Probabilmente il progresso industriale più importante (anche se meno noto) del XX secolo, il processo di sintesi dell'ammoniaca Haber-Bosch ha essenzialmente vinto la scarsità di cibo creando i mezzi per produrre in massa fertilizzanti, fertilizzanti usati poi per fortificare i raccolti di cibo in tutto il mondo.

Ma la produzione di ammoniaca, l'elemento costitutivo del fertilizzante a base di nitrato di ammonio, genera un sottoprodotto problematico su tutta la linea:l'anidride carbonica. Tanto:più di due tonnellate di carbonio per ogni tonnellata di fertilizzante. Rappresenta circa l'1,4% delle emissioni globali di anidride carbonica. Così, mentre il processo contrastava la fame di massa, ha anche iniziato ad aumentare il carico di gas serra del pianeta.

Uno degli obiettivi principali per gli scienziati di oggi è disaccoppiare la produzione alimentare dal carbonio. In parte, questo significa trovare un modo per produrre fertilizzante attraverso la sintesi dell'ammoniaca senza carbonio. Si può fare senza Haber-Bosch?

Paul Chirik, il professore di chimica Edwards S. Sanford, ha compiuto un passo importante verso questa possibilità con un unico, approccio fondamentale alla sintesi dei legami chimici. Lui e i ricercatori del suo laboratorio usano la luce visibile per guidare la formazione di deboli legami elemento-idrogeno, che sono al centro della sfida perché sono così difficili da realizzare.

Il documento di prova del laboratorio, pubblicato questo mese in Chimica della natura , presenta un metodo semplice che prevede l'illuminazione di luce blu su un catalizzatore di iridio per consentire la formazione di legami deboli al potenziale termodinamico o vicino, ovvero senza enormi spese di energia, senza un sottoprodotto di carbonio.

"La grande svolta qui è essere in grado di prendere la luce e quindi promuovere una reazione chimica per creare un legame davvero debole, che non potresti fare a meno di uno stimolo esterno, " disse Chirik. "In passato, tale stimolo è stato accoppiato con lo spreco o il consumo di elettricità. Qui, lo stiamo facendo con la luce.

"Abbiamo questo mondo di catalizzatori metallici che hanno fatto cose incredibili:hanno prodotto ammoniaca, hanno fatto droghe, hanno prodotto polimeri. Ora, possiamo fare ancora di più con loro quando iniziamo a guardare cosa succede quando questi catalizzatori assorbono la luce, "ha aggiunto. "Quindi, stai prendendo qualcosa che ha fatto davvero una bella chimica prima e lo stai spremendo con altre 50 chilocalorie.

"Un mondo intero si apre. Improvvisamente, c'è una nuova classe di reazioni che possiamo pensare di fare".

Splende una luce

I legami EH sono semplicemente un modo per indicare qualsiasi legame che potresti creare tra l'idrogeno e un altro elemento. Le forze di legame E-H dipendono fortemente dalla struttura chimica di ciascun elemento, ma molti di questi legami sono deboli, instabili e inclini a rompersi facilmente e formare idrogeno (H ₂ ). La maggior parte delle reazioni chimiche sono guidate dalla formazione di legami forti, poiché l'energia viene rilasciata quando si formano prodotti più stabili. È l'assemblaggio di legami deboli che pone la sfida.

Il laboratorio Chirik ha trovato un modo per creare un legame debole facendo luce su un catalizzatore; in questo caso, iridio.

Ecco come funziona:i ricercatori hanno scelto una molecola organica rappresentativa, antracene, che agisce come una sorta di piattaforma su cui avviene la chimica all'interno del pallone di reazione. La luce blu brillante sull'iridio all'interno del pallone lo fa "eccitare, " significa che ha energia per guidare la reazione. In questo stato, si scontra con la molecola di antracene e trasferisce un atomo di idrogeno per formare un legame debole. Il catalizzatore di iridio attiva quindi il gas idrogeno, completando il ciclo.

L'utilizzo del gas idrogeno al posto delle fonti di idrogeno a base di carbonio, ampiamente utilizzate in passato nella sintesi organica, fornisce potenzialmente un modo sostenibile per creare legami chimici deboli senza generare un sottoprodotto di carbonio.

Parco Yoonsu, un associato di ricerca post-dottorato nel laboratorio di Chirik e autore principale dell'articolo, e Sangmin Kim, un dottorato di ricerca 2021 laureato in laboratorio, ha avuto l'idea di usare la fotochimica esaminando i legami deboli che appaiono in altre reazioni ed estrapolando le loro lezioni. Altri due autori sull'articolo:Greg Scholes, il professore di chimica William S. Tod, e il suo studente laureato Lei Tian— hanno fornito approfondimenti sul ruolo della luce blu utilizzando una varietà di esperimenti laser.

Park ha anche determinato quale catalizzatore metallico nella vasta distesa della tavola periodica sarebbe stato il più efficace nello svolgimento della reazione desiderata. Saltando dal precedente lavoro di laboratorio svolto con il rodio, un altro raro, costoso catalizzatore metallico:si è rapidamente concentrato sull'iridio.

Mentre gli scienziati non sono ancora pronti a gettare a mare Haber-Bosch, il proof-of-concept del laboratorio Chirik è un importante passo iniziale.

"Non abbiamo ancora prodotto l'ammoniaca in modo catalitico. Abbiamo ancora molta strada da fare per raggiungere questo obiettivo, " ha detto Chirik. "Ma è questa idea di imparare a fare questi legami deboli che è così importante.

"La cosa che mi piace di questa ricerca è, è diverso. È chimica fondamentale, il più basilare che puoi ottenere. Nessuno aprirà un impianto su questa ricerca domani. Ma siamo davvero entusiasti del concetto, e speriamo davvero che altre persone facciano questa chimica in altri contesti".