рясний джерело чистої енергії. Ми також імовірно могли б використовувати методи, які Скоулз і його команда сподіваються розробити, щоб зруйнувати побічні продукти та інші відходи промислових підприємств. Мало того, що це значно очистить всю нашу обробну промисловість - промислові відходи стануть чистими, біологічно руйнуватися сполуками або навіть паливом. Велика кількість недорогого сировини також знизить вартість енергії. Однак це не допоможе позбутися від викидів вуглекислого газу, що виникають при спалюванні цих видів палива, коли ми їх отримаємо.
«Ми вважаємо, що наше дослідження буде працювати, тому що природа використовує аналогічні принципи в фотосинтезі», - каже Скоулз. «Хоча ми не копіюємо природу безпосередньо, вона пропонує доказ принципу».
Логічно, це не повинно бути так складно. «Це звучить просто. «О, поглиначами світло двічі», - каже Скоулз. Але, звичайно, це не так. «Це набагато складніше. У нас є всілякі стратегії, і саме тому він приймає всіх людей ».
Щоб вирішити проблему, цей вузлуватий, фахівці з різних областей, таких як хімія, техніка і фізика високих енергій, вперше об'єднали свої сили. У Прінстоні Скоулз, як і керівники команд інших дослідницьких установ, що займаються іншими проектами, пов'язаними з енергетикою, повинен буде ураганним вченим з областей, які в минулому не дуже багато працювали. Як висловився Скоулз, деякі з їхніх робіт далекі один від одного, що вони практично розмовляють різними мовами. І все ж їм потрібно буде зібратися разом, щоб зробити нові відкриття, які жоден з них, можливо, не міг сам по собі.
Скоулз і його команда, тим не менш, мають секретна зброя: прискорювач лазерного електронного прискорювача (LEAF). Розташована в Брукхейвенської національної лабораторії, яка співпрацює з Прінстоном, LEAF є одним з двох об'єктів в країні, здатних використовувати метод імпульсного радіолізу, який може просто зруйнувати ці вуглецеві зв'язки - і ця нова область хімії - широко відкрита.
Імпульсний радіоліз в основному використовує збільшувальну лінзу, щоб концентрувати сонячне світло і горіти мурахи. Крім сонячного світла, це надзвичайно потужний промінь електронів, а замість мурах молекули занадто малі, щоб бачити неозброєним оком. LEAF посилає потужні, вкрай короткоживучі сплески електронів через досліджувані молекули. Ці електронні пучки стикаються і активують молекули, які викликають хімічні реакції, які ламають і утворюють нові потужні зв'язки між атомами в цій молекулі.
Вивчаючи ці реакції на абсурдно коротких тимчасових рамах (думайте мільярди в секунду), команда BioLEC може дивитися на різні проміжні етапи реакції: все різні структури і форми, які молекули приймають, коли вони відповідають до доданої енергії, оскільки Метью Берд, хімік з Брукхейвенської національної лабораторії, яка працює в LEAF, пояснює футуризму по електронній пошті.
І це допоможе дослідникам BioLEC точно зрозуміти, що відбувається, коли вони стріляють в енергію на своїх каталізаторах, щоб вони могли більш ефективно викликати ці реакції в лабораторії.
Це складне завдання. На таких ранніх стадіях неможливо дізнатися, чи зможе Скоулз і його команда виконати всі свої завдання всього за чотири роки. Але він з оптимізмом дивиться, що вони можуть це зробити. Зрештою, основна наука вже існує. Якщо ціла купа великих, німих рослин може зрозуміти, як поглинути другий фотон, чому ми не можемо?
«Насправді дуже цікаво думати про те, чого ми можемо досягти, і об'єднати колег і людей, щоб зробити це», - говорить Скоулз. «Я думаю, що для мене це захоплююче, адже на цьому шляху буде якась справжня наука з високим рівнем впливу. Це не покрокова робота.
