Nieuwe multifunctionele materialen: CO2 gebruik en uitzending van licht.

De chemische industrie wordt algemeen gezien als de oorzaak van veel vervuiling en gezondheidsproblemen. Maar kan de chemische industrie dit ook oplossen? Is het mogelijk om nieuwe hightech materialen te maken die iets kunnen doen aan onze continu stijgende CO2-uitstoot? Materialen die kunnen helpen in kankerbehandeling en andere medische toepassingen?

PMOs

Periodic Mesoporous Silicas of PMOs zijn zo een klasse van hoogtechnologische materialen. Ze zijn het makkelijkst in te beelden door je een honingraat voor te stellen, maar dan op moleculaire schaal (ruw weg is alles 1.000.000 x kleiner). Dit wil zeggen dat deze materialen vol zitten met kleine poriën, die op hun beurt resulteren in extreem hoge oppervlaktes (vergelijkbaar met het oppervlak van enkele voetbalvelden per gram materiaal). Door hun moleculaire opbouw zijn deze materialen ook erg stabiel en kunnen ze makkelijk aangepast en geoptimaliseerd worden naar verschillende technologische toepassingen. Verder brengt de porositeit een hoge chemische activiteit met zich mee.

Wij hebben volgens één gemeenschappelijke route verschillende chemische groepen op deze PMOs bevestigd, een complexe en een kleinere. Door dan in een laatste stap het juiste metaal toe te voegen kunnen volledig verschillende toepassingen bereikt worden. Zo bleken onze materialen uitstekend geschikt voor de omzetting van CO2 naar cyclische carbonaten, wat dan weer onder andere gebruikt kan worden als grondstof voor de kunststofindustrie. Verder konden we onze materialen verschillende kleuren licht laten uitzenden, bruikbaar in verlichting maar ook in biomedische toepassingen als bv ‘Photo Dynamic Therapy’ in kankerbehandeling.

Figuur 1: de honingraatstructuur van het pure PMO materiaal (boven) en de chemische structuur

van de 2 resulterende materialen na chemische modificatie (Porph@PMO en Pic@PMO, onder)

CO2 gebruik

Een van de grootste hedendaagse problemen is de continue uitstoot van CO2 en de daarmee gepaard gaande klimaatverandering. Zonder snelle oplossing kan steeds extremer weer verwacht worden, met onder andere lange hittegolven zoals de zomer van 2018 en grote overstromingen. Meerdere oplossingen worden momenteel onderzocht, maar één van de meest aantrekkelijke is het gebruik van CO2 als grondstof voor nieuwe materialen. Immers, CO2 is niet giftig, goedkoop te verkrijgen en praktisch onuitputtelijk.

Daarom hebben we, door onze PMOs te koppelen met Co2+ (Cobalt kationen), actieve heterogene katalysatoren voor dit doel bereid. Dit wil zeggen dat ons materiaal toegevoegd wordt aan een reactiemengsel waar CO2 omgezet wordt naar het gewenste product, deze reactie versnelt en erna gewoon weer af gefiltreerd en hergebruikt kan worden. Gemikt werd op de reactie van CO2 naar cyclische carbonaten, een reactie waarbij elk beginproduct opgebruikt wordt en dus geen bijkomend chemisch afval geproduceerd wordt. Echter, zonder toevoeging van een katalysator (zoals ons materiaal) wordt er praktisch geen eindproduct geproduceerd. Een eerste fase aan tests op kleine schaal wezen uit dat onze ontwikkelde materialen inderdaad actief zijn voor deze reactie, met omzettingen van startmateriaal tot eindproduct tussen de 80 en 90%. Het bleek ook dat na meerdere keren hergebruiken deze activiteit gelijk bleef, waardoor het materiaal in theorie oneindig bruikbaar blijft.

Figuur 2: De omzetting van CO2 naar een cyclisch carbonaat. Geen enkel afvalproduct ontstaat,

ons ontwikkeld materiaal is nodig om de reactie te laten doorgaan maar wordt zelf niet verbruikt.

Uitzending van licht

Lanthaniden zijn een groep van chemische elementen, bekend om de interessante luminescente eigenschappen van hun 3+ kationen. Elk van de 14 lanthaniden geeft op een karakteristieke manier licht, sommigen zichtbaar, anderen in het infrarood spectrum. Hierdoor kunnen deze niet enkel als lichtbron maar ook in de biomedische wereld of als omgevingssensor gebruikt worden. Door verschillende van deze lanthaniden te combineren met onze PMOs konden we deze verschillende toepassingen gaan verkennen.

Het eerste van onze twee ontwikkelde materialen (Pic@PMO), gaf uitstekende resultaten voor uitzending van zichtbaar licht. Door combinatie van verschillende lanthaniden kon respectievelijk groen, geel en rood licht bekomen worden. Ook werd gevonden dat de kleur van het licht onder andere lichtjes varieert met de omgevingstemperatuur. Dit opent perspectief voor toepassing van deze materialen als gevoelige temperatuursensor in het lichaam, om zo zieke weefsels op te sporen.

Porph@PMO, was dan weer ideaal in combinatie met een lanthanide dat licht geeft in de infrarode regio. Zo’n infrarode lichtuitzending is erg aantrekkelijk voor onder andere kankerbehandeling met ‘Photo Dynamic Therapy’, waar de kankercellen worden afgebroken door plaatselijke uitzending van infrarood licht (en daarmee gepaard gaande warmte). Uniek aan dit materiaal was dat het makkelijk geactiveerd kan worden door licht in de rode regio, een zeer aantrekkelijke eigenschap (aangezien rood licht erg diep in het lichaam kan worden opgenomen en dus diepere tumoren kan bereiken), die in weinig materialen te vinden is.

Figuur 3: Verschillende toepassingen in uitzending van licht. Links, de verschillende kleuren zichtbaar

licht die getest en bereikt werden (groen, geel en rood), rechts een schematisch voorbeeld van de

werking van Photo Dynamic Therapy met het ontwikkeld materiaal als 'the chemical'

Conclusie

Door een simpele chemische modificatie van PMO-materialen konden verschillende groepen vastgezet worden aan deze PMOs. Als eerste test hebben wij dit met twee chemische liganden gedaan, maar op dezelfde manier kunnen een hele waaier aan gelijkaardige groepen gekoppeld worden. Door dan een geschikt metaal te koppelen aan deze nieuwe materialen kunnen compleet verschillende en aantrekkelijke toepassingen bekomen worden. In dit onderzoek werd de focus gelegd op katalyse (en CO2 gebruik) door middel van de additie van Co2+ en luminescentie in combinatie met lanthaniden, maar met een kleine aanpassing in de laatste stap zou bijvoorbeeld adsorptie en opslag van gassen een even haalbare toepassing zijn. Of misschien kunnen de behaalde resultaten in de geteste toepassingen nog verbeterd worden door een kleine verandering in de gekoppelde groepen.

Met andere woorden, ja de chemische industrie is misschien wel onze beste hoop op het oplossen van deze wereldproblemen. Er is momenteel heel veel onderzoek gaande naar verschillende hightech materialen, waarvan velen zeer goed presteren in verschillende aantrekkelijke toepassingen. Met een beetje geduld, de juiste investeringen en een hoop goede wil kan de chemie gebruikt worden om fantastische dingen te verwezenlijken!