Rotierende Reaktoren - selbstorganisierende chemische Fabriken

Dank der Zentrifugalkraft und der Verwendung von Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte können selbstorganisierende chemische Fabriken entwickelt werden. Die von Polen vorgeschlagene Idee für Spinnreaktoren ist nicht nur clever, sondern auch schön. Die Forschung wurde auf dem Titelblatt des prestigeträchtigen Magazins "Nature" platziert.

Das polnisch-koreanische Team zeigte, wie man eine ganze Reihe komplexer chemischer Reaktionen gleichzeitig durchführen kann - ohne auf komplizierte Anlagensysteme zurückzugreifen,... Zentrifugalkraft. Der Erstautor der Publikation ist Dr. Olgierd Cybulski, der am Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) in Südkorea arbeitet.

Ein rotierender chemischer Reaktor

- Wir zeigen, wie man selbstorganisierende chemische Fabriken vorbereitet - beschreibt der Korrespondenzautor der Publikation, Prof. Bartosz Grzybowski (auch UNIST und das Institut für Organische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften). Er fügt hinzu, dass er bereits eine Idee hat, wie man einen solchen chemischen Spinnreaktor... zur Rückgewinnung von Lithium aus Flüssigkeiten in Batterien.

Die Tatsache, dass Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte unvermischte Schichten bilden können, lässt sich sogar während des Mittagessens - beim Anstarren von Brühen - beobachten. Suppenfett schwimmt obenauf, weil es weniger dicht ist als der wässrige Teil der Suppe.

Zu Hause kann eine komplexere Erfahrung gemacht werden: Viele Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte werden langsam nacheinander in ein einziges Gefäß gegossen. Sie können mit dem dichtesten Honig beginnen, über Ahornsirup, Spülmittel, Wasser, Pflanzenöl bis hin zum seltensten Kerosin. Wenn dies langsam genug geschieht, sieht man in dieser (ungenießbaren) so genannten Dichtesäule Schichten verschiedener Farben voneinander getrennt und nicht vermischt.
Wenn nun aber eine solche Dichtesäule beginnt, sich sehr, sehr schnell zu drehen - das Gefäß um eine senkrechte Achse zu drehen (wie auf einer Töpferscheibe, aber viel schneller - z.B. 2,6 Tausend Umdrehungen pro Minute), so stellt sich heraus, dass die nachfolgenden Schichten konzentrische Ringe bilden. Die leichtesten Flüssigkeiten haben einen kleineren Durchmesser und werden am dichtesten in der Mitte der Zentrifuge platziert, während die dichtesten in großen Ringen näher am Rand der Zentrifuge platziert werden. Die Zentrifugation ist hier ein wichtiger Faktor, da die Zentrifugalkraft beginnt, die Oberflächenspannung der Flüssigkeit zu dominieren. Sehr dünne Flüssigkeitsschichten - bis zu 0,15 mm oder noch dünner - können ohne das Risiko einer Vermischung erzielt werden. Wenn die Dichte der Flüssigkeit richtig gewählt wird, haben Wissenschaftler gezeigt, dass in einer Zentrifuge, die um eine gemeinsame Achse rotiert, bis zu 20 Farbringe erhalten werden können.

Bild Quelle: Cover Nature: Artikel Volume 586 Issue 7827, 1 October 2020

Selbstorganisierende Fabriken

Die sich drehende Säule der Dichte ist an sich schon ein äußerst ästhetisches physikalisches Experiment. Prof. Bartosz Grzybowski und sein Team haben jedoch gezeigt, wie sehr Chemiker davon Gebrauch machen können. Rotierende Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte können so hergestellt werden, dass jede von ihnen ein anderes Reagenz enthält, das für die chemische Reaktion benötigt wird.

Nehmen wir an, dass eine chemische Verbindung genau in die Mitte der Zentrifuge gegossen wird. Es breitet sich durch die Zentrifuge aus und beginnt seine Diffusion beim Kontakt mit der seltensten, innersten Schicht. Aber dort findet die chemische Reaktion statt und es bildet sich eine neue Chemikalie. Er startet auch die Diffusion und erreicht die nächste, dichtere Schicht, wo die nächste chemische Reaktion stattfindet. Es entsteht ein weiteres Produkt. Und so weiter, bis wir das Endprodukt aus dem Ausgangsprodukt erreichen.