ساخت کاتالیزور مصنوعی با الهام از آنزیم‌های زنده

پژوهشگران “دانشگاه استنفورد” در مطالعه اخیرشان با الهام از آنزیم‌های زنده موفق به ایجاد کاتالیزورهای مصنوعی شده‌اند.

به گزارش آردی نیوز و به نقل از ساینس دیلی، پژوهشگران “دانشکده زمین، انرژی و محیط زیست دانشگاه استنفورد”(Stanford’s School of Earth, Energy & Environmental Sciences) اخیرا موفق به توسعه کاتالیزورهای مصنوعی برای ساخت مواد شیمیایی پاک کننده و سوخت در مقیاس صنعتی شده‌اند.

زندگی تمام موجودات زنده به آنزیم ها وابسته است زیرا آنزیم‌ها مولکول‌هایی هستند که سرعت واکنش‌های بیوشیمیایی که برای زندگی ضروری است را افزایش می‌دهند.

چند دهه است که دانشمندان برای ایجاد آنزیم‌های مصنوعی که قادر به از بین بردن مواد شیمیایی مهم و سوخت‌ها در مقیاس صنعتی هستند، در حال تلاشند.

اکنون پژوهشگران دانشگاه استنفورد با همکاری “آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده اسلک”(SLAC National Accelerator Laboratory) یا (SLAC) موفق به توسعه کاتالیزورهای مصنوعی شده‌اند که مواد شیمیایی را به همان روشی که آنزیم‌ها در موجودات زنده تولید می‌کنند، تولید می‌کنند. طی این مطالعه که در مجله” Nature Catalysis ” منتشر شد، پژوهشگران اظهار کردند که کشف آنها می‌تواند به توسعه کاتالیزورهای صنعتی که قادر به تولید متانول با استفاده از انرژی و هزینه کمتری هستند منجر شود.

“متیو کارگنلو”(Matteo Cargnello) نویسنده ارشد این مطالعه و استادیار دانشکده شیمی دانشگاه استنفورد گفت: ما از طبیعت الهام گرفتیم. ما می‌خواهیم عملکرد آنزیم‌های طبیعی را در آزمایشگاه با استفاده از کاتالیزورهای مصنوعی برای ساخت ترکیبات مفید، تقلید کنیم.

طی این مطالعه، پژوهشگران یک کاتالیزور که از نانوکریستال‌های پالادیوم ساخته و روی آن یک فلز گرانبها در لایه‌هایی از پلیمرهای متخلخل متناسب با خاصیت کاتالیزوری خاص تعبیه شده است، طراحی کردند. بیشتر آنزیم‌های پروتئینی موجود در طبیعت نیز دارای فلزات کمیاب مانند روی و آهن هستند که در هسته آنها تعبیه شده است.

پژوهشگران توانستند پالادیوم ردیابی شده را در کاتالیزورهای خود با تصاویر میکروسکوپی الکترونی مشاهده کنند. “اندرو ریسکو”(Andrew Riscoe) پژوهشگر ارشد این مطالعه گفت: ما بر روی یک مدل واکنش شیمیایی متمرکز شدیم که طی آن مونوکسید کربن سمی و اکسیژن به دی اکسید کربن(CO۲) تبدیل می‌شوند. هدف ما این بود که ببینیم آیا کاتالیزور مصنوعی می‌تواند مانند آنزیم سرعت واکنش را افزایش دهد و نحوه تولید دی اکسید کربن را کنترل کند یا خیر.

به همین منظور، ریسکو کاتالیزور را در یک لوله راکتور با جریان مداوم مونوکسید کربن و گاز اکسیژن قرار داد. هنگامی که این لوله تا حدود ۱۵۰ درجه سانتیگراد (۳۰۲ درجه فارنهایت) گرم شد، کاتالیزور تولید محصول مورد نظر یعنی دی اکسید کربن را آغاز کرد. پرتوهای ایکس پر انرژی بخش “Stanford Synchrotron Radiation Lightsource” آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده “اسلک” نشان داد که کاتالیزور دارای صفاتی شبیه به مواردی است که در آنزیمها دیده می‌شود، نانو کریستال‌های پالادیوم داخل کاتالیزور به طور مداوم با اکسیژن و مونوکسید کربن برای تولید دی اکسید کربن واکنش نشان می‌دادند و برخی از مولکول‌های دی اکسید کربن که به تازگی شکل گرفته‌اند در هنگام فرار از نانوکریستال‌ها در لایه‌های پلیمری بیرونی گیر افتادند.

کارگنلو در ادامه افزود: پرتوهای ایکس نشان دادند پس از اینکه لایه‌های پلیمری با دی اکسید کربن پر شدند، واکنش متوقف شد. این نکته مهمی است زیرا این استراتژی همان استراتژی مورد استفاده آنزیم‌ها است. وقتی یک آنزیم تعداد زیادی از یک محصول را تولید می‌کند، کار را متوقف می‌کند، زیرا دیگر نیازی به محصول نیست. ما نشان دادیم که می‌توانیم با کنترل ترکیب شیمیایی لایه‌های پلیمر ، تولید دی اکسید کربن را تنظیم کنیم.

تصویربرداری با اشعه ایکس توسط نویسندگان این مطالعه “الکسی بوبنوف”(Alexey Boubnov)، دانشمند مقطع فوق دکترای دانشگاه استنفورد و “سیمون بار”(Simon Bare) و “آدام هافمن”(Adam Hoffman) دانشمندان اسلک انجام شد.

پس از آزمایش موفقیت آمیز دی اکسید کربن، کارگنلو و همکارانش تلاش خود را برای تبدیل متان، ماده اصلی گاز طبیعی به متانول، ماده‌ای شیمیایی که به طور گسترده در پارچه، پلاستیک و رنگ مورد استفاده قرارمی‌گیرد، متمرکز کردند.

کارگنلو در انتها افزود: توانایی تبدیل متان به متانول در دماهای پایین گام بزرگی است اما هدف بلند مدت ما ساختن کاتالیزوری است که مانند “متان مونواکسیژناز “(methane monooxoygenase) رفتار می‌کند، متان مونواکسیژناز آنزیم طبیعی است که میکروب‌های خاص برای متابولیزه کردن متان از آن استفاده می‌کنند.

امروزه بیشتر متانول در یک فرایند دو مرحله‌ای تولید می‌شود که شامل گرم کردن گاز طبیعی تا دمای حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد (۱۸۰۰ فارنهایت) است. اما این فرایند پر انرژی مقدار زیادی دی اکسید کربن، یک گاز قوی گلخانه ای که منجر به ایجاد تغییرات آب و هوایی جهانی می‌شود، ساطع می‌کند. /ایسنا