Jeg ønsket å gjøre en forskjell og for 25 år siden omfavnet jeg konseptet grønn kjemi fullstendig. Ideen sier: “La oss starte på nytt og gjøre kjemi ‘godartet av design’.”
Som kjemikere kan vi ikke bare fortsette å gjøre mer av det samme uten hensyn til miljøet. Nok er nok. Og jeg tror samfunnet endelig får det. Til tross for hva noen politikere prøvde å fortelle oss selv for noen år siden, er klimaendringene reelle, de er målbare. Vi har skogbranner og flom. Og vi har plast i miljøet og i havene.
I kjemi har det gått fra å være nesten som en moralsk forpliktelse å gå den grønne veien til et spørsmål om tid før det er en juridisk forpliktelse.
Som kjemikere kan vi ikke bare fortsette å gjøre mer av det samme uten hensyn til miljøet.
De 12 prinsippene for grønn kjemi, lagt ut av Paul Anastas og John Warner, sier at du ikke bare justerer en prosess for å gjøre den renere, fordi du bare kommer så langt – du kommer fortsatt til å generere avfall hvis du bruker de samme giftige reagensene i prosessen. . Grønn kjemi er ikke en plastertilnærming. Det er å sørge for at vi ikke skaper noe som har en negativ innvirkning på miljøet, og som er bærekraftig. Da det først ble foreslått, var det et paradigmeskifte, og som president for Royal Australian Chemical Institute hjalp jeg med å få mange mennesker med. Det førte til slutt til å sikre Australian Research Council Center of Excellence in Green Chemistry.
Globalt er det nå en stor bevegelse. I disse dager, hvis du driver med noen form for kjemi og søker til et finansieringsbyrå, og du ikke gjør det ta ombord prinsippene for grønn kjemi, er det svært usannsynlig at du vil få den finansieringen.
Tidlig i min forskning innen grønn kjemi var jeg interessert i å bruke disse grønne konseptene i kontinuerlig flytbehandling. Det er enkelt: Hvis du forsker og passerer litt væske gjennom en reaktor og den renner gjennom og renner ut, så kan du gjøre all grunnleggende vitenskap, og gjett hva? I motsetning til batchbehandling, har den skalerbarhet allerede tatt med fra begynnelsen, slik at den samme forskningsenheten kan være prosesseringsenheten din. På denne måten kan du fremskynde produksjonen, og potensielt omgå pilotstadiene som du vanligvis må gjøre for konvensjonell batchbehandling.
Du justerer ikke bare en prosess for å gjøre den renere, for du kommer bare så langt.
Jeg tenkte på å prøve å lage nanomaterialer under kontinuerlig flyt, og jeg ønsket å gjøre det ved å bruke ren mekanisk energi i stedet for å tilsette noen form for hjelpekjemikalier. Og det førte til slutt til utformingen av vortex fluid anordning – VFD. Dette er enheten som vant meg og mine kolleger Ig Nobelprisen i 2015.
Å forstå hvordan væsker flyter har vært et av vitenskapens store uløste spørsmål. Nå, ved å forstå hvordan væsker strømmer i vår virvelfluidiske enhet, ganske enkelt ved å bruke mekanisk energi, tar vi et stort skritt fremover. Søknadspotensialet er enormt.
Vi publiserte nylig en artikkel i Kjemisk vitenskap viser hvordan ublandbare væsker oppfører seg ved svært små dimensjoner. Ikke-blandbare væsker er de du vanligvis ikke tenker på å blande – som olje og vann. Men vi viste hvordan VFD kan blande ublandbare væsker ned til nanometerdimensjoner. Det tok over 100 000 eksperimenter å finne ut av det, men konsekvensene er enorme. Vi lager emulsjoner med implikasjoner for alt fra medikamentlevering til salatdressinger.
Å forstå hvordan væsker flyter har vært et av vitenskapens store uløste spørsmål.
Vi publiserte nylig om dette i Natur: Science of Food. Vi legger nanopartikler av fiskeolje i eplejuice. Hvis du bruker en homogenisator, kan alle smake og lukte på fiskeoljen. Men hvis du lager den i nanometerskala i VFD, kan ikke barna se forskjellen mellom å drikke eplejuice og å drikke eplejuice med all den gode Omega 3 i den.
Så, hva er VFD? Det er i utgangspunktet et roterende reagensrør med en liten leppe på toppen, og du vipper det av aksen i 45 grader. Du har væske der inne, og så introduserer du spinnende mekanisk energi i den væsken. Nå har du den maksimale kryssfaktortyngdekraften som presser ned, og du har sentrifugalkraft som holder væsken mot røret.
Enheten er bare 20 mm i diameter og omtrent 20 cm lang, men du kan bygge større enheter for høyvolumsbehandling. Det er alt det er. Du kan ha jet feeds som leverer reagensvæsker til innsiden av røret. Og mens de virvler opp og kommer ut av røret, gjennomgår de alle disse endringene. Dette er din kontinuerlige flytprosess.
Med denne enheten får du dannelsen av Faraday-bølger i væsken, og du får Coriolis-krefter fra bunnen av røret. Og all denne mekaniske energien overføres ned til mindre enn én mikron i dimensjonsregimer. Å vite dette er nøkkelen til alle disse andre fantastiske applikasjonene.
Med VFD kan vi delvis koke opp et egg, noe vi gjør ved å refolde proteiner.
Med VFD kan vi delvis koke opp et egg, noe vi gjør ved å refolde proteiner. Proteinfolding er en stor avtale for den farmasøytiske industrien. Vi har også vært i stand til å fremskynde en rekke enzymatiske reaksjoner, noe som er en annen stor sak.
Det er nettopp kommet ut et papir som viser hvordan vi kan lage grafenoksid. Det er mange bruksområder for grafenoksid, men måten de tradisjonelt lager det på, bruker konsentrert svovelsyre og giftige metaller. Vi har utviklet en prosess ved å bruke vår VFD med nesten null avfall. Alt du trenger er vandig hydrogenperoksid og grafitt. Vi kaller det GGO – grønt grafenoksid. Det er varemerkebeskyttet.
Vi har også publisert arbeid med å bruke VFD til å trekke ut DNA fra utdødde arter som har blitt bevart i formalin. Noen av disse artene er over 150 år gamle.
En test som tok fire timer kommer ned til fire minutter i VFD.
Vi bruker VFD for å forsterke deteksjonen av biomarkører. I utgangspunktet var det fokusert på COVID-19 – en test som tok fire timer kommer ned til fire minutter i VFD. I fremtiden er det noen gode anvendelser av VFD i vinbehandling fordi du ikke tilsetter kjemikalier. Ved visse prosessparametere kan vi kutte karbon-nanorør ned til spesifikke lengder for applikasjoner i enheter. Det er også veldig stort.
Fordi vi nå forstår væskestrømmen i enheten, akselererer den flere og flere applikasjoner. Selv om vi har publisert over 100 artikler om søknader fra VFD, har vi fortsatt ikke kommet til slutten av begynnelsen.
Interessen min for kjemi “eksploderte” i år 12 ved John Curtin High School i Perth i 1967. Kjemilæreren min fikk meg til å svelge. Han var veldig ung, en Mr Stockdale. Han hadde undervist i landet, men han kom til Curtin – og han hadde alt sammen.
Hvis du helt forstår kjemien din, forstår du omgivelsene dine.
Skolen vår overså Fremantle Harbour, og på den tiden sprengte de etter en dypvannskanal. Vi så ut av klasseromsvinduet og så med jevne mellomrom disse massive vannstråene som gikk opp etter disse eksplosjonene. Og han ville si: “Å, jeg kan gjøre det bedre enn det.”
Han hadde da satt opp eksperimenter som var veldig spennende. Men etterpå satte vi oss ned og gikk gjennom all kjemien for å forklare det. Det var da jeg innså at hvis du helt forstår kjemien din, forstår du omgivelsene dine. Jeg har ikke sett meg tilbake.
Som fortalt til Graem Sims for Cosmos Weekly.
Som ukebladet? Du vil elske COSMOS kvartalsmagasin.
Den største nyheten, i detalj, kvartalsvis. Kjøp et abonnement i dag.