Top 10 van opkomende technologieën in de chemie

Terwijl hardcore chemici in 2019 de 150-ste verjaardag vierden van de publicatie van het periodiek systeem der elementen door ene Dmitri Mendelejev, maakte IUPAC – de organisatie die de befaamde tabel vandaag beheert – een lijstje van tien innovaties in zowel producten als processen waarvan men verwacht dat ze in de komende jaren een stempel op de sector zullen drukken.

De International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) vierde in 2019 zelf ook een jubileum want de toonaangevende organisatie die standaarden en nomenclatuur in de chemie beheert, werd precies honderd jaar geleden opgericht.

Het was omwille van deze verjaardag dat IUPAC “The Top Ten Emerging Technologies in Chemistry” opstelde.

De organisatie wil deze oefening vanaf nu elk jaar herhalen om zo een vinger aan de pols te houden van “what’s hot and what’s not”. Dat is op zich wat merkwaardig want het gaat hier niet bepaald om trends die op een twee drie gerealiseerd zullen worden.

De huidige ranglijst dateert wel al van april maar het leek ons toch een leuk idee om er vooralsnog aandacht aan te besteden. Al was het maar omdat zo’n lijstje perfect past in de aanzwellende eindejaarsblues.

Nanopesticides

Het ontwikkelen van nanopesticides wordt beschouwd als een mogelijke oplossing om de intensieve landbouw, die nodig blijft in het kader van de globale bevolkingsaangroei, duurzamer te maken. De technologie komt neer op het ontwikkelen van nanocapsules die pesticides bevatten waarbij de carriers tot doel hebben om de bestrijding selectiever en/of doeltreffender te maken. Daardoor zou de impact van pesticides op het milieu beperkt kunnen worden en zouden ook fenomenen als resistentie tegengegaan kunnen worden.

Een aantal bedrijven heeft zich intussen toegelegd op deze technologie, maar het ziet er naar uit dat meer onderzoek nodig is om de mechanismen van nanopesticides ten volle te begrijpen en te beheersen. Ook de mogelijke toxiciteit en andere mogelijke neveneffecten van de capsules zelf moeten nog verder onderzocht worden.

Enantio-selectieve organokatalyse

Organokatalyse is het domein waarbij in de natuur stoffen gezocht worden die als katalysator kunnen dienen, als alternatief voor klassieke katalysatoren die vaak duur en soms ook erg milieubelastend zijn. De natuur kent zelf ook heel wat katalysereacties, bijvoorbeeld die waarin enzymes een rol spelen.

Enantiomeren is een term die in de chemie gebruikt wordt voor isomeren die elkaars spiegelbeeld zijn – een beetje zoals de linker- en rechterhand.

Organokatalyse is een veelbelovende technologie, maar stuit ook op kritiek omdat er vaak grote hoeveelheden van het spul nodig zijn voor het uitvoeren van reacties op industriële schaal. In heel wat gevallen kan de katalysator ook niet gerecupereerd worden, wat nochtans bijna letterlijk een eigenschap van een katalysator zou moeten zijn.

Een van de oplossingen hiervoor is het ontwikkelen van nieuwe materialen waarin de biologische katalysatoren gebonden worden op een chemisch substraat.

Solid-state batterijen

Batterijen zijn niet meer weg te denken uit ons dagelijkse leven en zouden ook in mobiliteit en grootschalige energieopslag een belangrijkere rol kunnen gaan spelen. In dat verband wordt veel verwacht van solid-state batterijen die performanter en veiliger zijn dan lithium-ion batterijen. Het vloeibare elektrolyt wordt er vervangen door bijvoorbeeld geleidende polymeren – een technologie die vandaag al wel mogelijk is maar nog heel erg duur is. Momenteel wordt nog volop onderzoek gedaan naar de chemische en fysische processen in dergelijke batterijen. Een beter begrip wou het dan mogelijk moeten maken om in de toekomst goedkopere varianten te ontwikkelen.

Flow chemie

Met flow chemie of stroomchemie bedoelt men het realiseren van continue processen voor reacties die traditioneel in batch processen uitgevoerd worden. Heel concreet worden reagentia in de gewenste verhoudingen verpompt doorheen een stel van leidingen om de reactie tot stand te brengen. Op die manier wil men tot processen komen die efficiënter en beter beheersbaar zijn, waardoor ze ook minder energie vergen en een lagere impact hebben op het milieu.

Stroomchemie wordt vaak samen genoemd met procesintensificatie. De meeste projecten zijn op relatief kleine schaal en dan zijn de voordelen van stroomchemie ook het meest uitgesproken. Een van de doelstellingen van onderzoek naar stroomchemie is om het principe op industriële schaal te realiseren.

Reactieve extrusie

Een specifieke variant van stroomchemie is reactieve extrusie voor de aanmaak van polymeren en andere chemische stoffen. Het gebruik van een extruder als reactor voor polymerisatieprocessen heeft als voordeel dat men geen solventen nodig heeft om de verandering in viscositeit tijdens de reactie op te vangen. Het grote voordeel is dan uiteraard dat die solventen nadien ook niet verwijderd moeten worden. Naast polymerisatie zouden nog tal van andere processen waarbij solventen gebruikt worden mogelijk zijn in reactieve extrusie. Zoals bij de meeste innovaties in procesindustrie zit de uitdaging ook hier in het opschalen van het procedé.

Metaal-organische kaders

Metal-Organic Frameworks (MOF) zijn specifieke coördinatiepolymeren waarmee een repetitieve 3D structuur gemaakt kan worden. Door de precies gedefinieerde holtes in deze structuur – eigen aan de keuze van bepaalde polymeren – gedraagt het materiaal zich als een selectieve, moleculaire spons. Het materiaal wordt bijvoorbeeld gebruikt om lucht te zuiveren en het wordt ook gezien als een mogelijke oplossing om CO2 uit de lucht te halen.

Op een gelijkaardige manier zijn MOF’s ook in staat zijn om water uit de atmosfeer te vangen. Dat zou een mogelijke oplossing kunnen zijn voor het winnen van zuiver water in droge woestijngebieden. Zowel voor het capteren van CO2 uit de atmosfeer als voor het winnen van water zijn al pilootprojecten opgezet.

Geforceerde evolutie van selectieve enzymes

Geforceerde evolutie van enzymes komt er min of meer op neer dat men de natuurlijke evolutie een handje wil helpen door duizenden varianten te testen en met de meest actieve soorten verder te werken. De enzymes die daarbij gebruikt worden kunnen overigens wel het resultaat zijn van genetische manipulatie. Enzymes worden gebruikt in een hele reeks productieprocessen, van biobrandstoffen tot farmaceutische producten.

Plastics omzetten in monomeren

Kunststoffen na gebruik terug omzetten in monomeren levert niet alleen een oplossing voor het afvalprobleem maar creëert ook verse grondstoffen. Biodegradeerbare plastics scoren op dit vlak uiteraard goed, maar ook kunststoffen als PET kunnen via chemische processen of met behulp van bacteriën terug ontbonden worden in hun basisbouwstenen.

Het probleem is echter dat deze processen te duur zijn voor de economische realiteit van de wereld van wegwerpplatics. Een mogelijke oplossing zou zich op termijn vanzelf kunnen aandienen wanneer olie schaarser wordt en het terugwinnen van grondstoffen dus economisch meer zin heeft. Ondertussen wordt ook gezocht naar goedkopere methodes om plastics weer om te zetten in hun monomeren.

Omkeerbare deactivatie van radicale polymerisatie

Omkeerbare deactivatie van radicale polymerisatie gaat over het bedwingen van kettingreacties bij de productie van kunststoffen teneinde precies bepaalde materiaaleigenschappen te bekomen. Nieuwe evoluties gaan over het zoeken naar alternatieven voor het gebruik van milieubelastende reagentia zoals metalen. Er wordt ook onderzocht in hoeverre de eerder aangehaalde flow chemie ingezet kan worden in deze processen.

Het creëren van plastics in waterige media, als alternatief voor het gebruik van solventen, kadert ook in dit onderzoeksdomein.

3D bioprinting

Via het 3D printen met levende cellen slagen wetenschappers er in om weefsels en organen te creëren die nauwelijks nog verschillen van de natuurlijke versies. Dat biedt tal van mogelijkheden voor de behandeling van patiënten maar ook voor het testen van nieuwe medicijnen. Op termijn zou het zelfs mogelijk moeten zijn om artificiële organen te transplanteren, al speelt dan ook het moeilijk domein van cel-celherkenning om te vermijden dat het lichaam de vreemde stoffen afstoot. Daardoor is 3D bioprinting meer een kwestie van chemie dan het is van 3D printen.

© Productivity.be, 09/12/2019, Foto: Pinterest