Hóa học quanh ta
Videoclip Hóa học
Tra cứu Hóa học

Hoa_hocHóa học và công nghiệp hóa chất là những lĩnh vực hoạt động dựa trên khoa học, công nghệ và kiến thức. Hàng năm, các công ty hóa chất trên toàn thế giới đã đầu tư hàng trăm tỷ USD cho các hoạt động nghiên cứu triển khai và phát triển sản phẩm mới.

Trong năm 2015 vừa qua, các công ty hóa chất toàn cầu đã tiếp tục tập trung vào việc cải thiện, nâng cao hiệu quả sản xuất cũng như củng cố hoạt động nghiên cứu và triển khai nhằm đổi mới công nghệ và tạo ra những sản phẩm có tính đột phá.

Bước sang năm mới, chúng ta hãy cùng điểm lại một số sáng chế và phát minh nổi bật trong năm 2015 trong các lĩnh vực nghiên cứu liên quan đến hóa học.

Điện cực mềm dẻo cỡ micrômet

Trước đây, Cục Dược phẩm và Thực phẩm Mỹ (FDA) đã chấp thuận việc sử dụng các dụng cụ cấy ghép trong não, có khả năng tạo xung điện để điều trị các triệu chứng của bệnh Parkinson và các bệnh khác. Nhưng những dụng cụ như vậy có nhược điểm là không mềm dẻo như mô não, chúng cọ xát với mô não, gây ra các phản ứng miễn dịch có hại, làm thương tổn vùng não xung quanh điện cực và giảm hiệu quả trị liệu. Tháng 6/2015, các nhà khoa học Đại học Harvard (Mỹ) đã chế tạo điện cực dạng lưới, chỉ dày 0,8 mm và mềm dẻo gấp 1 triệu lần so với các điện cực đã biết trước đây. Họ tiêm điện cực này vào não chuột và 1 tháng sau vẫn không phát hiện thấy dấu hiệu của phản ứng miễn dịch. Các nhà nghiên cứu cũng công bố phương pháp sử dụng một loại mực dẫn điện để kết nối những điện cực này trong não với mục đích theo dõi, điều khiển các dụng cụ điện tử nằm bên ngoài não.

Viên nang đựng các tác nhân phản ứng nhạy cảm

Các nhà khoa học Viện công nghệ Massachusetts (Mỹ) đã tìm ra phương pháp đơn giản để chế tạo các viên nang bảo vệ bằng parafin với khả năng lưu giữ những liều lượng định trước của các hóa chất nhạy cảm với không khí và độ ẩm. Sau khi được nạp hóa chất, các viên nang này có thể được bảo quản ở bên ngoài và đưa vào bình phản ứng khi cần. Khi được đưa vào hỗn hợp phản ứng và được gia nhiệt, các viên nang sẽ giải phóng những hóa chất bên trong. Parafin không tham gia phản ứng và có thể được lọc bỏ. Nhóm nghiên cứu cho biết, trong một số trường hợp các viên nang có thể được bảo quản hơn 1 năm, thậm chí có thể được ngâm trong nước mà không mất tác dụng.

Men biến đổi gen để tổng hợp opioid

Năm 2015 đánh dấu một cột mốc quan trọng khi các nhà nghiên cứu tại Đại học Concordia và Đại học California (Mỹ) đã biến đổi gen một loại men để sản xuất codein từ hợp chất trung gian là (R)-reticulin. Tiếp theo, họ đã biến đổi gen của men này để chuyển hóa glucoza thành (S)-reticulin (tiền chất của (R)-reticulin). Đồng thời, các nhà nghiên cứu tại Đại học york (Mỹ) đã xác định enzym mà cây anh túc sử dụng để chuyển hóa (S)-reticulin thành (R)-reticulin. Sau đó, các nhà khoa học tại Đại học Stanford (Mỹ) công bố đã tổng hợp được opioid trong men và tìm thấy protein tổng hợp để chuyển hóa (S)-reticulin thành (R)-reticulin.

Như vậy, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy công đoạn cuối cùng của phương pháp tổng hợp hóa sinh để sản xuất morphin và các chất opioid khác từ glucoza.

Phát hiện này gây ra lo ngại về khả năng bị lạm dụng để sản xuất thuốc phiện. Nhưng các nhà nghiên cứu cho biết, sẽ còn phải có nhiều nghiên cứu được thực hiện trước khi quy trình sản xuất này có thể được áp dụng trên thực tế.

Máy lắp đặt phân tử theo yêu cầu

Năm 2015 đã chứng kiến sự ra đời của một loại thiết bị tổng hợp tự động kiểu mới mà bằng cách ấn nút có thể sản xuất nhiều loại dược phẩm, mẫu phân tử và các linh kiện điện tử dạng phân tử. Các nhà khoa học Đại học Illinois (Mỹ) đã phát triển một chiếc máy với bề ngoài kỳ cục, chiếc máy này sử dụng các phản ứng hóa học thông thường để lắp đặt các khối môđun thành phần thành các phân tử hữu cơ theo yêu cầu. Các nhà nghiên cứu cũng thành lập một công ty với mục đích cải tiến chiếc máy này và áp dụng nó để tìm kiếm các loại dược phẩm mới. Trước đây, nhiều nhà hóa học tổng hợp đã mơ ước có được một chiếc máy như vậy, vì nó tạo ra nhiều cơ hội trong việc xác định nhanh các phân tử chức năng nhỏ.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng chiếc máy nói trên để tổng hợp nhiều hợp chất khác nhau, như các phức chất đa vòng và các phức chất vòng lớn, thường có mặt trong tự nhiên.

Vai trò mới của xúc tác niken

Các phản ứng được xúc tác bằng kim loại chuyển tiếp là những phản ứng rất thành công và có ý nghĩa lớn trong tổng hợp hữu cơ. Từ trước đến nay, các xúc tác palađi vẫn đóng vai trò chi phối trong những phản ứng như vậy, nhưng các nhà hóa học mong muốn chuyển sang sử dụng các kim loại sẵn có và rẻ tiền hơn như sắt, niken,...

Năm 2015, niken tiếp tục tỏa sáng trong vai trò xúc tác khi các nhà hóa học sử dụng nó để thực hiện nhiều phản ứng tổng hợp hữu cơ khác nhau. Ví dụ, các nhà hóa học tại Đại học Dalhousie (Mỹ) lần đầu tiên đã sử dụng phản ứng arylat hóa amoniăc với xúc tác niken để điều chế amin. Các nhà hóa học tại Đại học California (Mỹ) đã phát triển xúc tác carben chứa niken, có khả năng tách và biến đổi các nhóm chức amin mà bình thường không có hoạt tính. Họ cũng phát hiện phương pháp liên kết xúc tác niken với các xúc tác khác để thực hiện các phản ứng mới. Trong khi đó, các nhà nghiên cứu tại Đại học Rochester (Mỹ) đã liên kết xúc tác bipyridin niken với xúc tác palađi phosphin, nhờ đó đã lần đầu tiên tổng hợp các hợp chất biaryl trực tiếp từ hai hợp chất aryl khác nhau có ái lực với điện tử.

Những kết quả nghiên cứu mới đây cho thấy, hiện đang có sự dịch chuyển rõ rệt từ các quá trình hóa học công nghiệp sử dụng xúc tác palađi sang các quá trình sử dụng những xúc tác không thuộc nhóm kim loại quý. Ngày nay, xúc tác niken đang có thêm những cơ hội sử dụng đặc biệt thuận lợi, ví dụ trong phản ứng arylat hóa amoniăc nói trên - phản ứng đã tạo điều kiện tổng hợp nhiều hợp chất amin aryl và dị aryl.

Những phát triển mới của công nghệ in 3 chiều

Tháng 3/2015, Công ty Carbon3D tại Redwood (Mỹ) đã công bố máy in 3 chiều có khả năng in các vật thể theo mô hình mẫu, ví dụ in tháp Eiffel nhỏ bằng chất dẻo, với “mực in” là nhựa lỏng. Máy in này có tốc độ in nhanh gấp 100 lần các máy in 3 D trước đây. ở các loại máy in 3 D cũ, các lớp vật liệu 2 chiều được xếp lần lượt lên nhau để tạo thành các vật thể 3 chiều, thời gian in có thể kéo dài nhiều giờ.

Khi mới ra đời, máy in của Công ty Carbon3D được báo chí nói đến như một hiện tượng khoa học viễn tưởng. Nhưng bản chất khoa học của nó chính là hóa học. Máy in này tạo ra một bề mặt để khởi phát phản ứng trùng hợp giữa các nguyên liệu nhựa. Bề mặt này không phải là một vật thể vật lý, đây là độ sâu mà ở đó có mặt oxy ở nồng độ chính xác và ánh sáng cực tím để làm cứng nhựa lỏng. Oxy và ánh sáng cực tím thâm nhập vào nhựa qua một cửa sổ bằng vật liệu teflon nằm dưới khối nguyên liệu nhựa. ánh sáng cực tím kiểm soát hình dạng của các chi tiết được in trong khi một bệ đỡ kéo các chi tiết đó lên phía trên. Nhìn tổng thể, quá trình này tạo điều kiện hóa cứng liên tục nhiều vật liệu khác nhau, từ các chất đàn hồi mềm dẻo đến các chất dẻo cứng.

Với những ưu điểm như trên, máy in 3D của Công ty Carbon3D có triển vọng sẽ làm thay đổi cơ bản các quá trình sản xuất công nghiệp.

Màng mỏng cỡ nguyên tử

Màng vật liệu với độ dày chỉ vài nguyên tử có khả năng sẽ khởi đầu cho một thế hệ mới các dụng cụ điện tử nhỏ hơn và nhanh hơn, cũng như các thiết bị lưu trữ năng lượng mạnh hơn. Năm 2015, các nhà nghiên cứu đã tiến một bước quan trọng theo hướng này bằng cách phát triển các phương pháp chế tạo những màng mỏng cỡ nguyên tử như vậy - được gọi là vật liệu 2 chiều.

Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Texas (Mỹ) và Hội đồng Nghiên cứu quốc gia italia đã chế tạo bóng bán dẫn với một lớp nguyên tử silic phục vụ như kênh di chuyển cho điện tích đi từ nguồn đến điện cực. Màng 2 chiều của họ được phát triển trên nền bạc và được phủ một lớp nhôm bảo vệ.

Trong khi đó, các nhà nghiên cứu tại Đại học Northwestern (Mỹ) đã biểu thị phương pháp mới để sản xuất những lượng lớn những mảnh phốtpho đen siêu mỏng - vật liệu bán dẫn hiện đang có nhu cầu lớn. Khác với phương pháp thủ công thông thường, phương pháp mới này dựa trên tác động của siêu âm lên các tảng phốtpho đen đặt trong dung môi khan.

Các nhà khoa học tại Đại học Drexel (Mỹ) cũng đã chế tạo các cacbua và nitrua kim loại chuyển tiếp dạng 2 chiều với những tính chất như bền, mềm dẻo và dẫn điện.

Phát hiện chất chống khuẩn mới từ các vi khuẩn không thể nuôi cấy

Nhiều thuốc kháng sinh mà ngày nay chúng ta sử dụng để điều trị các bệnh nhiễm khuẩn đã được phát hiện trước tiên như những sản phẩm của các vi khuẩn trong đất. Nhưng cho đến nay các nhà khoa học chỉ có thể nuôi cấy được trong phòng thí nghiệm khoảng 1% vi sinh vật sống trong tự nhiên, 99% còn lại được coi là không thể nuôi cấy.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Northeastern (Mỹ) đã phát hiện phương pháp phát triển các vi khuẩn không thể nuôi cấy. Họ đưa những lượng nhỏ vi khuẩn vào dụng cụ nuôi cấy iChip, đặt nó vào giữa hai màng bán thấm rồi chôn xuống đất trong 1-2 tuần. Bằng cách này, họ đã phát hiện hợp chất chống khuẩn gọi là teixobactin. Đây là một hạng chất chống khuẩn mới vì nó có thể diệt các mầm bệnh gram dương và cũng có hiệu quả chống lại tụ cầu vàng kháng methicillin.

Các nhà nghiên cứu cho biết, cơ chế hoạt động mới của teixobactin khiến cho vi khuẩn khó phát triển khả năng đề kháng chống lại hợp chất này. Họ đã gửi teixobactin đến nhiều phòng thí nghiệm nhưng cho đến nay chưa nơi nào có thể phát triển vi khuẩn kháng teixobactin.

Phát triển phương pháp kiểm soát sinh vật biến đổi gen

Ngày nay, sinh vật biến đổi gen đã trở thành những công cụ quan trọng trong sản xuất nhiều loại sản phẩm phong phú như sữa chua, propanediol và insulin - nhưng đây là những ứng dụng chỉ giới hạn trong các phòng thí nghiệm hay nhà máy.

Trong tương lai, vi khuẩn biến đổi gen còn có thể được sử dụng cả ở ngoài thực địa, ví dụ lợi khuẩn được sử dụng trong ruột để chống các bệnh đường ruột hoặc để làm sạch các vết dầu loang trong môi trường. Nhưng các nhà khoa học cần những chiến lược đáng tin cậy để kiểm soát chặt chẽ các vi sinh vật tổng hợp này và phá hủy chúng sau khi hoàn thành nhiệm vụ nhằm ngăn không cho chúng (hoặc các gen tổng hợp của chúng) thoát ra môi trường mà không bị kiểm soát.

Năm 2015, lĩnh vực kiểm soát sinh vật biến đổi gen đã đạt được một số tiến bộ quan trọng. Tháng 1/2015, một nhóm nghiên cứu tại Trường Y học Harvard và Đại học Yale (Mỹ) đã viết lại DNA của Escherichia coli, khiến cho vi khuẩn này cần phải có axit amin tổng hợp mới có thể sản xuất được các protein thiết yếu. Sự phụ thuộc vào axit amin tổng hợp khiến cho vi khuẩn biến đổi gen rất khó sống ở bên ngoài phòng thí nghiệm, vì trong thiên nhiên không có các axit amin tổng hợp như vậy. Nhưng áp dụng chiến lược mới này là một thách thức lớn, các nhà khoa học cần biến đổi lại gen của protein thiết yếu trong sinh vật biến đổi gen sao cho chúng phải dựa vào axit amin tổng hợp để có thể tồn tại.

Cuối năm 2015, các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Massachusetts (Mỹ) đã công bố chiến lược kiểm soát nhanh hơn và dễ áp dụng hơn: Họ sử dụng hai mạch gen mới như “công tắc tử thần” trong vi khuẩn biến đổi gen. Các mạch này bảo đảm rằng vi khuẩn biến đổi gen sẽ chỉ phát triển và sống khi có mặt một số hóa chất ở dạng kết hợp nhất định nào đó.

Chất lỏng xốp

Năm 2015, các nhà hóa học đã phát triển một dạng vật liệu mới: Đó là chất lỏng với các lỗ xốp bên trong. Vật liệu này là sự kết hợp giữa các chất rắn dạng xốp với các chất lỏng liên tục. Đây là hệ thống do các nhà nghiên cứu tại Đại học Queen (Bắc Ailen) phát triển và có thể được sử dụng để tách các hỗn hợp khí cũng như xúc tác các quá trình hóa học. Từ trước đến nay, các chất rắn dạng xốp như zeolit đã được chứng tỏ là những công cụ hữu ích trong việc tách các phân tử và sử dụng làm chất xúc tác. Nhưng chất rắn có một số nhược điểm như không thể chảy dễ dàng qua các kênh nhỏ hoặc dàn đều một cách trơn tru trên các bề mặt khác. Trái lại, chất lỏng có thể chảy nhưng lại không có lỗ bên trong. Tuy chất lỏng cũng có các không gian liên phân tử, nhưng chúng quá nhỏ, các bong bóng được thổi vào trong chất lỏng nhằm tạo ra độ xốp thì thường sẽ nhanh chóng biến mất.

Chất lỏng xốp nói trên được làm từ các “lồng” phân tử hữu cơ rỗng - chúng được tạo ra bằng cách liên kết 1,3,5-triformylbenzen với một hoặc hai loại amin, sau đó được cho hòa tan trong dung môi. Các lỗ của những chiếc “lồng” này quá nhỏ nên các phân tử dung môi không thể đi vào mà sẽ bít kín bên ngoài, do đó tạo ra tính xốp cho chất lỏng. Trong những thử nghiệm ban đầu, các nhà nghiên cứu đã tạo ra những chiếc “lồng” như trên bằng triformylbenzen và “nắp lồng” bằng điamin chức, nhưng chất lỏng thu được có độ nhớt rất cao và khó tổng hợp. Vì vậy, các nhà nghiên cứu tại Đại học Queen đã hợp tác với các nhà khoa học tại Đại học Liverpool (Anh) để tạo ra phiên bản thứ hai làm từ triformylbenzen và hai alkyldiamin trong dung môi hexaclopropen. Chất lỏng thu được ít nhớt hơn và dễ điều chế hơn.

Chất lỏng “xốp” mới sẽ mở ra những lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng mới cho vật liệu có độ xốp.

Kính hiển vi điện tử

Nhờ khả năng phóng to thu nhỏ hình ảnh với hệ số phóng đại hơn 1 triệu lần, kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) là công cụ không thể thiếu đối với các nhà hóa học, sinh họcvật liệu học khi khảo sát các cấu trúc và thành phần có kích thước cỡ nguyên tử.

Năm 2015, TEM đã thể hiện sức mạnh của nó khi cho phép các nhà hóa học quan sát các phân tử sinh học phức tạp và các hạt keo ở những cấp độ chi tiết mà trước đó chưa bao giờ có được. Ví dụ, các nhà khoa học công bố đã đạt được tiến bộ trong xác định cấu trúc phân tử sinh học nhờ sử dụng TEM để phân tích các mẫu không thể kết tinh.

Sử dụng thiết bị TEM, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu khoa học quốc gia Pháp đã xác định cấu trúc 3 chiều của một loại vỏ protein có khả năng bao bọc quanh virut bệnh sởi. Kết quả này có thể dẫn đến những loại thuốc chống virut mới để điều trị bệnh sởi và các bệnh khác. Các nhà nghiên cứu cũng có khả năng chụp ảnh những phân tử sinh học ở kích thước nhỏ hơn 1 triệu lần so với kích thước tối thiểu cần thiết để có thể chụp ảnh bằng kỹ thuật tinh thể học với tia X-quang thông thường.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học California (Mỹ) đã sử dụng kỹ thuật dựa trên TEM để phân tích các cụm peptit nhỏ trong a-synuclein (protein đóng vai trò then chốt trong bệnh Parkinson). Trong khi đó, các nhà nghiên cứu tại Đại học Berkeley (Mỹ) đã biểu thị phương pháp tạo lập hình ảnh 3 D của các hạt di chuyển trong chất lỏng - đây là môi trường mà thường ngăn cản việc áp dụng kỹ thuật chụp ảnh độ nét cao. Nhóm nghiên cứu đã bẫy các giọt chất lỏng chứa các hạt platin trong bong bóng graphen cỡ nano và ghi được hình ảnh của các hạt keo riêng rẽ. Sau đó, họ sử dụng kỹ thuật vi tính để tái tạo hình ảnh 3 D của các hạt di chuyển ngẫu nhiên. Các kỹ thuật chụp ảnh hạt nano trước đây thường phải dựa vào các mẫu bất động. Do phương pháp mới cho phép nghiên cứu chất keo ở dạng tự nhiên của chúng nên nó có thể trở thành phương tiện trực tiếp để thử nghiệm động lực của các hạt trong các quá trình xúc tác cũng như tổng hợp vật liệu.

Hoahcngaynay.com

Nguồn Vinachem/Chemical & Engineering News

Hits smaller text tool iconmedium text tool iconlarger text tool icon

Comments powered by H2N2

Tin liên quan:
Tin mới hơn:
Tin cũ hơn:

DANH MỤC TÀI LIỆU

Những thành tựu nghiên cứu hóa học nổi bật năm 2015