Porowate ciecze

Podobno najtrudniej ulepszyć coś, co świetnie działa i jest w powszechnym użyciu. Im coś jest prostszego, tym trudniej nam wpaść na to, jak dałoby się to poprawić. Od kilkunastu lat naukowcy pracują nad nowymi filtrami. Tym razem próbują zrobić je z cieczy.

Filtr z cieczy

Filtrów używamy na każdym kroku. Potrzebne są zarówno podczas dość skomplikowanych procedur laboratoryjnych, jak i do zwyczajnego parzenia kawy. W laboratoriach naukowych dzięki nim oddzielamy pływające w molekularnej zupie bakterie od interesujących nas cząsteczek, które chcemy badać. Używamy do tego specjalnego sączka zbudowanego z materiału o bardzo małych, nieprzepuszczających mikroorganizmów porach. Z kolei podczas filtrowania kawy podobną funkcję spełniają sączki z bibuły – również porowate. Zatrzymują one nie tylko fusy, ale także kwasy tłuszczowe, dzięki czemu kawa jest mniej tłusta. Nieważne, czy w kuchni, czy w laboratorium – zasada filtrowania jest ta sama i polega właśnie na zatrzymaniu tego, co nie może przejść przez niewielkie pory jakiegoś materiału, od tego, co swobodnie przez niego przepływa. Czy da się wymyślić coś prostszego? Czy można się dać czymś tutaj zaskoczyć? Jak widać – tak. Okazuje się, że filtr wcale nie musi być czymś stałym, jakimś przedmiotem czy urządzeniem. Może być cieczą.

Koncepcja porowatych cieczy znana jest od 2007 roku. Jej pomysłodawcą jest doktor Stuart James z Queen’s University w Belfaście. Naukowiec ze swoimi współpracownikami wymyślił substancje, które łączą w sobie zarówno cechy cieczy, jak i porowatych materiałów. Ta z pozoru abstrakcyjna koncepcja ma bardzo proste podstawy chemiczne. Cząsteczki, które wchodzą w skład substancji w stanie ciekłym, zajmują (w uproszczeniu) całą jej objętość. Należy zatem za pomocą odpowiednich metod zmusić je do tego, aby połączyły się ze sobą tak, by zostawiły między sobą puste przestrzenie. To one spełniają taką samą funkcję jak pory w filtrach laboratoryjnych albo bibułach, przez które przesączamy kawę. Stworzenie takiego materiału udało się w 2015 roku. Zwieńczeniem trzyletniego projektu badawczego było stworzenie porowatej cieczy, która zatrzymywała w wolnych przestrzeniach (filtrowała) molekuły gazu, a konkretnie dwutlenku węgla. Niestety, ten filtr, choć działał, miał istotne ograniczenia. Potrafił filtrować tylko małe cząsteczki.

Lepsza kawa?

Ale to był dopiero początek rozwoju nowej technologii. Kolejnym krokiem było osiągnięcie naukowców pracujących pod kierownictwem prof. Jonathana Nitschkego z Uniwersytetu w Cambridge. Na tym etapie w rozwoju nowego rodzaju filtrów udział brali między innymi badacze z Uniwersytetu Adama Mickiewicza w Poznaniu. W pracy opublikowanej przed kilkoma dniami w czasopiśmie „Nature Chemistry” opisano stworzenie ciekłego materiału, którego cząsteczki układają się w kształt czworościanu. Tym razem udało się przeskoczyć ograniczenia wcześniejszych filtrów, bo te nowe potrafiły uwięzić o wiele większe związki chemiczne.

Przeprowadzone przez naukowców badania pokazują, że w strukturze porowatej cieczy chętnie zatrzymują się niewielkie alkohole, a także pewne substancje gazowe. Testowano także, czy nowe filtry zatrzymają fluorochlorowęglowodory, czyli freony. Już w latach 90. ubiegłego stulecia zauważono, że są one szkodliwe dla atmosfery, są przyczyną tworzenia się dziury ozonowej. Obecnie wiele z nich jest wycofywanych z produkcji i użytku. Niemniej jednak dalej można je spotkać m.in w instalacjach chłodniczych. Zdarza się również, że produkowane są nielegalnie. Niespodziewany wzrost emisji trichlorofluorometanu odkryli naukowcy w 2018 roku, mimo że jego produkcja została zakazana w 1987 roku i była stopniowo wyciszana do 2010. Z testów wynika, że ciecze porowate dobrze nadają się do „wyłapywania” cząsteczek tego niebezpiecznego gazu z atmosfery.

We wspomnianej publikacji autorzy wyrażają nadzieję, że ich odkrycie doprowadzi do syntezy kolejnych wariantów porowatych cieczy. Te dzięki modyfikacji podanej metody mogą być zdolne do wyłapywania coraz to bardziej skomplikowanych molekuł. Jest to niezwykle istotna kwestia, ponieważ takie molekularne filtry mogłyby usprawnić wiele procesów, jak te związane z przeprowadzaniem reakcji chemicznych. Używane w nich katalizatory – cząsteczki napędzające reakcję – są często najdroższym składnikiem mieszaniny. Dlatego też naukowcy i pracujący w przemyśle inżynierowie starają się wykorzystywać je nie tylko w niewielkich ilościach, ale również w taki sposób, aby mogły być użyte powtórnie. Zastosowanie odpowiedniej porowatej cieczy, zdolnej do wyłapywania katalizatora, umożliwiłoby odzyskiwanie go z mieszaniny reakcyjnej. Nowe filtry mogłyby być też wykorzystywane w szeroko rozumianej ochronie środowiska, nie tylko wodnego, ale także powietrza czy gleby. Zastosowanie porowatych cieczy wydaje się nie tylko wygodnym, ale i tańszym rozwiązaniem. No i być może w przyszłości nauczymy się robić jeszcze lepszą kawę?•