Atunci când dr. Andrés de la Escosura, cercetător în domeniul chimiei organice la Institutul de Cercetări Avansate în Științe Chimice (IAdChem) din Madrid, Spania, și-a propus să schimbe fundamental modul în care producem substanțele chimice utilizate în viața de zi cu zi, raționamentul său a fost simplu.
Procesele chimice din natură sunt curate și eficiente, în timp ce procesele chimice industriale nu sunt deloc așa.
„Reacțiile chimice din natură sunt incredibil de eficiente, generând foarte puține deșeuri și consumând foarte puțină energie”, a declarat de la Escosura.
El s-a întrebat dacă, imitând mai îndeaproape biologia în reacțiile industriale, am putea crea o industrie chimică mai curată și mai ecologică.
Mulțumită finanțării din partea UE, de la Escosura și-a putut uni forțele cu cercetători din țări precum Austria, Țările de Jos și Elveția pentru a testa aceste idei în cadrul unei inițiative de cercetare denumită CLASSY, care s-a încheiat la începutul acestui an.
Avantajele proceselor naturale
Organismele vii funcționează cu ajutorul reacțiilor biochimice. Totul, de la respirație și fotosinteză până la digestia alimentelor și contracția mușchilor, implică mișcarea, descompunerea, recombinarea și sinteza substanțelor chimice. Toate aceste procese sunt foarte curate și eficiente din punct de vedere energetic.
Pe de altă parte, procesele chimice industriale de astăzi, care sunt utilizate pentru a alimenta sectoare precum asistența medicală, energia, transportul și locuințele, creează cantități mari de deșeuri.
De exemplu, producția de produse farmaceutice generează de obicei între 25 și 100 de kilograme de deșeuri pentru fiecare kilogram de produs final.
Industria chimică consumă, de asemenea, foarte multă energie. Biroul de statistică al UE a raportat că sectorul chimic și petrochimic este responsabil pentru o cincime din consumul industrial de energie de la nivel european. Din acest motiv, este un poluator major și un factor care contribuie la schimbările climatice.
Pentru a se inspira, cercetătorii din cadrul CLASSY și-au îndreptat atenția către sistemele vii. Natura sintetizează în mod eficient o varietate enormă de produse chimice complexe prin separarea sau segregarea diferitelor procese chimice și prin utilizarea mecanismelor naturale de control pentru a le regla.
Flux continuu
Echipa de cercetători a explorat modalități prin care pot fi reproduse aceste procese, în ceea ce ei numesc „reactoare microfluidice”, configurate pentru a imita activitatea celulelor vii.
Microfluidica este manipularea fluidelor prin canale minuscule.
Fluidele și moleculele din acestea sunt sortate și ghidate printr-o serie de cipuri sau microreactoare. Pot fi trimise diferite tipuri de molecule în camere de reacție diferite, iar evoluția lor prin dispozitiv este controlată îndeaproape, în cadrul unui proces progresiv etapizat.
Pentru procesarea substanțelor chimice sintetice sunt necesare mai multe etape diferite. Atunci când desfășori aceste procese într-un sistem închis, cum ar fi un balon sau o cameră de reacție industrială, la un moment dat trebuie să te oprești, să golești reactorul și apoi să reîncepi reacția, a explicat de la Escosura.
Microfluidica permite reacțiilor chimice să se desfășoare într-un mod mai natural.
Reactoarele conțin un amestec de enzime și alte molecule care produc o reacție chimică. Atunci când o reacție chimică se încheie, compușii trec prin sistem la următoarea cameră și la următoarea reacție. Avantajul acestui lucru este că întregul proces poate funcționa continuu.
Pentru a demonstra validitatea conceptului, cercetătorii din cadrul CLASSY au făcut progrese semnificative cu aceste reactoare, creând cu succes un dispozitiv microfluidic care descompune grăsimile vegetale, producând biocombustibil.
De la Escosura confirmă faptul că eficiența procesului ar putea fi îmbunătățită și mai mult, dar speranța este că, în viitor, astfel de dispozitive ar putea îndeplini sarcini diferite, în funcție de ceea ce este introdus în sistem.
Acesta a spus că este nevoie de mai multă cercetare fundamentală, dar sperăm că această abordare ar putea reduce dramatic deșeurile și consumul de energie, îmbunătățind în același timp randamentul chimic.
„Scopul este de a reduce la minimum impactul pe care industria chimică îl are asupra schimbărilor climatice și asupra altor factori de mediu”, a declarat acesta.
Acest lucru este cu atât mai important cu cât se preconizează că producția globală de substanțe chimice se va dubla până în 2030, conform UE, care a publicat, în 2020, propria strategie privind substanțele chimice,. Această strategie are rolul de a reduce impactul pe care sectorul substanțelor chimice îl are asupra mediului și asupra sănătății, ca parte a obiectivelor UE de reducere a poluării la zero și a Pactului verde european.
Chimia organismului
Pe o cale similară de investigare, cercetători din Spania, Danemarca, Țările de Jos și Elveția explorează modul în care rețelele complexe de reacții chimice (CRN) create folosind cipuri microfluidice ar putea fi folosite pentru computing eficient din punct de vedere energetic.
Acest demers face parte dintr-o inițiativă de cercetare cu durata de patru ani, denumită CORENET, coordonată tot de de la Escosura, care a primit finanțare de la UE pentru a proiecta „calculatoare chimice” care pot rezolva sarcini de calcul din lumea reală și ar putea, în cele din urmă, să poată interacționa cu corpul uman, deși acest lucru este încă departe și dincolo de domeniul actual al CORENET.
Acest lucru nu este atât de ciudat pe cât ar putea părea. „Cel mai eficient computer din lume este de tip chimic și este reprezentat de creierul uman”, a declarat de la Escosura. De fapt, toate organele noastre, care monitorizează condițiile din corpul nostru și produc rezultatele corespunzătoare, sunt, practic, procesoare de informații.
Dr. Wilhelm Huck, profesor de chimie fizică organică la Institutul pentru Molecule și Materiale al Universității Radboud din Țările de Jos, a publicat recent o lucrare crucială care coroborează potențialul computerelor chimice. În ea, Huck, care face parte din echipa de cercetare CORENET, a demonstrat procesarea informațiilor într-o rețea de reacții care seamănă cu cele din metabolismul celular.
„Sistemele biologice fac tot ceea ce fac – funcțiile, procesarea informațiilor, totul – cu ajutorul moleculelor”, a spus de la Escosura.
Un potențial avantaj al computerelor chimice este că acestea ar putea produce informații sub formă de substanțe chimice care pot interacționa direct cu sistemele vii și pot răspunde la informațiile primite de la acestea. Acest lucru ar putea fi utilizat pentru a produce dispozitive medicale portabile care pot imita semnalele biochimice naturale.
Comunicare fără întreruperi
Majoritatea dispozitivelor medicale portabile sunt încă destul de simple. De exemplu, pompele de insulină furnizează o doză normală de insulină la intervale periodice, de-a lungul zilei, pentru a ajuta la controlul concentrației de glucoză din sânge la persoanele cu diabet.
Unele dispozitive mai avansate, aflate în curs de dezvoltare, pot reacționa direct la concentrația de glucoză din sânge, pentru a furniza insulină atunci când este necesar și pot fi capabile chiar să ofere un anumit control al dozei.
Un computer chimic portabil capabil să măsoare compușii chimici din sânge și, printr-o serie de reacții, să producă diferite substanțe chimice ca răspuns ar fi cu adevărat revoluționar.
„Acest tip de calcul cu sisteme chimice ne poate ajuta să reproducem mai bine complexitatea pe care o găsim în organismele biologice”, a spus de la Escosura.
Deși astfel de dispozitive sunt încă departe, cercetătorii de la CORENET cred că acestea ar putea oferi într-o zi un tratament personalizat pentru diverse afecțiuni, prin sinteza moleculelor medicamentoase, declanșată de semnale din partea organismului. Acestea ar putea fi utilizate chiar și pentru a crea interfețe avansate creier-mașină - o viziune care trece dincolo de CORENET.
Pentru Katja-Sophia Csizi, cercetător postdoctoral la IBM Research din Zurich, Elveția, activitatea desfășurată în cadrul CORENET este extrem de inovatoare, deoarece abordează chimia dintr-o perspectivă complet diferită. Activitatea lui Csizi în cadrul echipei se concentrează pe modul de utilizare a CRN în aplicații de calcul chimic.
„Este mai ușor și mult mai eficient să atingi un obiectiv ambițios dacă îl abordezi din perspective diferite”, a spus ea.
Articol scris de Michael Allen
Cercetările menționate în acest articol au fost finanțate prin programul Orizont al UE, inclusiv, în cazul CORENET, prin Consiliul European pentru Inovare (CEI). Opiniile persoanelor intervievate nu reflectă neapărat opiniile Comisiei Europene.
Mai multe informații
- CLASSY
- CORENET
- Programe UE de cercetare și inovare în domeniul substanțelor chimice și al materialelor avansate
Acest articol a fost publicat inițial în Horizon, revista de cercetare și inovare a UE.