به گزارش اطلاعات آنلاین، کربن دی اکسید یا CO۲ که مقصرترین عامل گرمایش جهانی به شمار می رود در نظر برخی از دانشمندان یک مولکول بسیار پایدار و خوش اقبال است. به سختی می شود از مقدار این گاز در هوا کاست؛ به همین دلیل است که چندین دهه در اتمسفر زمین به زندگی خود ادامه می دهد.
تراکم رو به افزایش کربن دی اکسید در اتمسفر زمین یکی از ضروری ترین مسائلی است که برای جلوگیری از وقوع یک فاجعه آب و هوایی باید مورد توجه همه کشورهای جهان، به ویژه کشورهای صنعتی قرار گیرد.
از زمانی که انقلاب صنعتی رخ داد تا امروز انسان ها با سوزاندن سوخت های فسیلی و ایجاد آلودگی های دیگر به میزان ۴۵ درصد CO۲ اتمسفر را افزایش داده اند. نتیجه این بی مبالاتی انسانی این شد که دمای سیاره ما در سطح جهانی در مقایسه با پیش از انقلاب صنعتی قرن هجدهم دو درجه سلسیوس بالاتر رفته است. متأسفانه گرمای زمین به خاطر وجود گازهای گلخانه ای از جمله کربن دی اکسید، در اتمسفر به دام افتاده و همان جا راکد می ماند که این سبب گرم شدن سیاره آبی ما می شود.
با این حال، دانشمندان از جمله پژوهشگران «دانشگاه کالیفرنیای جنوبی» راهی یافتند تا CO۲ را تجزیه کرده و این گاز گلخانه ای را به مواد سودمندی مثل سوخت یا محصولات مصرفی تبدیل کنند؛ از انواع داروها گرفته تا پلیمرها.
مسلم است که این فرایند به مقدار بسیار زیادی انرژی نیاز دارد، اما پژوهشگران به دنبال مطالعه ای محاسباتی که در نوع خود بی نظیر است یک متحد چاره ساز و پایدارتر از خود این گاز برایش پیدا کرده اند: نور خورشید.
آنها نشان دادند که نور فرابنفش (UV) در تحریک کردن یک مولکول ارگانیک به نام «اولیگوفنیلین» بسیار توانا است. این مولکول با قرارگیری در معرض نور فرابنفش تبدیل به یونی با بار منفی می شود که به راحتی می تواند الکترون ها را به نزدیک ترین مولکول در اطراف خود، مثلاً CO۲ منتقل کند. مولکول CO۲ با دریافت الکترون به حالت انفعالی در می آید و درست در این حالت واکنشی است که می توان این عنصر را تجزیه کرد و از آن اشیائی مثل پلاستیک، مواد دارویی و حتی اثاث منزل ساخت.
تیم های پژوهشی بسیاری در جستجوی شیوه هایی برای تبدیل CO۲ به ماده ای مفید هستند. به عنوان مثال پژوهشگران «دانشگاه براون» در ایالات متحده از کاتالیزور مسی برای تسریع در انجام واکنش و تولید هیدروکربن های مرکب به نام فراورده های C۲-plus استفاده کردند. آنها برای این کار مس را میزان سازی و متناسب کردند. این کاتالیزور می تواند ترکیبات C۲-plusرا با حداکثر ۷۲ درصد راندمان تولید کند.
در سال های اخیر گام های بزرگی در تولید کاتالیزورهای مسی برداشته شده اند. برای مثال، در همین دانشگاه یک فوم مسی ساخته شد که قابلیت تولید اسید فرمیک را دارد.
کاتالیزور مسی به بازیافت CO۲ در مقیاس گسترده کمک زیادی می کند. هدف طراحان آن این است که کربن دی اکسید خارج شده از تأسیسات صنعتی مانند نیروگاه های برق و کارخانه جات تولید سیمان را جذب کنند یا مستقیماً آن را از هوا بگیرند و سپس به دیگر ترکیبات کربنی سودمند تبدیل کنند. این کار مستلزم کاتالیزوری مؤثر است که به راحتی ساخته شود و پرهزینه نباشد تا بتوان در مقیاس صنعتی از آن استفاده کرد. مس از نگاه آنها گزینه مناسبی است.
در روش های مرسوم تجزیه CO۲، گرما یا الکتریسیته به همراه یک کاتالیزور به کار گرفته می شود تا سرعت تبدیل گاز به محصولات بعدی بالا برود. اما بسیاری از این روش ها مستلزم صرف مقدار زیادی انرژی هستند که این برای فرایندی که به قصد کاهش آسیب های زیست محیطی صورت می گیرد مطلوب و منطقی نیست. در عوض، استفاده از نور خورشید به عنوان منبع انرژی مورد نیاز بسیار جالب توجه است زیرا هم انرژی به شکلی بهینه مورد استفاده قرار می گیرد و هم روشی پایدار است؛ چون منبع آن به این زودی ها تمام نمی شود و هیچ گونه آلودگی و تهدید زیست محیطی ایجاد نمی کند.
در روش های دیگر تجزیه CO۲ از مواد شیمیایی حاوی فلز به عنوان کاتالیزور استفاده می شود و فلزات به کار رفته نیز در زمره فلزات خاکی کمیاب هستند. آنها علاوه بر گران قیمت بودن، به سختی یافت می شوند و می توانند سمی باشند.
بنابراین راه حل این است که به جای آنها، کاتالیزورهای ارگانیک کربنی به کار گرفته شوند تا فرایند تبدیل با حضور نور طبیعی به بهترین نحو انجام شود. البته این شیوه نیز موانع خاص خودش را دارد که دانشمندان درصدد مرتفع کردن آنها هستند. آنها با کمک شبیه سازی هایی در حوزه شیمی کوانتومی می خواهند بدانند الکترون ها چگونه بین کاتالیزور و CO۲ حرکت می کنند تا بدین طریق بتوانند بهترین کاتالیزور ممکن را برای این واکنش پیدا کنند.
اینها نخستین مطالعات محاسباتی در نوع خود بود، از آن جهت که تا پیش از این مکانیسم هایی که در جا به جایی الکترون ها از یک مولکول ارگانیک مانند اولیگوفنیلین به کربن دی اکسید نقش دارند مورد بررسی قرار نگرفته بودند. دانشمندان دریافتند که می توانند به کاتالیزور خود، یعنی اولیگوفنیلین تغییراتی سیستماتیک بدهند. برای این کار کافی است گروه هایی از اتم ها که هنگام پیوند با مولکول ها خواص ویژه ای از خود نشان می دهند را به آن اضافه کنند. این ویژگی ها کاری می کنند که الکترون ها به سمت مرکز کاتالیزور رانده شوند و در نتیجه واکنش سرعت بگیرد.
یکی از چالش های موجود این است که گرچه می توان تابش ها را مهار کرد اما مقدار بسیار کمی از تابش ها در ناحیه قابل رویت هستند؛ پس برای این که واکنش انجام شود یک لامپ UV مورد نیاز است.
پژوهشگران اکنون با کمک شیمی کوانتومی و الگوریتم های ژنتیکی در حال جستجوی راهبردهایی برای طراحی کاتالیزوری هستند که نه فقط سرعت واکنش را بالا ببرد، بلکه کاری کند تا مولکول ها در نور مرئی نیز تحریک شوند.
این پروژه های تحقیقاتی سهم بزرگی در برقراری محیط زیستی پایدارتر داشتند. تصور رایج این است که پژوهش از آزمایشگاه شروع شده و در آنجا توسعه می یابد؛ جایی که پژوهشگران باید لباس مخصوص آزمایشگاهی بپوشند و با مواد شیمیایی خطرناک کار کنند، اما این پژوهش ماهیتی متفاوت دارد و در آن از مواد شیمیایی اجتناب شده است.