Bilgisayarda Tasarla, Laboratuvarda Hazırla

Özellikle yaz aylarında, kaçak içki tükettikleri için kör olan veya yaşamını yitiren kişilerle ilgili haberlere sıkça rastlıyoruz. Bu vakalara alkollü içkilerin temel maddesi olan etanol (etil alkol) yerine daha ucuz olduğu için tercih edilen metanol (metil alkol) neden oluyor. Stanford Üniversitesi, Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezi (SLAC) ve Danimarka Teknik Üniversitesinden araştırmacıların gerçekleştirdiği, Mart ayında Nature Chemistr/âe yayımlanan bir çalışmada daha düşük maliyetle ve daha temiz şartlarda metanol üretilmesini sağlayacak bir katalizörün keşfinden bahsediliyor.

Bilim adamlarının bu çalışmayı yapma nedeni elbette kaçak içki üretenleri desteklemek değil. Araştırmanın ayrıntılarına girmeden önce metanol nedir, nasıl üretilir, ne işe yarar kısaca bir ona bakalım.

Binlerce Yıldır Kullanılıyor

Molekül formülü CH3OH olan metanol renksiz, uçucu, kolayca alev alabilen ve zehirli bir madde. Metanol o derece zehirli ki 10 misi körlüğe, 30 misi ise ölüme neden olabiliyor. Yüzyıllar boyunca odunun piroliziyle -yani oksijensiz veya çok az oksijen bulunan ortamda ısıtılmasıyla- elde edilmiş. Günümüzde ise fabrikalarda karbonmonoksit, karbondioksit ve hidrojenin uygun şartlarda tepkimeye girmesiyle sentezleniyor.

Eski Mısırlılar pirolizle elde ettikleri metanolü başka maddelerle karıştırıp mumyalama işlemlerinde kullanmış. Ancak insanoğlu yüzlerce yıl metanolü saf olarak elde edememiş. Saf metanol eldesi pek çok kişi tarafından ilk modern kimyager kabul edilen Robert Böyle tarafından 1661de gerçekleştirilmiş. Böyle, bunu şimşiri damıtarak başarmış. 1834 yılında Fransız kimyagerler Jean-Baptiste Dumas ve Eugene Peliot metanolün hangi elementlerden meydana geldiğini tespit etmiş.

Devasa Kullanım

Tek karbonlu olduğu için en basit alkol olarak da nitelendirilen metanolün dünya genelindeki üretimi yıllık 65 milyon ton. Aslında tek başına bu devasa miktar bile onun endüstri için ne kadar önemli olduğunu ve daha ucuza üretilmesinin ne denli büyük bir ses getireceğini fazlasıyla anlatıyor. Metanol en çok başka kimyasal maddelerin eldesinde hammadde olarak kullanılıyor. Örneğin bir yılda üretilen metanolün %40’ı plastik eldesinde de kullanılan formaldehitin üretimi için harcanıyor. Ayrıca boyaların, pek çok polimerin, patlayıcıların, yapıştırıcıların üretiminde de metanol rol oynuyor. Metanol-den dünyanın farklı bölgelerinde doğrudan yakıt veya dolaylı olarak biyodizel eldesinde de faydalanılıyor. Metanolden elde edilen dimetil eter, spreylerde kloroflorokarbonlar yerine itici gaz olarak veya LPG’yle karıştırdarak ısınma ve pişirme için kullanılıyor. Donma noktası -98°C gibi hayli düşük bir sıcaklık olduğundan antifriz üretiminde de çokça tercih ediliyor. Kampçılıkla ilgisi olan okurlarımız da kamp sobalarında metanol kullanıldığını biliyordur.

Metanolün kullanıldığı daha pek çok alan var. Sadece metanolün hangi işlerde kullanıldığı bile başlı başına uzun bir yazı konusu olabilecek kadar kapsamlı.

Küresel İsınmaya Çare Olabilir mi?

Bu denli önemli kullanım alanları olan bir maddenin hızlı ve ucuz sentezlenebilmesi için pek çok çalışma yapılıyor. Yazının girişinde bahsettiğimiz araştırmayı gerçekleştiren ekipten Felix Studt, metanolün büyük fabrikalarda yüksek basınçlı ortamlarda doğalgazdan elde edilen hidrojen, karbondioksit ve kar-bonmonoksit kullanılarak üretildiğini, kendilerinin ise düşük basınçta çevreye zarar vermeyen kaynaklardan metanol elde etmeye çalıştıklarını söylüyor.

Ekipten bir diğer araştırmacı Jens Norskov da “suyun güneş ışığıyla parçalanması ile elde edilebilecek hidrojenle, enerji santrallerinden veya fabrika bacalarından çıkan karbondioksitin kullanılmasıyla metanol elde ettiğinizi bir düşünsenize” diyor. Gerçekten de bu başarılabilirse hem çevre kirliliğini azaltan hem de çok daha düşük maliyetli bir yöntem hayata geçmiş olacak. Norskov ayrıca tek karbonlu bir alkol olan metanole ek olarak iki karbonlu bir alkol olan etanol (C2H5OH) ve üç karbonlu bir alkol olan pro-panol de (C3HyOH) sentezlemeye çalıştıklarını söylüyor. Etanol ve propanol metanolden farklı olarak yakıtlara doğrudan eklenebildiği için böyle bir üretimle çok önemli miktarda enerji kaynağı sağlanmış olacak.

Bilgisayarların Gücü

Çalışmanın dikkat çekici yönlerinden biri de harcanan zamanın büyük bir kısmının bilgisayar ortamında gerçekleşmesi. Günümüzde metanolün endüstriyel üretiminde önce doğalgaz ve su, sentez gazı denilen karbonmonoksit, karbondioksit ve hidrojene dönüştürülüyor. Daha sonra bakır, çinko ve alüminyumdan (Cu/Zn0/Al.,03) oluşan bir katalizör eşliğinde ve yüksek basınçta (50-100 bar) sentez gazından metanol elde ediliyor. Araştırmacılar önce metanolün endüstriyel sentez sürecinin nasıl gerçekleştiğini anlamak ve Cu/Zn0/Al203 katalizörün üzerindeki aktif bölgeleri -yani tepkimenin gerçekleştiği yerleri- belirlemek için yaklaşık üç yıl çalışmış. Metanol sentezinin moleküler seviyede nasıl gerçekleştiği anlaşıldıktan sonra hidrojen ve karbondioksit kullanarak düşük basınçta metanol sentezleyebi-lecek bir katalizörün keşfine odaklanılmış. Bu kısımda da laboratuvar ortamında denemeler yapmaktansa hesaplamalı malzeme tasarımı denilen bir teknikle SLAC’taki veri tabanından faydalanılmış. Cu/ZnO/ Al O katalizörle veri tabanındaki binlerce malzeme karşılaştırıldığında nikel-galyumdan(Ni5Ga3) oluşan bileşiğin en ümit verici aday olduğu ortaya çıkmış.

Daha sonra Danimarka Teknik Üniversitesinde nikel ve galyumdan oluşan bu bileşik sentezlenmiş ve bileşiğin gerçekten de oda basıncında (1 atmosfer) metanol üretip üretmediği test edilmiş. Deney sonuçları bilgisayarlar ile yapılan hesapları doğrulamış, çünkü yeni katalizör hem oda sıcaklığında metanol sentezlenmesini gerçekleştirmiş hem de daha yüksek sıcaklıklarda Cu/Zn0/Al203 katalizörden daha çok metanol üretmiş. Mevcut Cu/Zn0/Al203 katalizör kullanılırken düşük basınçta yan ürün olarak ortaya çıkan karbonmonoksit, metanol üretimini belirgin derecede azaltırken yeni katalizör kullanılarak yapılan sentezlerde bu durum gözlenmemiş. Ayrıca testler Ni-Ga katalizörün kararlı yapıda olduğunu yani bozunmadığım da göstermiş. Bu başarılara rağmen hâlâ aşılması gereken sorunlar var. Örneğin katalizör çok az miktarda bile saf nikel içerirse elde edilen ürün miktarı belirgin olarak düşüyor ve istenmeyen yan ürünler oluşuyor.

Ekibin gerçekleştirdiği çalışma daha sağlıklı bir dünya için önem taşımasının yanı sıra bilgisayarların bilime yardımcı olma konusunda ne kadar geliştiğini de gösteriyor. 2013 yılı Kimya Nobel Ödülünün de hesaplamalı kimya ile uğraşan bilim insanlarına verildiğini hatırlatalım. Belki yakın gelecekte veri tabanında en sevdiğiniz yemek tariflerini bulunduran bilgisayarınıza dolabınızda hangi malzemelerin olduğunu girdiğinizde birkaç saniye geçmeden size en seveceğiniz yemek tarifini sunacak. Kim bilir?