Elektroschalter steuert chemische Reaktionen

Reaktortyp: Er hat die Form eines kleinen Kastens (Foto: Stefan Matile, unige.ch)

Genf/Cardiff (pte004/16.10.2023/06:10) - Forscher der Universität Genf ( https://www.unige.ch/ ) (UNIGE) und der Cardiff University ( https://www.cardiff.ac.uk/ ) nutzen ein externes elektrisches Feld wie einen Schalter, um eine chemische Reaktion zu steuern und zu beschleunigen. Details ihrer in "Science Advances" publizierten Arbeit ( https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj5502 ) können erheblichen Einfluss auf die Entwicklung neuer Moleküle haben. Denn das Wissen ermöglicht sowohl umweltfreundlichere Synthese als auch die einfache externe Steuerung einer chemischen Reaktion.

Durchbruch mittels Reaktor

Stefan Matile (UNIGE) und Thomas Wirth (Cardiff University) haben mit ihren Teams eine organisch-chemische Reaktion mit einem einfachen elektrischen Feld aktiviert. Dazu haben sie einen elektrochemischen mikrofluidischen Reaktor entworfen. Ihre Ergebnisse zeigen die Abhängigkeit zwischen dem Fortschrittszustand der chemischen Reaktion und der Stärke des angelegten elektrischen Feldes. Mit dem Gerät lässt sich eine chemische Reaktion durch einfaches Umlegen eines Schalters aktivieren.

"Dieser Reaktortyp hat die Form eines kleinen Kastens, in dem das Reaktionsgemisch zwischen zwei Elektroden, die das elektrische Feld erzeugen, zirkulieren kann. Bei den Elektroden handelt es sich um fünf Zentimeter Mal fünf Zentimeter große quadratische Platten, die so dicht wie möglich beieinander liegen. Sie sind durch eine Viertelmillimeter dicke Platte getrennt. Diese enthält den Strömungskanal, durch den die Moleküle zwischen den Elektroden zirkulieren", so Erstautorin Ángeles Gutiérrez López.

Chemische Umwandlung aktiviert

Die Elektroden sind mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen beschichtet. Beim Durchströmen des Reaktors treten die Reaktanten in eine schwache Wechselwirkung mit den Kohlenstoffnanoröhrchen und setzen sie dem elektrischen Feld aus. Dies führt zu einer elektronischen Polarisierung des Moleküls und aktiviert die chemische Umwandlung.

Um die gewünschten chemischen Bindungen mit hoher Ausbeute herzustellen, wenden Chemiker in der Regel komplexe, mehrstufige Strategien an, die zahlreiche Zwischenprodukte einschließen. Diese Strategien erfordern viele Ressourcen und Energie. Das von Matile und Wirth vorgeschlagene neue elektrische Gerät könnte diese Strategien vereinfachen und so die Folgen chemischer Synthesen für den Kohlenstoffverbrauch verringern. Das Gerät ist zudem einfach zu steuern.

"Unser 'Reaktor' ähnelt in gewisser Weise dem Teilchenbeschleuniger am CERN in Genf. Aber anstatt subatomare Teilchen zu beschleunigen, beschleunigt er Elektronen bei molekularen Umwandlungen", erklärt Matile. Grundlegende Fortschritte seien aber noch nötig, um das volle Potenzial zu erschließen. Die Methode könnte jedoch in nicht allzu ferner Zukunft in der organischen Chemie eingesetzt werden und die Herstellung von Arzneimitteln, neuen Kraftstoffen oder Kunststoffen umweltfreundlicher und kontrollierbarer machen.

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