Nye Kemiske Horisonter - kapitler

Nye Kemiske Horisonter - kapitler

Download kapitlerne ved at klikke på overskrifterne

1. Biobrændsel - et  varmt alternativ  

Jordens befolkning står over for en af sine allerstørste udfordringer nogensinde.
Hvordan skaffer vi energi til alle uden uacceptable påvirkninger af Klimaet?

 biobrændsel   

Det er tvingende nødvendigt at undersøge, hvordan vi allerede nu kan ændre på vores energiforbrug. Alternativet vil være, at vi om få årtier står i en situation, hvor udbuddet af energi er mindre end efterspørgslen, og hvor koncentrationen af CO2 i atmosfæren er blevet så stor, at det måske forårsager uoprettelige skader på det globale økosystem. I dette kapitel undersøger vi, hvordan brug af biobrændsel kan ændre vores energiforbrug i bæredygtig retning.       

Fra jordens skabelse for flere milliarder år siden til i dag har naturen konstant udviklet sig. Talrige nye arter er opstået med stadigt mere komplekse livsformer til følge. De første encellede organismer har ført til nutidens dyr, planter og mennesker via en yderst kompliceret proces, som er med at sikre overlevelsen i fremtiden.

 

Derved er naturen også en slags facitliste over, hvordan selv de mest utrolige biologiske, fysiske og kemiske fænomener kan foregå. Vi mennesker har også fået øjnene op for den enorme mængde af brugbar viden, som findes i naturen.Den gren af videnskaben har tilmed fået sit helt eget navn, nemlig biomimetics, eller ”bioefterligning”, altså simulering af naturen. Forskningsfeltet har ligeledes fundet vej til kemien, hvor den ikke mindst har vist sig særlig nyttig ved udviklingen af katalysatorer, der får kemiske reaktioner til at gå hurtigere.
I dette kapitel kommer vi rundt i enzymernes, immunsystemets og ikke mindst den mere grundlæggende kemis verden i et forsøg på at forklare, hvordan en kemisk reaktion kan forløbe hurtigere ved brug af naturens teknikker.

3. Ioniske væsker - fremtidens designeropløsningsmidler? 

Ioniske væsker er en gruppe af lavtsmeltende materialer, som adskiller sig markant fra alle andre væsker mht. til en række vigtige fysiske egenskaber. Ioniske væskers egenskaber som opløsningsmiddel kan ofte skræddersyes til et specifi kt formål ved et valg af de rigtige ioner. Derfor kan organiske opløsningsmidler i mange henseender erstattes med designede ioniske væsker, hvorved der kan opnås mere miljøvenlige og bæredygtige teknologier. 

 

I dette kapitel vises eksempler på nye kemiske anvendelser med ioniske væsker inden for så forskellige områder som materialekemi, katalyse, separationsteknologi og elektrokemi. Desuden vil følgende centrale spørgsmål blive besvaret:
Hvad er ioniske væsker, hvordan fremstilles de, hvad gør ioniske væsker flydende, og hvilke egenskaber gør væskerne interessante som opløsningsmidler? 

4. Molekylesier - De vises sten 

En molekylesi er ganske enkelt et materiale, der er i stand til at si molekyler.

Ligesom en almindelig si kan adskille objekter af varierende størrelse kan en molekylesi adskille små molekyler på basis af størrelsen. For at et materiale kan fungere som en molekylesi skal dets porer være i samme størrelsesorden som de små molekyler. Små molekyler med en diameter mindre end porerne kan derved komme ind i poresystemet, mens større molekyler må blive ude. 

Molekylsier spiller i dag en afgørende rolle i kemien. Ikke blot til at si molekyler, men også som faste syrer, vandsugende materialer, ionbyttere eller som katalysatorer. Alle disse anvendelser udspringer af molekylsiernes specielle struktur og kemi. 

  

MFI og MEL zeolitter hvor porernes arkitektur er illustreret med balloner
(Foto: Susanne Helmark)

5. Computerkemi - en opdagelsesrejse in silico

 

Når man forestiller sig, hvad en kemiker beskæftiger sig med, er det ofte noget med væsker, avanceret glasudstyr og nogle store apparater. Kemikeren har med garanti kittel og sikkerhedsbriller på. Med andre ord forbinder vi kemi med noget, der foregår i et laboratorium. Denne forestilling er dog kun en del af sandheden. Det er i dag svært at forestille sig, hvordan vores hverdag ville være, hvis ikke computeren var opfundet. Dette er måske i endnu højere grad gældende for en kemiker, hvor computeren spiller en stadigt voksende rolle i at optage, analysere og modellere kemiske reaktioner.
I takt med computerens stigende regnekraft er det i dag muligt, at rejse dybere ind i det kemiske univers, ved at bruge computeren, som et laboratorium.

6. Industriel organisk kemi

Det er de færreste, som tænker dybere over, hvordan den kemiske industri gør vores dagligdag nemmere. Tag f.eks. det lokale supermarked. Her er det svært at fi nde et område, hvor den kemiske industri ikke på den ene eller anden måde spiller ind. Lige fra plastikemballagen, der gør det let at håndtere varer hygiejnisk, konserveringsmidler, der sikrer frisk frugt og grønt om vinteren, til billigt tøj produceret af kunststoffer. For slet ikke at nævne den enorme fødevareproduktion, der får supermarkedets hylder og kølebokse til at bugne. Denne produktion er kun mulig pga. kemisk fremstillet gødning og pesticider. Næsten alle de ting vi forbinder med bekvemmeligheder i et forbrugssamfund har således sit udspring i den kemiske industri.

Forbrugssamfundet er dog meget resursekrævende, og hver eneste danske husholdning producerer eksempelvis over ét ton affald om året. Hertil skal lægges endnu mere affald fra de industrielle sektorer i samfundet. Der er således et konstant behov for at fremstille alle de produkter, som forbrugssamfundet er afhængig af, med et så lille resurseforbrug som muligt. Den kemiske industri beskæftiger sig med at bruge minimal energi til at omdanne billige råstoffer til værdifulde produkter.

  

Kapitlets forfattere

7. Naturens medicin - lægemidler via organisk kemi

Biologisk aktive stoffer har i tidens løb reddet millioner af menneskeliv. Mange af disse naturstoffer er imidlertid vanskelige at skaffe i tilstrækkelige mængder fra selve naturen. Dette kapitel gennemgår, hvordan man kemisk kan fremstille vigtige naturstoffer i så store mængder, at man kan udvikle lægemidler. Yderligere vises eksempler på brug af kemisk syntese til fremstilling af andre stoffer, der minder om naturstofferne, men som kan have en endnu bedre lægemiddelprofi l såsom større biologisk aktivitet, bedre evne til at optages i kroppen, eller er nemmere at fremstille syntetisk.  

8 . Solceller - Et strålende svar på den indlysende udfordring

 

Vores tids formodentlig største udfordring er det store og stærkt voksende energibehov. Det samlede ”forbrug” af energi for hele jordens befolkning blev i 2005 anslået til at være 14 TW. Dette ”forbrug” forventes at vokse til det dobbelte i år 2050! I dag dækkes vores energibehov langt overvejende ved afbrænding af fossile resurser, naturgas, olie og kul og i mindre grad ved atomkraft og brug af vedvarende energikilder. Dette scenarium kan naturligvis ikke fortsætte uændret i fremtiden, da vi allerede nu ser ud til at være ved at løbe tør for olie og naturgas og på længere sigt også vil løbe tør for kul. Som verdenssamfund er vi altså nødt til at blive bedre til at udnytte fornybare resurser til at dække vores energibehov. Her kommer solen ind i billedet, og der er store perspektiver i at udnytte dens enormt righoldige energi gennem solceller. Vi har allerede taget de første skridt mod at høste denne energi, men der er lang vej tilbage, før vi for alvor kan tale om at udnytte solen effektivt. Udfordringen er central, for en forbedret udnyttelse af solens energi kan på længere sigt vise sig at være den eneste mulige løsning på vores klodes voksende energiforbrug. 

9. Kan man filme en kemisk reaktion

 

Kemiske reaktioner beskrives normalt i et reaktionsskema indeholdende reaktanter og produkter forbundet med en reaktionspil. Dette kapitel beskriver, hvorledes man med teknikker udviklet over de seneste 20 år forsøger at få detaljeret indsigt i selve omdannelsen fra reaktanter til produkter, det vil sige, hvad der gemmer sig bag reaktionspilen i reaktionsskemaet. Ved hjælp af målinger foretaget med ultrakorte (femtosekund) pulser af laserlys eller røntgenstråling – og et teoretisk begrebsapparat baseret på kvantemekanikken – er det nu muligt at sammensætte ”film” af transformationen af stof på atomar skala.

Det kræver et højt niveau af abstraktion at forstå processer på atomar skala, da vores sanser slet ikke kan følge med. Atomer er som bekendt meget små og, som vi skal se, så forløber de begivenheder, man forsøger at beskrive nærmest ufatteligt hurtigt. De omtalte målinger kan derfor ikke give et direkte billede af, hvad der foregår, og sammen-sætningen af en ”film” kræver derfor en god forståelse af den teori, der beskriver stof på atomart niveau således, at de eksperimentelle observationer kan omsættes til billeder af atomer og molekyler.
Øget indsigt i hvorledes kemiske reaktioner finder sted på atomar skala vil fremtiden gøre det muligt i større grad at kontrollere udfaldet af disse, således at nye produkter kan dannes med høj selektivitet.  

10. Ledende Polymerer som kunstige muskler

Traditionelle polymerer, for eksempel polyethylen, er typisk elektrisk isolerende og anvendes blandt andet som isolatorer i kabler. Det var derfor en stor overraskelse, og et gennembrud i materialeforskningen, da en ny stofgruppe blev opdaget: Elektrisk ledende polymerer. Et nye forskningsfelt ”syntetiske metaller” blev skabt, og området er i kraftig vækst. Det åbnede for visioner om en lang række nye typer materialer og produkter – med revolutionerende elektriske, optiske eller mekaniske egenskaber. Ved anvendelsen som kunstige muskler udnyttes, at polymerens egenskaber ikke er konstante, men kan varieres og kontrolleres inden for visse grænser ved hjælp af en elektrisk spænding på få volt. I polymermaterialet omsættes herved elektrisk energi til først kemisk energi og derefter til mekanisk energi. Polymeren kan altså udføre arbejde som en kunstig muskel og fungerer derved som en aktuator. Sådanne aktuatorer kan for eksempel tænkes anvendt i fingerfærdige robotter.

Rustfri stålelektrode (1.1 cm bred) med en
10 mikrometer polypyrrol aktuatorfilm efter syntese...